挑战
在许多先进行业中，机器制造商不断推动主轴技术的要求，以寻求更高的生产率、更高的精度和更长的使用寿命。传统的轴承系统，通常是滚珠轴承，无法始终提供这些行业所需的非常高的速度，同时仍保持高旋转精度、热稳定性和长使用寿命。这主要是由于滚珠和滚道之间的机械接触，这可能导致快速磨损和在高转速下产生过多的热量，从而导致精度损失，甚至轴承过早失效。
此外，其中一些行业需要无油轴承系统，以避免工件或环境污染，尤其是在洁净室应用中。
解决方案
对于许多高科技 OEM 来说，空气轴承主轴是完美的解决方案。空气轴承主轴已在全球最恶劣的制造环境中证明是成功的，与传统轴承系统相比，具有显著的优势，可实现更高的生产率和更高的质量。本文重点介绍了空气轴承可以提供的最显著优势。
空气轴承主轴的优点
更高的精度
空气轴承提供极高的径向和轴向旋转精度。由于没有机械接触，磨损最小，确保精度随着时间的推移保持不变。
空气轴承主轴的制造结构本身就具有旋转精度。特殊的制造技术提高了这种精度，从而提供了极高的旋转和轴向精度。空气轴承主轴的设计可在轴向和径向上实现小于 0.1 微米的 TIR 旋转精度。由于旋转轴和静态支架之间没有机械接触，因此不会有任何磨损，确保精度随着时间的推移保持不变 – 对于使用统计过程控制的制造商来说，这是一个重要功能。
图 1 – 典型的同步径向跳动值：< 10 微米（PCB 钻孔主轴，高速）。
图 2 – 实际异步径向跳动值：< 0.025 微米（圆盘测试主轴，低速）。
高速
空气轴承内的低剪切力允许极高的转速、最小的功率损失和非常低的热量产生。速度可以超过 300,000 rpm。
空气轴承具有低分数阻力，允许高速，同时保持非常低的振动水平。空气轴承对旋转的摩擦阻力非常小，因此，功率损失和热量产生也非常小。这使得轴可以在非常高的表面速度下运行。
图 3 – 空气轴承主轴在不同市场领域的当前最大速度。
在某些主轴中，较高的转速将导致轴承刚度增加，这是由空气动力学和陀螺仪刚度引起的。
延长刀具寿命
使用空气轴承意味着可以大大延长刀具寿命。
无振动和高旋转精度意味着钻头、刀具、砂轮和镗刀的使用寿命要长得多，从而降低了维护和运行成本。 特别是在 PCB 钻孔行业中，现在使用的钻头直径小至 50 微米，只有空气轴承主轴能够以所需的速度运行，以确保可接受的工具寿命。
图 4 – PCB 钻孔工具寿命与速度的关系。
砂轮寿命的典型增加：根据应用和轮型，增加1.5至4倍。
改进的表面光洁度
空气轴承主轴提供的精确、可重复的运动提供了卓越的表面光洁度。
对于半导体加工等应用，空气轴承主轴提供平稳、准确、可重复的运动，从而获得更好的表面光洁度。与滚珠轴承主轴不同，空气轴承提供恒定的轴承刚度，确保在加工硬质材料时将表面下断裂降至最低。由于刚度是由通过轴承的均匀空气流产生的，因此轴受到外部载荷的反作用力在其旋转的所有点上都是恒定的。该特性与磨削时产生良好的表面质量特别相关。
典型表面光洁度
表面磨削：< 0.05 微米（2 微英寸）CLA。
金刚石车削或飞切丙烯酸树脂和软金属：< 0.012 微米（0.5 微英寸）的 CLA，可实现一致的光学质量。
典型的空气轴承刚度值
根据主轴的尺寸，空气轴承刚度可以达到以下值：
轴向：高达 250 N/微米（1,400,000 磅/英寸）。
径向：高达 580 N/微米（3,300,000 磅/英寸）。
图 5 – 滚动体和空气轴承刚度的比较。
轴承寿命长
由于没有机械接触，空气供应清洁，无油和水，轴承寿命大大延长。
轴承内没有任何金属与金属的接触，只要空气供应清洁且无油无水，则几乎具有无限的使用寿命。此外，由于运行的性质，空气轴承从轴承末端提供恒定的空气吹扫，从而形成天然屏障，防止有害的外部污染物（如材料碎屑或切削液）进入。这提高了机器利用率并最大限度地减少了停机时间，从而提高了整体效率。
图 6 – 滚珠轴承和空气轴承的轴承寿命比较。
低热生长
低摩擦、恒定的气流和高效的电力传输可实现最小的热增长。
由于许多因素（例如低摩擦、恒定的气流和高效的动力传输），主轴中的加热效应很小。此外，特殊材料和施工方法的选择，加上内部液体冷却通道，几乎可以完全消除热增长，因此不需要预热期。
图 7 – 以 200,000 rpm 的速度运行的水冷式 PCB 钻孔主轴的热图像。
缺乏维护
几乎需要最少的维护。 定期检查供气和冷却系统是确保完全可靠性所必需的。
通常只需定期检查空气供应即可确保轴承的完全可靠性。如果主轴在设计规格限制内运行，则主轴应具有较长的使用寿命。正常的维护通常包括确保空气和水供应保持清洁并符合正确的规格。
典型空气过滤要求：0.1 微米
注意：如果主轴上安装了夹头或其他固定装置，则必须遵守特定的维护制度。
图 8 – 装有粘合夹头的主轴的维护说明。
负载能力大
空气轴承可以承受重载荷，使其能够应用于许多工业机床应用。
空气轴承设计可以结合重承载能力、高刚度能力或两者的组合。在许多主轴转速相对较低的空气轴承应用中，可以采用大直径径向和轴向轴承。
径向轴承负载高达 500 公斤。
轴向轴承负载高达 1000 kg。
图 9 – 上图显示了主轴轴直径增加时的负载能力。
减少振动
运行空气轴承主轴时，仅产生最低水平的振动和可闻噪声。
由于获得了高平衡标准和无机械接触，空气轴承主轴应产生最高水平的振动和可闻噪声。
典型天平标准：G0.4 或更高版本。
典型振动水平：<0.2 mm/sec（低速主轴）。 <1.0 mm/sec（高速主轴）。
典型噪音水平：70 至 80 dBa。
图 10 – 径向振动与速度的关系图。
清洁
空气是唯一使用的润滑剂; 因此，空气轴承技术是不能污染工件或工作环境的理想选择。
由于消除了工作环境中的油脂、油和油雾，因此在使用空气轴承主轴时，条件保持更清洁。空气轴承对环境没有不利影响，因此非常适合用于洁净室或汽车旋转雾化器喷涂应用。
主轴可在以下标准下运行的典型洁净室标准：100 级。
参考：什么是空气轴承？