專利名稱：用于精確定心的流體軸承工件夾具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及一種機床，且更具體地涉及一種由流體軸承制成的工件夾具。
背景技術：
一些常規(guī)的工件夾具，諸如車床卡盤，使用卡爪夾住工件的表面。在卡爪 和夾持表面之間的接觸面中經常會有誤差，導致精確度降低。此外，很難移除 工件以進行其它類型的操作并然后將其以該相同的中心線重新安裝到初始的 工件夾具上。除了機械接觸問題，也可能由于卡盤的心軸軸承本身的不精確性
弓l起誤差運動(error motion)。
已知各種流體靜力工件夾具，諸如美國專利第5，516，243中揭示的，它具有 容納流體的一個或多個腔室，該流體受壓時使相對薄的金屬套管收縮以接合并 牢固地保持和定位容納在套管里的工具柄部。盡管該流體靜力工具保持架在使 用時是有效且可靠的，但固體套管在使用時流體的壓力下在其彈性極限內僅收 縮很小的量。美國專利第6,015,154號描述了一種液壓工件夾具，它具有可在 施加到套管上相對低的流體壓力下顯著移位以牢固地保持相鄰于套管地接納 的工件。
包括流體動力軸承和流體靜力軸承的流體軸承是在薄層液體或氣體上支承 負載的軸承。它們經常用在常規(guī)滾珠軸承具有較短壽命或高噪聲和振動的高負 載、高速或高精度應用場合中。人們也越來越多地使用它們以降低成本。例如， 硬盤驅動電動機流體軸承比它們所替代的滾珠軸承要安靜且廉價。
流體軸承在軸承面之間使用一薄層液體或氣體流體，軸承面通常圍繞或在 旋轉軸下被密封。有兩種主要方法使流體進入軸承。在氣體軸承和流體靜力軸 承中，流體通過小孔或通過多孔材料抽入。在流體動力軸承中，軸承旋轉將流 體掠入軸承，在軸下或圍繞軸形成潤滑楔。
流體靜力軸承要求外部加壓流體源來保持流體分離。液體動力軸承內軸承 表面之間的相對運動引起完全在流體膜內產生的很薄的成分(sheer dement) 以使軸承表面之間不發(fā)生接觸。流體靜力軸承通常用于提供均勻的負載分布。 已知相對于支承表面承載被支撐承表面的流體靜力軸承在兩軸承表面之間 有間隙。通常，這種軸承是兩種通用類型中的一種或另一種。這些通用類型中 的第一種設計成用在再循環(huán)流體系統(tǒng)中。已知流體靜力軸承中的另一種通用類 型采用與軸承的被支承表面和支承表面都接觸的一個或多個密封件以容納液 壓流體。
典型的再循環(huán)流體系統(tǒng)，如與流體靜力軸承關聯(lián)的系統(tǒng)，包括使液壓流體 流動通過兩表面(即，支承表面和被支承表面)之間空隙的泵。該泵提供對用 于使被支承表面相對于支承表面漂浮的足夠壓力，使得兩個表面彼此都不接 觸。液壓流體逸出通過兩個不接觸表面之間空隙的周界，并被收集和返回到泵 以進行再循環(huán)。再循環(huán)流體系統(tǒng)通常被認為對于相對低壓(例如，3000p.s丄 數(shù)量級以下)的液壓軸承系統(tǒng)相當足夠，但由于同時使液壓流體再循環(huán)和將其 保持在非常高的壓力水平將需要額外的能量要求，所以再循環(huán)流體系統(tǒng)不適用 于以非常高的壓力工作。
在采用一個或多個密封件來接觸軸承的被支承表面和支承表面兩者的流體 靜力軸承情況下，使用這種密封件來避免液壓流體越過兩表面之間的空隙的周 界而泄漏，同時由泵維持流體內的壓力來使被支承表面可相對于支承表面漂 浮。 一般通過使用這種設置來尋求實現(xiàn)較高的壓力能力，當然較高的壓力能力 允許軸承使用相對小的表面面積來處理相對大的負載。
在流體動力軸承中，潤滑流體或氣體在例如殼體的靜止件和轂的旋轉件之
間提供軸承表面。施加的負載由流體內產生的壓力承載，且對運動的摩擦阻力
完全從粘性流體的剪切中產生。典型的潤滑劑包括油或鐵磁流體。與軸承表面
僅包括一系列點的流體動力軸承相比，滾珠軸承組件在更大表面面積上展開軸
承表面。因為增加的軸承表面降低旋轉和固定件之間的搖擺或跳動，所以這是
所希望的。流體動力軸承依賴軸承運動以將液體掠入軸承。流體由于粘性剪切
而內部受壓。流體動力軸承在低速或啟停期間可能會具有高摩擦和短的壽命。
因此可使用第二軸承進行啟動和停機以防止對流體動力軸承的損壞。第二軸承 可具有高摩擦和短的工作壽命，但是如果軸承啟停不頻繁可具有良好的總使用壽命。
很多現(xiàn)有流體動力軸承設計是軸頸和推力軸承的結合。通常，這些設計包
括在其端部具有推力板的軸頸軸承設計，或者在或靠近軸的任一端包括圓錐軸 承的雙圓錐軸承設計。圓錐軸承通常包括在每個圓錐體上的開槽表面；推力板 軸承通常包括兩個開槽表面，由推力板和套管以及由推力板和面對板限定的每 個間隙面對有一個。
大部分已知的流體動力軸承設計是基于固定軸和旋轉的圍繞套管。但是通 過轉變成采用旋轉的軸，可實現(xiàn)能耗和振動響應方面的顯著改進而不損害性 能。如套管靜止并從基底懸伸或支撐的情況那樣，振動性對軸的剛度的依賴性 降低，從而允許采用較小直徑的軸，因此可降低能耗。
流體軸承與具有類似負載級別的其它軸承相比可相對廉價。該軸承可簡單 到兩個光滑表面，它們設有密封件以將工作流體保持在內。相反，常規(guī)軸承可 能需要具有復雜形狀的很多高精度滾子。流體靜力和氣體軸承確實具有復雜和 昂貴的外部泵。大多數(shù)流體軸承需要很少的或不需要維護，并具有幾乎不受限 制的壽命。常規(guī)機械滾珠軸承通常具有較短壽命并需要定期維護。抽吸的流體 靜力和空氣靜力(氣體)軸承設計只要泵不失效就可保持的摩擦低至零速且不 會受到啟/停磨損。流體軸承一般具有低摩擦，這遠比機械軸承好。流體軸承 內一個摩擦來源是流體的粘性。
粘度是流體在剪切應力下變形的阻力的量度。它通常理解為"稠度"，或 傾倒的阻力。粘度描述了流體流動的內部阻力并可認為是流體摩擦的量度。因 此水是"稀薄"的，具有較低粘度，而植物油是"粘稠"的，具有較高粘度。 所有的實際流體(除了超流體)都具有對剪切應力的某些阻力，而不具有對剪
切應力的阻力的理想化流體被稱為理想流體。 一般而言，在任何流動中，各層 以不同的速度移動且流體的"稠度"從層間的剪切應力產生，它最終與任何施 加的力相對抗。牛頓假設，對于直的、平行且均勻的流動，層間的剪切應力t， 與在垂直于各層的方向，換言之，垂直于層的相對移動的方向上的速度梯度成 5u/Sy正比。
t = |a —
5y
在以上等式中，已知常數(shù)p為粘性系數(shù)、粘度、或動力粘度。很多流體， 諸如水和大多數(shù)氣體，滿足牛頓準則，并已知為牛頓流體。非牛頓流體在剪切 應力和速度梯度之間呈現(xiàn)比簡單線性關系更復雜的關系。
也可通過考慮以距離f接近地間隔開的兩平板得到剪切應力和速度梯度之 間的關系。假設平板非常大，具有大的面積A使得可忽略邊緣效應，且下部 板固定，使力F施加到上部板。附帶地，如果該力引起平板移動，結論是該 物質為流體。移動板和頂部的速度、施加的力與面積和板的速度成正比且與板
間的距離成反比。結合三個關系形成等式F二p (AU/t)。其中p是稱為絕對 粘度的比例因子(單位是Pa-s或slugs/s-ft)。該等式可以剪切應力來表達p =F/A = p (U/t) 。 U/t是角變形的速率且可寫成角速度，du/dy。因此，通過 該方法，可得到剪切應力和速度梯度之間的關系。
流體靜力氣體軸承是屬于摩擦最低的軸承。但是，較低的流體粘度通常還 意味著流體從軸承表面的泄漏更快，因此要求對泵或密封件要求的功率會增 加。
因為沒有剛性機械構件支撐負載，看起來流體軸承僅可實現(xiàn)低精度。實際 上，流體軸承具有在負載下比機械軸承改變更小的間隙(是"更剛性")?？?能看起來軸承剛度，在使用最大設計負載時，會是平均流體壓力和軸承表面面 積的簡單函數(shù)。實際上，當軸承表面壓在一起時，大大限制了流體的流出。這 顯著增加了軸承面之間流體的壓力。由于流體軸承面具有相當大的面積，即使 小的流體壓差也會引起大的恢復力，從而保持間隙。
流體軸承通常比機械軸承更安靜且更平穩(wěn)(更恒定的摩擦)。很難制造自
動平穩(wěn) 和滾圓的機械軸承；且機械軸承在高速運行下由于向心力而變形。相反， 流體軸承對小的不缺陷可自行糾正。例如，用流體軸承制造的硬盤的軸承/電
動機的噪聲級別是20-24dB的量級，它比安靜房間的背景噪音稍大。基于滾動 構件的軸承的驅動器噪聲通常增加至少4dB。
在流體軸承中考慮了粘性和抗磨損性能?？杀豢刂频臐櫥阅芎涂色@得的 控制程度對這些軸承是各個不同的。除了粘性和抗磨損，其它重要的性能包括 功率耗散、移動性、蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)率、抗氧化和抗磨損性、流變能力、邊界 特性和系統(tǒng)兼容性。粘性確定了功率耗散和軸承剛度，它們在各種操作狀態(tài)下 應當相對恒定。潤滑劑可具有低的移動性，使得潤滑劑不會滲出軸承。潤滑劑 可具有高的抗氧化性和抗反應性以使軸承具有較長的壽命。流變能力是對剪切
的變形和流動響應。潤滑劑還可與其它材料兼容。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施例涉及一種工件夾具，包括本體，該本體包括流體軸承和流
體，其中流體軸承適于通過保持工件夾具和工件之間間隙中的流體而可釋放地 保持工件，其中流體軸承適于在工件上產生徑向和/或軸向力，且其中工件夾 具不包括用以可釋放地保持工件的機械接觸裝置。
較佳的是，工件夾具還包括流體源。較佳的是，流體軸承是流體靜力軸承 或流體動力軸承。較佳的是，流體是通過外部源輸送到間隙的液體或氣體。較 佳的是，流體由于粘性剪切被內部加壓。較佳的是，機械接觸裝置是卡爪、夾 頭、卡盤、磁性卡盤或夾持系統(tǒng)。較佳的是，限制工件僅允許沿工件的軸線旋
轉。較佳的是，工件的旋轉誤差運動小于lMm。
本發(fā)明的另一實施例涉及一種用工件夾具保持工件的方法，該工件夾具包 括本體，該本體包括流體軸承和流體，其中該方法包括將工件放在流體軸承中，
保持工件夾具和工件之間間隙中的流體，并可釋放地保持工件夾具中的工件， 其中流體軸承適于在工件上產生徑向和/或軸向力，且其中工件夾具不包括用 以可釋放地保持工件的機械接觸裝置。
該方法還可包括提供流體源。較佳的是，流體軸承是流體靜力軸承或流體 動力軸承。較佳的是，流體是通過外部源輸送到間隙的液體或氣體。較佳的是， 流體由于粘性剪切而被內部加壓。較佳的是，機械接觸裝置是卡爪、夾頭、卡 盤、磁性卡盤或夾持系統(tǒng)。較佳的是，限制工件僅允許沿工件的軸線旋轉。較 佳的是，工件的旋轉誤差運動小于lpm。
本發(fā)明的又另一實施例涉及一種制造工件夾具的方法，包括組裝流體軸承， 該流體軸承適于通過保持工件夾具和工件之間間隙中的流體而可釋放地保持
工件，其中流體軸承適于在工件上產生徑向和/或軸向力，且其中工件夾具不
包括用以可釋放地保持工件的機械接觸裝置以及外部驅動器/轉子組件。
較佳的是，該制造方法還可包括提供流體源。較佳的是，流體軸承是流體 靜力軸承或流體動力軸承。較佳的是，機械接觸裝置是卡爪、夾頭、卡盤、磁 性卡盤或夾持系統(tǒng)。
如人們會理解的，本發(fā)明可以有其它不同的實施例，且其細節(jié)能在各種方 面加以修改，所有這些都不背離本發(fā)明。因此，附圖和描述應被認為在本質上 是說明性而非限制性的。


圖1是本發(fā)明一實施例的立體圖。 圖2示出了來自本發(fā)明一實施例的動力測試結果。
具體實施例方式
本發(fā)明的各實施例解決了關于將工件相對于其表面的一個或多個定位的問 題，在設法實現(xiàn)高精度時這是很難的。通過研發(fā)一種工件夾具解決了這些問題， 該工件夾具包括本體，該本體包括流體軸承和流體，其中流體軸承適于通過保 持工件夾具和工件之間間隙中的流體而可釋放地保持工件，其中流體軸承適于 在工件上產生徑向和/或軸向力，且其中工件夾具不包括用以可釋放地保持工 件的機械接觸裝置。
本發(fā)明的各實施例的工件夾具可使用流體靜力或流體動力軸承。 一實施例 還可包括流體源。該流體可以是由外部源輸送到工件夾具和工件之間的間隙的 液體或氣體。在另一實施例中，流體可通過粘性剪切而在內部受壓。
為了消除與常規(guī)工件夾具相關的問題中的一個，可不采用用于夾住工件表 面的卡爪。不使用機械型的接觸裝置，例如卡爪、夾頭、卡盤、磁性卡盤或夾 持系統(tǒng)，保持工件夾具的內部表面之間間隙中的流體，使得工件本身成為流體 軸承的一個構件。工件可以是幾乎任何形式，諸如圓柱形、圓錐形、球形、扁 平形或不規(guī)則形。
在一實施例中，可限制工件以僅允許沿工件的軸線旋轉。在另一實施例中，
工件的旋轉誤差運動較佳地小于lpm，且更佳地小于0.1nm。
在一實施例中，流體軸承實際上可使用任何流體，包括空氣、油、水、酒 精或NaCl、 NaN03、 HF、 HC1、 HN03、 NaOH等等的水溶液。潤滑劑流體可 包括非導電潤滑劑和導電、非金屬、非磁性的添加劑，該添加劑改進潤滑劑的 導電性，而不損害所想要的潤滑特性，諸如粘性、抗氧化性、抗腐蝕性和抗磨 損性?；緷櫥瑒┛砂ɑ诘V物的烴、合成烴、酯或各基本潤滑劑的組合。 基于礦物的烴較佳地是高度精煉的(高度提純的)。較佳的添加劑可包括有機 聚合物，諸如可購得的用芬芳族和脂肪族烴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。與添加劑溶液的其余成分相比，芬芳族和脂肪 族烴具有40-70%的濃度。這種可購得的溶液的一個實例是來自美國Petrolite Corporation的Tolad 511 。適合的可購得的有機聚合物的另一實例包括溶劑(甲 苯(tohme)、異丙醇、和其它芬芳族溶劑C9-C16)、十二垸基、苯和磺酸的 溶液。也可使用其它可購得的溶液。因為添加劑是非金屬的和非磁性的，添加
劑不會不利地影響抗磨損和粘性性能。也可使用其它非金屬添加劑溶液。
可改變潤滑劑中添加劑的濃度來實現(xiàn)所要求的傳導性。但是，較佳地保持
該濃度較低，使得潤滑劑的總體粘性不變。因此用于適當流體軸承的流體的配
方可能需要不同于用作一般目的的潤滑劑的流體的考慮。
參見圖l，在一實施例中，工件夾具IO可使用外徑和流體軸承頂部的平坦
表面作為定位/流體靜力軸承表面。工件12可由徑向型流體靜力軸承14和/或 推力型流體靜力軸承16來夾持。如果軸承具有足夠的剛度就可在工件12上進 行任何數(shù)量的機械加工操作，軸承的剛度由多個因素確定，諸如流體的表面面 積和壓力。
工件12可具有由外部驅動器18賦予它的旋轉，外部驅動器18可設計成使 其對較佳地由工件12表面來確定的旋轉軸線的影響最少。外部驅動組件18 中的軸承可設計成使得它們具有最小的傾斜阻力。外部驅動器/轉子組件18可 包括其自身的磁鐵和定子以及與工件12保持軸承分開的其自身的流體靜力軸 承裝置。如果所要求的效果僅是精確定心的話，工件12也可保持靜止，而沒 有所賦予的旋轉。
在另一實施例中，工件12可由諸如渦流離合器磁耦合之類的非機械手段或 通過使用橫越過軸承墊逃逸以通過剪切流體引起旋轉運動來旋轉。
在一實施例中，可使用液壓活塞20來產生軸向負載以迫使推力流體靜力軸 承16到工件12上，這又迫使工件12到外部驅動器18上使得該部件可被旋轉。
工件和內部軸承表面之間的間隙可根據(jù)軸承中使用的流體的粘性來匹配。 在一實施例中，工件12和內部軸承表面之間的間隙較佳的是12-15pm。
再參見圖1，工件夾具10的制造會包括組裝適于在工件12上產生徑向力 的流體軸承14和/或適于在工件12上產生軸向力的流體軸承16和外部驅動器 /轉子組件18。在另一實施例中，可包括液壓活塞20的陣列以產生軸向負載來 迫使推力流體靜力軸承16到工件12上，這又迫使工件12到外部驅動器18 上，使得該部件可被旋轉。
在一實施例中，工件夾具10軸承組件的部件可以由系列430的不銹鋼制成。
其它適當?shù)牟牧习ㄢ?、具有高抗陽極腐蝕的金屬、具有低吸水率的塑料以及 陶瓷。這些部件可通過澆鑄、模制或粉末冶金制成。
圖2示出了使用流體靜力軸承的工件夾具的一實施例的動力測試結果的實 例。使用用電容探測器和信號處理的旋轉動力(rotodynamic)測試來測量誤
差運動。不管工件移除和替換了多少次，作為代表性測試取樣，旋轉工件的轉
動誤差運動可以是約O.lpm。這些結果表明阻尼和誤差運動足以滿足大多數(shù)應
用的要求。
上面的描述使本技術領域的技術人員能夠實施并使用本發(fā)明，并且是在特 定應用和其要求的上下文中提供的。對較佳實施例的各種修改對本技術領域的 技術人員是顯而易見的，且在此限定的一般原理也可應用于其它實施例和應用 而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此本發(fā)明并不意味著限于所示實施例，而是 根據(jù)與在此揭示的原理和特征相一致的最大范圍。
該申請揭示了幾個數(shù)字范圍限制，盡管說明書中沒有逐字陳述具體范圍限 制，但是因為本發(fā)明可在全部所揭示數(shù)字范圍內實踐，所以這些數(shù)字限制范圍 支持所揭示數(shù)字范圍之內的任何范圍。最后，本發(fā)明所引用的專利和公報的整 個揭示內容以參見的方式納入本文。
權利要求
1.一種工件夾具，包括本體，所述本體包括流體軸承和流體，其中所述流體軸承適于通過將所述流體保持在所述工件夾具和工件之間的間隙中而可釋放地保持工件，所述流體軸承適于在所述工件上產生徑向和/或軸向力，且所述工件夾具不包括用以可釋放地保持工件的機械接觸裝置。
2. 如權利要求1所述的工件夾具，其特征在于，還包括流體源。
3. 如權利要求1所述的工件夾具，其特征在于，所述流體軸承是流體靜力 軸承或流體動力軸承。
4. 如權利要求1所述的工件夾具，其特征在于，所述流體是通過外部源輸 送到所述間隙的液體或氣體。
5. 如權利要求1所述的工件夾具，其特征在于，所述流體通過粘性剪切而 被內部加壓。
6. 如權利要求1所述的工件夾具，其特征在于，所述機械接觸裝置是卡爪、 夾頭、卡盤、磁性卡盤或夾持系統(tǒng)。
7. 如權利要求1所述的工件夾具，其特征在于，所述工件被限制成僅允許 沿所述工件的軸線旋轉。
8. 如權利要求1所述的工件夾具，其特征在于，所述工件的旋轉誤差運動 小于ljxm。
9. 一種用工件夾具保持工件的方法，所述工件夾具包括本體，所述本體包 括流體軸承和流體，其中該方法包括將所述工件放在所述流體軸承中，將所述 流體保持在所述工件夾具和所述工件之間的間隙中，并可釋放地將所述工件保 持在所述工件夾具中，其中所述流體軸承適于在所述工件上產生徑向和/或軸 向力，且所述工件夾具不包括用以可釋放地保持工件的機械接觸裝置。
10. 如權利要求9所述的方法，其特征在于，還包括流體源。
11. 如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述流體軸承是流體靜力軸承 或流體動力軸承。
12. 如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述流體是通過外部源輸送到所述間隙的液體或氣體。
13. 如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述流體通過粘性剪切而被內部加壓。
14. 如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述機械接觸裝置是卡爪、夾 頭、卡盤、磁性卡盤或夾持系統(tǒng)。
15. 如權利要求9所述的方法，其特征在于，限制所述工件僅允許沿所述工 件的軸線旋轉。
16. 如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述工件的旋轉誤差運動小于 l[xm。
17.—種制造工件夾具的方法，包括組裝流體軸承，所述流體軸承適于通過 將所述流體保持在所述工件夾具和工件之間的間隙中而可釋放地保持所述工 件，其中所述流體軸承適于在所述工件上產生徑向和/或軸向力，且所述工件夾具不包括用以可釋放地保持工件的機械接觸裝置以及外部驅動器/轉子組 件。
18.如權利要求n所述的方法，其特征在于，還包括提供流體源。
19. 如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述流體軸承是流體靜力軸 承或流體動力軸承。
20. 如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述機械接觸裝置是卡爪、 夾頭、卡盤、磁性卡盤或夾持系統(tǒng)。
全文摘要
一種工件夾具，包括本體，該本體包括流體軸承和流體，其中流體軸承適于通過將所述流體保持在工件夾具和工件之間的間隙中而可釋放地保持工件，其中流體軸承適于在工件上產生徑向和/或軸向力，且工件夾具不包括用以可釋放地保持工件的機械接觸裝置。此外，在此還揭示了使用和制造該工件夾具的方法。
文檔編號B23Q3/00GK101096071SQ20071012904
公開日2008年1月2日 申請日期2007年6月29日 優(yōu)先權日2006年6月30日
發(fā)明者D·A·克齊蘭, M·G·斯蒂爾 申請人:希捷科技有限公司