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前言：

超精密加工中心靜壓氣浮導(dǎo)軌由高精度靜導(dǎo)軌、動導(dǎo)軌和氣浮軸承等組件組成。在導(dǎo)軌移動過程中，動靜導(dǎo)軌之間存在著有氣浮軸承排出的高速高壓氣體，并因氣體流動形成潤滑膜，此潤滑膜的存在,使得動靜導(dǎo)軌面不直接接觸。與液壓導(dǎo)軌相比，氣浮導(dǎo)軌明顯具有摩擦阻力小、無粘滯和高運動精度的特點，而被廣泛的應(yīng)用于超精密加工中心和坐標(biāo)測量機(jī)等高精密儀器和設(shè)備中[1]。在氣浮軸承數(shù)目確定，供氣壓力、外負(fù)載保持恒定，動靜導(dǎo)軌間隙氣膜厚度不發(fā)生變化的前提下，由于空氣運動黏度、動靜導(dǎo)軌接觸面面積是定值，靜壓氣浮導(dǎo)軌所受到的摩擦力與動導(dǎo)軌相對于靜導(dǎo)軌的速度正相關(guān)。由氣浮軸承排出進(jìn)入導(dǎo)軌間隙的氣體，其粘性力大于慣性力[2]，隨著加工中心加工精度測量機(jī)測量精度的不斷提高，導(dǎo)軌運動精度和運動速度也在不斷提高，氣浮導(dǎo)軌的摩擦力將不可忽略地降低超精密加工中心的定位精度、影響系統(tǒng)運動速度[3]。而超精密加工中心的定位精度和運動速度的研究一直是一個熱點問題[4_6]。

減阻是一個獲得了持續(xù)關(guān)注的科學(xué)問題[7]，許多學(xué)者對減阻本身和應(yīng)用做了大量的研究。其中，微結(jié)構(gòu)功能表面減阻是一個被廣泛關(guān)注的熱點。具有某些特定功能的微小拓?fù)錁?gòu)型的非光滑表面被稱為微結(jié)構(gòu)功能表面[8]，如微溝槽/肋板(Riblet)陣列[9]、微凹坑(Dimple)/凸包陣列、微金字塔(Pyramid)陣列結(jié)構(gòu)等，其特征尺寸一般為1?1〇〇微米的量級、亞毫米級，能夠改善機(jī)械產(chǎn)品/零部件的某些特性。通常這些微結(jié)構(gòu)功能表面分布于尺寸為10?1000毫米量級的跨尺度機(jī)械表面上，能夠通過改變零件的界面效應(yīng)，改變表面的摩擦[1<)]、潤滑、粘附、耐磨性以及流體力學(xué)性能[11]等物理特性，從而顯著提高機(jī)械產(chǎn)品和零部件的功能特性[12]，如：工作噪聲、能耗、密封、潤滑、使用壽命等。微結(jié)構(gòu)功能表面已經(jīng)廣泛的用于航天器[13]，仿生結(jié)構(gòu)[14]，船舶工程[15]等多種行業(yè)中。

從微結(jié)構(gòu)的功能而言，將其用于超精密加工中心動靜導(dǎo)軌表面，減小氣浮導(dǎo)軌間隙中髙速氣體的流動阻力，提高加工中心的定位精度和系統(tǒng)的運動速度具有可行性。本文基于計算流體動力學(xué)方法(Computational fluid dynamics, CFD),以減少超精密加工中心氣浮導(dǎo)軌高速運動時氣體阻力為設(shè)計目標(biāo)，應(yīng)用雷諾平均方程(Reynolds-averaged Navier-Stokesequations，RANS)和帶旋流修正的揣流型，建

立導(dǎo)軌微結(jié)構(gòu)功能表面流體動力學(xué)減阻分析模型，并結(jié)合流場分析和阻力分析，尋找適合氣浮導(dǎo)軌功能需求的微結(jié)構(gòu)表面。通過研究導(dǎo)軌表面微溝槽形貌及幾何特征參數(shù)對減阻效應(yīng)的作用規(guī)律，辨識各個因素對減阻效應(yīng)的影響規(guī)律，分析矩形溝槽、V形溝槽、U形溝槽、Space-V溝槽等四種微結(jié)構(gòu)表面構(gòu)型，確定最適合超精密加工中心氣浮導(dǎo)軌表面減阻需求的表面微溝槽形貌。繼而探討導(dǎo)軌氣浮表面微結(jié)構(gòu)減阻功能表面的幾何特征(構(gòu)型、尺寸、形狀、位置等)對減阻的影響規(guī)律，對氣浮導(dǎo)軌進(jìn)行微結(jié)構(gòu)功能表面參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。

1微結(jié)構(gòu)功能表面減阻特性分析模型

1.1氣浮導(dǎo)軌表面微結(jié)構(gòu)區(qū)域設(shè)計

如圖1所示，氣浮導(dǎo)軌表面可描述為平板表面，在平板上橫置微溝槽，建立減阻分析的模型。為/避免微結(jié)構(gòu)的設(shè)計對氣浮支撐產(chǎn)生破壞，減阻微結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計在氣孔2 mm之外[16_19]。考慮微結(jié)構(gòu)加工成本和導(dǎo)軌寬度，微結(jié)構(gòu)布局區(qū)域長度設(shè)定為5mm，微結(jié)構(gòu)布局區(qū)域之后，仍為原光滑表面。選用速度入口作為入口邊界條件，根據(jù)導(dǎo)軌氣浮氣體出口為大氣這一實際情況，選用壓力出口為出口邊界條件。分析采用導(dǎo)軌單邊寬度為9 mm，前后的緩沖過渡區(qū)域長度都設(shè)定為2 mm。整個物理模型的計算域大小為2 mmX 9 mm。在微結(jié)構(gòu)布局區(qū)域，可設(shè)置不同的構(gòu)型(圖1中給出了一種V形溝槽構(gòu)型)，尺寸，形狀，位置與分布密度的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何參數(shù)的減阻特性研究。

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結(jié)束語：

本文采用雷諾平均方程(RANS)和帶旋流修正的女-e湍流模型建立超精密加工中心氣浮導(dǎo)軌減阻微結(jié)構(gòu)功能表面分析模型。基于所建立的模型，首先分析了矩形、U形、V形和Space-V形四種構(gòu)型的微溝槽表面的減阻特性，獲得了在導(dǎo)軌表面加工V形溝槽和U形溝槽有利于減阻的分析結(jié)果。

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超精密加工中心靜壓氣浮導(dǎo)軌表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計

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