氣靜壓磨削主軸之多孔質軸承技術

前言
隨著現代科學技術的發展和要求的提高，在需要高精度高速的技術領域，如PCB生產設備、高精度測量、高速運動，滾動軸承難以達到要求。但是空氣軸承潤滑介質是空氣，無摩擦力的產生，對精度影響甚小，並且應用範圍也越來越廣。
空氣軸承可分為氣動壓軸承及氣靜壓軸承。氣動壓軸承利用高速度旋轉帶動氣膜產生，不需外界壓力氣源，由於獨特的空氣動力學方面的設計，在高速相對運動中，產生壓力氣膜，形成承載能力；氣靜壓軸承利用壓力空氣從節流器噴出，在氣膜處形成穩定的壓力氣流，使得軸承氣膜保持一定的壓力，形成承載能力。
國內氣靜壓主軸軸承通常以微孔進行節流，高轉速時，微孔節流式之氣靜壓軸承容易因為動壓效應產生不穩定現象；對於要求表面精度達到鏡面加工之氣靜壓主軸，此不穩定現象將造成加工表面之振紋，因而無法達成鏡面與超精密加工之效果，甚至造成主軸損壞。為此我們導入以多孔質材料製作氣靜壓主軸軸承，提升氣靜壓主軸軸承之承載能力與穩定性。
多孔質氣靜壓主軸為精密機械產業中的關鍵元件，除可應用於高階工具機，也應用於其他高精密加工產業如半導體工業之晶圓切割、發光二極體晶粒切割、晶片薄化研磨加工、印刷電路板鑽孔以及玻璃基板循邊切割等，因此多孔質氣靜壓主軸技術於高精密之工具機產業應用甚廣。
磨削主軸技術
傳統氣靜壓主軸之氣靜壓軸承大多使用微孔節流，微孔節流之軸承剛性太小，無法滿足於切削加工高剛性之需求，若要提高剛性，微孔節流之氣靜壓軸承則會加入氣袋或溝槽，但在高速運轉時，氣袋與氣隙之壓力差所造成的氣槌振動現象，會影響切削品質與穩定性；為了提高剛性與避免氣槌振動，使氣靜壓主軸可以進行磨削加工，世界知名的氣靜壓磨削主軸製造廠如TOSHIBA、NSK等之氣靜壓軸承皆利用多孔質材料節流；因此本所開發之氣靜壓主軸軸承是以多孔質陶瓷節流，並搭配至高精度CNC綜合加工機，如圖1所示；氣靜壓主軸之規格與相關技術詳述如下：

圖1 超精密氣靜壓磨削主軸之實品與分析模型

a.內藏式馬達-功率：5 kW，最高轉速：30,000 rpm
b.軸頸軸承-軸承內徑：ψ60 mm，6列多孔質氧化鋁柱塞，每列8顆。
c.止推軸承-環狀多孔質氧化鋁柱塞，外徑：ψ60 mm，內徑：ψ60 mm。
d.剛性：徑向≧50N/μm，軸向≧90N/μm (供氣壓力：4bar，氣隙約10 μm)。
e.迴轉精度≦0.5 μm。
d.刀把形式：HSK-40E
f.自動拉鬆刀系統
g.冷卻位置：軸頸軸承外套/止推軸承端面/馬達定子座。
h.感應裝置：溫度-熱電偶、振動-加速規。
多孔質材料製作技術：多孔質氣靜壓軸承之規格需求為孔洞直徑≦1 μm，孔隙率≦30%，透氣率≦10-14 m2，多孔質材料選擇氧化鋁與石墨，粉體材料製備，透過粉體高速研磨分散技術，將粉體粒徑微細化≦500 nm，以適當之結合劑將粉體結合並產生孔洞等向性，以冷均壓成型技術(Cold Isostatic Pressing, CIP)成型後進行高溫燒結，最後以精密切削加工氣靜壓軸承表面。
氣靜壓軸承性能分析：以商用套裝軟體FLUENT為分析工具，利用有限體積法分析多孔質氣靜壓軸承之負荷能力、壓力分布與氣隙之關係，決定節流器之尺寸參數、個數與配置，以做為主軸軸承模組設計之參考。多孔質邊界條件以Darcy condition設定，邊界條件中之透氣率以實驗裝置進行修正。目前模擬分析與實證結果誤差約為10%。