用于精确定心的流体轴承工件夹具的制作方法

专利名称：用于精确定心的流体轴承工件夹具的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及一种机床，且更具体地涉及一种由流体轴承制成的工件夹具。
背景技术：
一些常规的工件夹具，诸如车床卡盘，使用卡爪夹住工件的表面。在卡爪 和夹持表面之间的接触面中经常会有误差，导致精确度降低。此外，很难移除 工件以进行其它类型的操作并然后将其以该相同的中心线重新安装到初始的 工件夹具上。除了机械接触问题，也可能由于卡盘的心轴轴承本身的不精确性
弓l起误差运动(error motion)。
已知各种流体静力工件夹具，诸如美国专利第5，516，243中揭示的，它具有 容纳流体的一个或多个腔室，该流体受压时使相对薄的金属套管收缩以接合并 牢固地保持和定位容纳在套管里的工具柄部。尽管该流体静力工具保持架在使 用时是有效且可靠的，但固体套管在使用时流体的压力下在其弹性极限内仅收 縮很小的量。美国专利第6,015,154号描述了一种液压工件夹具，它具有可在 施加到套管上相对低的流体压力下显著移位以牢固地保持相邻于套管地接纳 的工件。
包括流体动力轴承和流体静力轴承的流体轴承是在薄层液体或气体上支承 负载的轴承。它们经常用在常规滚珠轴承具有较短寿命或高噪声和振动的高负 载、高速或高精度应用场合中。人们也越来越多地使用它们以降低成本。例如， 硬盘驱动电动机流体轴承比它们所替代的滚珠轴承要安静且廉价。
流体轴承在轴承面之间使用一薄层液体或气体流体，轴承面通常围绕或在 旋转轴下被密封。有两种主要方法使流体进入轴承。在气体轴承和流体静力轴 承中，流体通过小孔或通过多孔材料抽入。在流体动力轴承中，轴承旋转将流 体掠入轴承，在轴下或围绕轴形成润滑楔。
流体静力轴承要求外部加压流体源来保持流体分离。液体动力轴承内轴承 表面之间的相对运动引起完全在流体膜内产生的很薄的成分(sheer dement) 以使轴承表面之间不发生接触。流体静力轴承通常用于提供均匀的负载分布。 已知相对于支承表面承载被支撑承表面的流体静力轴承在两轴承表面之间 有间隙。通常，这种轴承是两种通用类型中的一种或另一种。这些通用类型中 的第一种设计成用在再循环流体系统中。已知流体静力轴承中的另一种通用类 型采用与轴承的被支承表面和支承表面都接触的一个或多个密封件以容纳液 压流体。
典型的再循环流体系统，如与流体静力轴承关联的系统，包括使液压流体 流动通过两表面(即，支承表面和被支承表面)之间空隙的泵。该泵提供对用 于使被支承表面相对于支承表面漂浮的足够压力，使得两个表面彼此都不接 触。液压流体逸出通过两个不接触表面之间空隙的周界，并被收集和返回到泵 以进行再循环。再循环流体系统通常被认为对于相对低压(例如，3000p.s丄 数量级以下)的液压轴承系统相当足够，但由于同时使液压流体再循环和将其 保持在非常高的压力水平将需要额外的能量要求，所以再循环流体系统不适用 于以非常高的压力工作。
在采用一个或多个密封件来接触轴承的被支承表面和支承表面两者的流体 静力轴承情况下，使用这种密封件来避免液压流体越过两表面之间的空隙的周 界而泄漏，同时由泵维持流体内的压力来使被支承表面可相对于支承表面漂 浮。 一般通过使用这种设置来寻求实现较高的压力能力，当然较高的压力能力 允许轴承使用相对小的表面面积来处理相对大的负载。
在流体动力轴承中，润滑流体或气体在例如壳体的静止件和毂的旋转件之
间提供轴承表面。施加的负载由流体内产生的压力承载，且对运动的摩擦阻力
完全从粘性流体的剪切中产生。典型的润滑剂包括油或铁磁流体。与轴承表面
仅包括一系列点的流体动力轴承相比，滚珠轴承组件在更大表面面积上展开轴
承表面。因为增加的轴承表面降低旋转和固定件之间的摇摆或跳动，所以这是
所希望的。流体动力轴承依赖轴承运动以将液体掠入轴承。流体由于粘性剪切
而内部受压。流体动力轴承在低速或启停期间可能会具有高摩擦和短的寿命。
因此可使用第二轴承进行启动和停机以防止对流体动力轴承的损坏。第二轴承 可具有高摩擦和短的工作寿命，但是如果轴承启停不频繁可具有良好的总使用寿命。
很多现有流体动力轴承设计是轴颈和推力轴承的结合。通常，这些设计包
括在其端部具有推力板的轴颈轴承设计，或者在或靠近轴的任一端包括圆锥轴 承的双圆锥轴承设计。圆锥轴承通常包括在每个圆锥体上的开槽表面；推力板 轴承通常包括两个开槽表面，由推力板和套管以及由推力板和面对板限定的每 个间隙面对有一个。
大部分已知的流体动力轴承设计是基于固定轴和旋转的围绕套管。但是通 过转变成采用旋转的轴，可实现能耗和振动响应方面的显著改进而不损害性 能。如套管静止并从基底悬伸或支撑的情况那样，振动性对轴的刚度的依赖性 降低，从而允许采用较小直径的轴，因此可降低能耗。
流体轴承与具有类似负载级别的其它轴承相比可相对廉价。该轴承可简单 到两个光滑表面，它们设有密封件以将工作流体保持在内。相反，常规轴承可 能需要具有复杂形状的很多高精度滚子。流体静力和气体轴承确实具有复杂和 昂贵的外部泵。大多数流体轴承需要很少的或不需要维护，并具有几乎不受限 制的寿命。常规机械滚珠轴承通常具有较短寿命并需要定期维护。抽吸的流体 静力和空气静力(气体)轴承设计只要泵不失效就可保持的摩擦低至零速且不 会受到启/停磨损。流体轴承一般具有低摩擦，这远比机械轴承好。流体轴承 内一个摩擦来源是流体的粘性。
粘度是流体在剪切应力下变形的阻力的量度。它通常理解为"稠度"，或 倾倒的阻力。粘度描述了流体流动的内部阻力并可认为是流体摩擦的量度。因 此水是"稀薄"的，具有较低粘度，而植物油是"粘稠"的，具有较高粘度。 所有的实际流体(除了超流体)都具有对剪切应力的某些阻力，而不具有对剪
切应力的阻力的理想化流体被称为理想流体。 一般而言，在任何流动中，各层 以不同的速度移动且流体的"稠度"从层间的剪切应力产生，它最终与任何施 加的力相对抗。牛顿假设，对于直的、平行且均匀的流动，层间的剪切应力t， 与在垂直于各层的方向，换言之，垂直于层的相对移动的方向上的速度梯度成 5u/Sy正比。
t = |a —
5y
在以上等式中，已知常数p为粘性系数、粘度、或动力粘度。很多流体， 诸如水和大多数气体，满足牛顿准则，并已知为牛顿流体。非牛顿流体在剪切 应力和速度梯度之间呈现比简单线性关系更复杂的关系。
也可通过考虑以距离f接近地间隔开的两平板得到剪切应力和速度梯度之 间的关系。假设平板非常大，具有大的面积A使得可忽略边缘效应，且下部 板固定，使力F施加到上部板。附带地，如果该力引起平板移动，结论是该 物质为流体。移动板和顶部的速度、施加的力与面积和板的速度成正比且与板
间的距离成反比。结合三个关系形成等式F二p (AU/t)。其中p是称为绝对 粘度的比例因子(单位是Pa-s或slugs/s-ft)。该等式可以剪切应力来表达p =F/A = p (U/t) 。 U/t是角变形的速率且可写成角速度，du/dy。因此，通过 该方法，可得到剪切应力和速度梯度之间的关系。
流体静力气体轴承是属于摩擦最低的轴承。但是，较低的流体粘度通常还 意味着流体从轴承表面的泄漏更快，因此要求对泵或密封件要求的功率会增 加。
因为没有刚性机械构件支撑负载，看起来流体轴承仅可实现低精度。实际 上，流体轴承具有在负载下比机械轴承改变更小的间隙(是"更刚性")。可 能看起来轴承刚度，在使用最大设计负载时，会是平均流体压力和轴承表面面 积的简单函数。实际上，当轴承表面压在一起时，大大限制了流体的流出。这 显著增加了轴承面之间流体的压力。由于流体轴承面具有相当大的面积，即使 小的流体压差也会引起大的恢复力，从而保持间隙。
流体轴承通常比机械轴承更安静且更平稳(更恒定的摩擦)。很难制造自
动平稳 和滚圆的机械轴承；且机械轴承在高速运行下由于向心力而变形。相反， 流体轴承对小的不缺陷可自行纠正。例如，用流体轴承制造的硬盘的轴承/电
动机的噪声级别是20-24dB的量级，它比安静房间的背景噪音稍大。基于滚动 构件的轴承的驱动器噪声通常增加至少4dB。
在流体轴承中考虑了粘性和抗磨损性能。可被控制的润滑性能和可获得的 控制程度对这些轴承是各个不同的。除了粘性和抗磨损，其它重要的性能包括 功率耗散、移动性、蒸发压力和蒸发率、抗氧化和抗磨损性、流变能力、边界 特性和系统兼容性。粘性确定了功率耗散和轴承刚度，它们在各种操作状态下 应当相对恒定。润滑剂可具有低的移动性，使得润滑剂不会渗出轴承。润滑剂 可具有高的抗氧化性和抗反应性以使轴承具有较长的寿命。流变能力是对剪切
的变形和流动响应。润滑剂还可与其它材料兼容。

发明内容
本发明的实施例涉及一种工件夹具，包括本体，该本体包括流体轴承和流
体，其中流体轴承适于通过保持工件夹具和工件之间间隙中的流体而可释放地 保持工件，其中流体轴承适于在工件上产生径向和/或轴向力，且其中工件夹 具不包括用以可释放地保持工件的机械接触装置。
较佳的是，工件夹具还包括流体源。较佳的是，流体轴承是流体静力轴承 或流体动力轴承。较佳的是，流体是通过外部源输送到间隙的液体或气体。较 佳的是，流体由于粘性剪切被内部加压。较佳的是，机械接触装置是卡爪、夹 头、卡盘、磁性卡盘或夹持系统。较佳的是，限制工件仅允许沿工件的轴线旋
转。较佳的是，工件的旋转误差运动小于lMm。
本发明的另一实施例涉及一种用工件夹具保持工件的方法，该工件夹具包 括本体，该本体包括流体轴承和流体，其中该方法包括将工件放在流体轴承中，
保持工件夹具和工件之间间隙中的流体，并可释放地保持工件夹具中的工件， 其中流体轴承适于在工件上产生径向和/或轴向力，且其中工件夹具不包括用 以可释放地保持工件的机械接触装置。
该方法还可包括提供流体源。较佳的是，流体轴承是流体静力轴承或流体 动力轴承。较佳的是，流体是通过外部源输送到间隙的液体或气体。较佳的是， 流体由于粘性剪切而被内部加压。较佳的是，机械接触装置是卡爪、夹头、卡 盘、磁性卡盘或夹持系统。较佳的是，限制工件仅允许沿工件的轴线旋转。较 佳的是，工件的旋转误差运动小于lpm。
本发明的又另一实施例涉及一种制造工件夹具的方法，包括组装流体轴承， 该流体轴承适于通过保持工件夹具和工件之间间隙中的流体而可释放地保持
工件，其中流体轴承适于在工件上产生径向和/或轴向力，且其中工件夹具不
包括用以可释放地保持工件的机械接触装置以及外部驱动器/转子组件。
较佳的是，该制造方法还可包括提供流体源。较佳的是，流体轴承是流体 静力轴承或流体动力轴承。较佳的是，机械接触装置是卡爪、夹头、卡盘、磁 性卡盘或夹持系统。
如人们会理解的，本发明可以有其它不同的实施例，且其细节能在各种方 面加以修改，所有这些都不背离本发明。因此，附图和描述应被认为在本质上 是说明性而非限制性的。


图1是本发明一实施例的立体图。 图2示出了来自本发明一实施例的动力测试结果。
具体实施例方式
本发明的各实施例解决了关于将工件相对于其表面的一个或多个定位的问 题，在设法实现高精度时这是很难的。通过研发一种工件夹具解决了这些问题， 该工件夹具包括本体，该本体包括流体轴承和流体，其中流体轴承适于通过保 持工件夹具和工件之间间隙中的流体而可释放地保持工件，其中流体轴承适于 在工件上产生径向和/或轴向力，且其中工件夹具不包括用以可释放地保持工 件的机械接触装置。
本发明的各实施例的工件夹具可使用流体静力或流体动力轴承。 一实施例 还可包括流体源。该流体可以是由外部源输送到工件夹具和工件之间的间隙的 液体或气体。在另一实施例中，流体可通过粘性剪切而在内部受压。
为了消除与常规工件夹具相关的问题中的一个，可不采用用于夹住工件表 面的卡爪。不使用机械型的接触装置，例如卡爪、夹头、卡盘、磁性卡盘或夹 持系统，保持工件夹具的内部表面之间间隙中的流体，使得工件本身成为流体 轴承的一个构件。工件可以是几乎任何形式，诸如圆柱形、圆锥形、球形、扁 平形或不规则形。
在一实施例中，可限制工件以仅允许沿工件的轴线旋转。在另一实施例中，
工件的旋转误差运动较佳地小于lpm，且更佳地小于0.1nm。
在一实施例中，流体轴承实际上可使用任何流体，包括空气、油、水、酒 精或NaCl、 NaN03、 HF、 HC1、 HN03、 NaOH等等的水溶液。润滑剂流体可 包括非导电润滑剂和导电、非金属、非磁性的添加剂，该添加剂改进润滑剂的 导电性，而不损害所想要的润滑特性，诸如粘性、抗氧化性、抗腐蚀性和抗磨 损性。基本润滑剂可包括基于矿物的烃、合成烃、酯或各基本润滑剂的组合。 基于矿物的烃较佳地是高度精炼的(高度提纯的)。较佳的添加剂可包括有机 聚合物，诸如可购得的用芬芳族和脂肪族烃配制的季化聚氨基酰胺酯、次氮基 聚合物、氯苯和二氯乙烷溶液。与添加剂溶液的其余成分相比，芬芳族和脂肪 族烃具有40-70%的浓度。这种可购得的溶液的一个实例是来自美国Petrolite Corporation的Tolad 511 。适合的可购得的有机聚合物的另一实例包括溶剂(甲 苯(tohme)、异丙醇、和其它芬芳族溶剂C9-C16)、十二垸基、苯和磺酸的 溶液。也可使用其它可购得的溶液。因为添加剂是非金属的和非磁性的，添加
剂不会不利地影响抗磨损和粘性性能。也可使用其它非金属添加剂溶液。
可改变润滑剂中添加剂的浓度来实现所要求的传导性。但是，较佳地保持
该浓度较低，使得润滑剂的总体粘性不变。因此用于适当流体轴承的流体的配
方可能需要不同于用作一般目的的润滑剂的流体的考虑。
参见图l，在一实施例中，工件夹具IO可使用外径和流体轴承顶部的平坦
表面作为定位/流体静力轴承表面。工件12可由径向型流体静力轴承14和/或 推力型流体静力轴承16来夹持。如果轴承具有足够的刚度就可在工件12上进 行任何数量的机械加工操作，轴承的刚度由多个因素确定，诸如流体的表面面 积和压力。
工件12可具有由外部驱动器18赋予它的旋转，外部驱动器18可设计成使 其对较佳地由工件12表面来确定的旋转轴线的影响最少。外部驱动组件18 中的轴承可设计成使得它们具有最小的倾斜阻力。外部驱动器/转子组件18可 包括其自身的磁铁和定子以及与工件12保持轴承分开的其自身的流体静力轴 承装置。如果所要求的效果仅是精确定心的话，工件12也可保持静止，而没 有所赋予的旋转。
在另一实施例中，工件12可由诸如涡流离合器磁耦合之类的非机械手段或 通过使用横越过轴承垫逃逸以通过剪切流体引起旋转运动来旋转。
在一实施例中，可使用液压活塞20来产生轴向负载以迫使推力流体静力轴 承16到工件12上，这又迫使工件12到外部驱动器18上使得该部件可被旋转。
工件和内部轴承表面之间的间隙可根据轴承中使用的流体的粘性来匹配。 在一实施例中，工件12和内部轴承表面之间的间隙较佳的是12-15pm。
再参见图1，工件夹具10的制造会包括组装适于在工件12上产生径向力 的流体轴承14和/或适于在工件12上产生轴向力的流体轴承16和外部驱动器 /转子组件18。在另一实施例中，可包括液压活塞20的阵列以产生轴向负载来 迫使推力流体静力轴承16到工件12上，这又迫使工件12到外部驱动器18 上，使得该部件可被旋转。
在一实施例中，工件夹具10轴承组件的部件可以由系列430的不锈钢制成。
其它适当的材料包括钛、具有高抗阳极腐蚀的金属、具有低吸水率的塑料以及 陶瓷。这些部件可通过浇铸、模制或粉末冶金制成。
图2示出了使用流体静力轴承的工件夹具的一实施例的动力测试结果的实 例。使用用电容探测器和信号处理的旋转动力(rotodynamic)测试来测量误
差运动。不管工件移除和替换了多少次，作为代表性测试取样，旋转工件的转
动误差运动可以是约O.lpm。这些结果表明阻尼和误差运动足以满足大多数应
用的要求。
上面的描述使本技术领域的技术人员能够实施并使用本发明，并且是在特 定应用和其要求的上下文中提供的。对较佳实施例的各种修改对本技术领域的 技术人员是显而易见的，且在此限定的一般原理也可应用于其它实施例和应用 而不偏离本发明的精神和范围。因此本发明并不意味着限于所示实施例，而是 根据与在此揭示的原理和特征相一致的最大范围。
该申请揭示了几个数字范围限制，尽管说明书中没有逐字陈述具体范围限 制，但是因为本发明可在全部所揭示数字范围内实践，所以这些数字限制范围 支持所揭示数字范围之内的任何范围。最后，本发明所引用的专利和公报的整 个揭示内容以参见的方式纳入本文。
权利要求
1.一种工件夹具，包括本体，所述本体包括流体轴承和流体，其中所述流体轴承适于通过将所述流体保持在所述工件夹具和工件之间的间隙中而可释放地保持工件，所述流体轴承适于在所述工件上产生径向和/或轴向力，且所述工件夹具不包括用以可释放地保持工件的机械接触装置。
2. 如权利要求1所述的工件夹具，其特征在于，还包括流体源。
3. 如权利要求1所述的工件夹具，其特征在于，所述流体轴承是流体静力 轴承或流体动力轴承。
4. 如权利要求1所述的工件夹具，其特征在于，所述流体是通过外部源输 送到所述间隙的液体或气体。
5. 如权利要求1所述的工件夹具，其特征在于，所述流体通过粘性剪切而 被内部加压。
6. 如权利要求1所述的工件夹具，其特征在于，所述机械接触装置是卡爪、 夹头、卡盘、磁性卡盘或夹持系统。
7. 如权利要求1所述的工件夹具，其特征在于，所述工件被限制成仅允许 沿所述工件的轴线旋转。
8. 如权利要求1所述的工件夹具，其特征在于，所述工件的旋转误差运动 小于ljxm。
9. 一种用工件夹具保持工件的方法，所述工件夹具包括本体，所述本体包 括流体轴承和流体，其中该方法包括将所述工件放在所述流体轴承中，将所述 流体保持在所述工件夹具和所述工件之间的间隙中，并可释放地将所述工件保 持在所述工件夹具中，其中所述流体轴承适于在所述工件上产生径向和/或轴 向力，且所述工件夹具不包括用以可释放地保持工件的机械接触装置。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括流体源。
11. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述流体轴承是流体静力轴承 或流体动力轴承。
12. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述流体是通过外部源输送到所述间隙的液体或气体。
13. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述流体通过粘性剪切而被内部加压。
14. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述机械接触装置是卡爪、夹 头、卡盘、磁性卡盘或夹持系统。
15. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，限制所述工件仅允许沿所述工 件的轴线旋转。
16. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述工件的旋转误差运动小于 l[xm。
17.—种制造工件夹具的方法，包括组装流体轴承，所述流体轴承适于通过 将所述流体保持在所述工件夹具和工件之间的间隙中而可释放地保持所述工 件，其中所述流体轴承适于在所述工件上产生径向和/或轴向力，且所述工件夹具不包括用以可释放地保持工件的机械接触装置以及外部驱动器/转子组 件。
18.如权利要求n所述的方法，其特征在于，还包括提供流体源。
19. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述流体轴承是流体静力轴 承或流体动力轴承。
20. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述机械接触装置是卡爪、 夹头、卡盘、磁性卡盘或夹持系统。
全文摘要
一种工件夹具，包括本体，该本体包括流体轴承和流体，其中流体轴承适于通过将所述流体保持在工件夹具和工件之间的间隙中而可释放地保持工件，其中流体轴承适于在工件上产生径向和/或轴向力，且工件夹具不包括用以可释放地保持工件的机械接触装置。此外，在此还揭示了使用和制造该工件夹具的方法。
文档编号B23Q3/00GK101096071SQ20071012904
公开日2008年1月2日 申请日期2007年6月29日 优先权日2006年6月30日
发明者D·A·克齐兰, M·G·斯蒂尔 申请人:希捷科技有限公司