超精密切削加工之氣靜壓主軸技術

本計畫開發可應用於超精密切削加工機之高剛性氣靜壓主軸，主要的加工工件鎖定在精微模具與光學模仁的超精密高速銑削加工；超精密銑削加工以輕切削為主，要求的是型狀精度與鏡面加工(Ra≦0.2μm)，因此主軸的迴轉精度與剛性將影響主軸性能。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須求，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切削加工，世界知名的氣靜壓切削主軸製造廠如TOSHIBA、NSK等之氣靜壓軸承皆利用多孔質材料節流；因此本計畫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；氣靜壓主軸之規格與相關技術詳述如下：

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≧50 N/μm，軸向≧90 N/μm (供氣壓力：4 bar，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%。