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世界最精密的五軸加工機(2/3)
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15
世界最精密的五軸加工機(3/3)
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工具機主軸的精度比較
阻尼效果 動態迴轉精度
P4 級滾珠主軸
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液靜壓主軸
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液靜壓軸承的優缺點
清華大學動機系精密機械設計(二)課程專題
液靜壓軸承的設計與應用
Design and Application of Hydrostatic Bearings
工研院 機械所 黃華志
2008.05.05
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1
內容大綱
流體軸承的分類與發展 液靜壓軸承的潤滑原理 液靜壓軸承系統簡介 液靜壓軸承的種類與構型 液靜壓軸承的設計考量 液靜壓軸承的工業應用例
● Surface finish Ra 0.05 μm
● Acceleration 10 m/s2 (1 g) ● Feed rate 30 m/min ● Milling in hardened steel (up to 64 HRC) ● KERN ARMORITH® machine base giving optimum vibration dampening ● Hydrostatic axes guideways and hydrostatic drives ● Integrated central temperature management for constant cooling of spindle, hydraulic system, electrical cabinet and flood coolant unit ● Temperature management of the central cooling tower within ± 0,25°K
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Hale天文望遠鏡(1934-1948年建造)
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各種軸承的性能比較
性 質 高“ d * n” 值 高耐久壽命 高承載力 軸 承 分 類
滾動軸承 液動壓軸承 液靜壓軸承 氣靜壓軸承 磁浮軸承
○ ○ ○ △ ○ △ △ ◎ ◎ ◎ ◎ △ ◎ ◎ X
動壓軸承
靜壓軸承
承載力 :
= &液體壓力
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5
流體動壓軸承的作用原理
外 潤滑 罩 油 軸體 外 罩 軸體
油膜
靜止狀態
轉動狀態
壓力分佈曲線 轉動軸頸 速度分佈 曲線 固定軸承面 潤滑油 流向
在收斂潤滑油膜的速度分佈曲線
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圓形平行流道(1/2)
dy y P P 1 y P P dr r u( y)
2u P 2 r y
h

y
P2
r
r1 r2
r
1 P 2 u y yh 2 r


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圓形平行流道(2/2)
流量
1 P Q u dA 2 r
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止推軸承之承載力(1/4)
(1)矩形軸承
W Pa 2 b 2 a b dP 12Q 3 dx a 2 l h P ab a b 4 2
W P x h


l Q P
忽略壓力分佈
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(氣或液)靜壓軸承的選用原則
主要考慮的因素包括: 承載力需求 剛性需求 運轉速度需求 操作環境
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液靜壓軸承的潤滑原理 (Lubrication Theory)
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等寬度平行流道(1/3)

P 1 P dy y
P R
Qu
Ps Pu Pu RP Ps Pu u s R Ru Ru R 1 R Ru
7
什麼是靜壓軸承?
液靜壓軸承是藉由液壓系統強制的把高壓潤滑液 送入軸體與軸承面的間隙之中，利用液體靜壓 力來承擔負載的一種軸承。
組成結構有：供油系統，節流器，軸承，軸體
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8
靜壓軸承的工作原理
Pi
Pr
當油腔內充滿液壓油後，承載台將浮起，形成最初間隙h0 ，使得承載 台與軸承底座間有一層油膜隔開。當承載台受到外部負載 (荷重 )W 的作用下，將使油膜間隙變小為 h (h < h0)，油腔回油的阻力便增大， 油腔內的壓力增高至 Pi (Pi > Pr )，以抵抗外部負載 W 而保持承載台 處 於 受力 平 衡狀 態， 使 軸承 處於 液 體摩 擦狀 態下 工 作。
6
液動壓軸承的應用與優缺點
主要應用:
高負載之渦輪發電機之油膜型動壓軸承 硬碟機、光碟機及風扇之馬達的油膜型動壓軸承
優點:
高精度 低噪音 抗震能力強 壽命長 不需供油系統
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缺點:
啟動期間軸承性能差 需不間斷連續運轉才 可維持軸承的性能
○ 軸承的承載力與軸的轉速無關- 低速或靜止時仍 可使用。 ○ 靜壓軸承的油膜剛性高。 ○ 抗振性優於滾動軸承。 ○ 油膜有誤差平均化效用，故主軸迴轉精度提高。 ○ 軸承的磨耗小、壽命長，一般不需維修與調整。 ╳ 高轉速時易升溫。 ╳ 構造較複雜，需要一套供油設備。 ╳ 成本較高。
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(2)環形軸承
2 rh 3 dP Q 12 dr
W
P r
r n r1 Pr P0 P0 r2 n r1
W P0 r12
h
Q Po
r2
P0 r22
P r

0
0
2
r1
Pr rdrd
r12 r2 r1
2 2

r1 r2
27
2n
W h3 qf Ap
qf
1 B b L ：流量係數 6 A b
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止推軸承之承載力(4/4)
Ph 3 L B Qo ≒ due to << L ,b << B 6 b Ph 3 L B ≒ 1 due to ≒b 6 L Ph 3 L ≒1.3 due to B 0.3 L 6
l
PAeff
P A A Pr Aab
A ab :承載面積(pad area) Aeff ：有效面積(effective area )
A Aeff A ：面積係數(area coefficient)
l b
a
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止推軸承之承載力(2/4 )

P P dx x u( y)
h
P2 y x
h Bd
du du 剪應力 dy dy
(1)
微元素之力平衡 P dy dx dx dy y x
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(2)
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等寬度平行流道(2/3)
代(1)式入(2)式得
2u P 2 x y

壓差

P2 P 1
12Q dP P P 1 2 Bd h3


0
dx
12Q Bd h3
流阻(flow resistance) R
P 12 3 3 Q Bd h h
where is restriction proportionality 節流比
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高精度
高剛性 高阻尼性 容易潤滑 低磨擦
○
○ X ◎ △
○
○ ○ △ X
◎
◎ ○ X X
◎
△ △ ◎ ◎
◎
○ ○ ◎ ◎
低價格
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◎
△
△
△
X
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綜合加工機精度與年代演變
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世界最精密的五軸加工機(1/3)
Machine Characteristics : ● Positioning scatter Ps ± 0.3 μm
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2
流體軸承的分類與發展
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3
流體軸承的分類: 以作動原理區分
流體軸承
動壓軸承
楔形間隙
靜壓軸承
加壓流體
擠壓膜軸承
上下振動
節流器
動壓型
靜壓型
擠壓膜型
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4
流體軸承的分類: 以供壓方式區分
流體軸承
靜壓軸承 動靜混壓軸承 動壓軸承
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止推軸承之承載力(3/4)
Lh 3 P P 平面軸承之流量： Q ，其中 為壓力梯度。 12
Ⅰ.水平工作台
P h 3 B b L Q0 6 b
Pr A Ap h 3 1 B b L A Ap 6 b
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固定節流器簡明原理(1/5)