Les roulements à air sont un type de roulement lisse qui utilise l'air comme fluide lubrifiant. Actuellement, ils jouent un rôle important dans des secteurs tels que les énergies nouvelles, les semi-conducteurs, l’aérospatiale et les équipements médicaux.
Du point de vue de leur principe de fonctionnement, les micro-orifices (micro-trous) sont le composant central de l'ensemble du produit. En effet, ces micro-orifices permettent au gaz à haute-pression de passer à travers et de générer un film d'air, permettant finalement d'obtenir un support sans-contact.
Cet article décrit principalement les principes de fonctionnement des paliers à air, les scénarios d'application courants, les exigences relatives à l'usinage des micro-orifices et une exploration des processus d'usinage. L'objectif est d'aider les lecteurs à mieux comprendre les avantages significatifs des lasers femtoseconde dans l'usinage des micro-orifices des coussinets d'air et d'évaluer la faisabilité d'une production de masse.
1|Principe de fonctionnement des roulements à air
En tant que composant de support de haute-précision, le fonctionnement d'un coussin d'air implique principalement trois étapes clés : Alimentation en air et étranglement → Formation d'un film d'air à haute-pression → Réalisation d'une suspension sans-contact.
Plus précisément : l'air comprimé externe est forcé à l'intérieur du roulement à travers plusieurs micro-trous de précision. Ces micro-trous sont également appelés orifices d'étranglement ou restricteurs. Lorsque l'air passe à travers ces micro-trous, le chemin d'écoulement est restreint, ce qui entraîne une forte augmentation de la vitesse d'écoulement. Par conséquent, une couche de film d’air se forme à la surface.
Ce film d'air se caractérise par une pression stable et une rigidité élevée. Il sépare le roulement de la surface d'appui, empêchant ainsi le contact direct entre les matériaux solides. Cela évite l'usure et garantit une grande précision de mouvement.
2|Scénarios d'application des roulements à air
Vous pourriez être curieux : par rapport aux roulements conventionnels, les roulements à air offrent des avantages tels qu'une précision de rotation élevée, un faible frottement, une longue durée de vie, un fonctionnement stable et une large plage de températures de fonctionnement. Alors, où sont leurs principales applications ?
En fait, les domaines d’application des coussinets à air sont vastes. Les exemples incluent les machines de lithographie, les gyroscopes, les équipements de métrologie et d'inspection des semi-conducteurs, les compresseurs d'air pour les piles à combustible à hydrogène, les séparateurs centrifuges à grande vitesse-, les compresseurs pour le refroidissement des réacteurs nucléaires, les dispositifs de stockage de mémoire informatique et les machines-outils d'usinage de précision.
D'après les applications répertoriées ci-dessus, il ressort clairement que les coussinets à air sont utilisés dans des scénarios exigeant un contrôle strict de la précision et des spécifications de traitement.
Par conséquent, les micro-orifices des paliers à air, qui constituent un paramètre de conception essentiel, sont soumis à des exigences strictes, voire extrêmes, concernant leur qualité d'usinage.
3|Exigences d'usinage des micro-trous et avantages du laser femtoseconde
Les micro-trous constituent la base des coussinets d'air pour réaliser leur fonction de support et sont la clé du contrôle précis du débit et de la pression du gaz. Par conséquent, nous pouvons également comprendre les orifices d'étranglement comme des valves d'ultra-précision à l'intérieur du roulement, faisant de l'usinage et de la conception des micro-trous une partie importante de la technologie des roulements à air.
Lors de l'évaluation des exigences relatives aux micro-trous sur une pièce, nous nous concentrons généralement sur des indicateurs tels que : le diamètre du trou, la précision dimensionnelle, la qualité de la surface, la précision de position et la cohérence des micro-trous.
Plus précisément, le diamètre des orifices du papillon est généralement compris entre 0,02 mm et 0,5 mm. Différents diamètres correspondent à différentes exigences de précision ; notamment, plus le diamètre du trou est petit, plus la rigidité du palier pneumatique est élevée. Les lasers femtoseconde peuvent répondre de manière flexible aux exigences d'usinage pour différents diamètres de trous, allant d'un minimum de 0,02 mm à un maximum de 3 mm. Par conséquent, l’avantage des lasers femtoseconde réside dans le fait qu’il n’est pas nécessaire de changer de foret ; il suffit d'ajuster les paramètres d'usinage, ce qui offre une adaptabilité d'usinage beaucoup plus large.
De plus, la précision dimensionnelle et la cohérence des micro-trous sont essentielles pour garantir la stabilité et la fiabilité des coussinets à air. Si les diamètres des trous sont incohérents, la répartition du flux d'air sera inégale, entraînant des variations de l'épaisseur du film d'air et provoquant l'inclinaison de la plate-forme d'appui. Le perçage au laser femtoseconde ne concerne pas seulement la haute précision d'un seul trou ; il garantit plutôt une cohérence élevée dans des conditions de traitement identiques. Selon des études de cas sur l'usinage de micro-trous de masse avec des lasers femtoseconde, la précision et la cohérence du diamètre du trou peuvent être contrôlées à ± 1 μm près.
La précision de la position affecte la-capacité de charge des coussinets à air. Les lasers femtoseconde sont équipés de caméras CCD haute-résolution, permettant un positionnement précis. Lorsqu'ils sont associés à des platines de mouvement de haute-précision, ils atteignent finalement une précision de positionnement extrêmement élevée.
De plus, en termes de qualité de surface, les paliers à air ont des exigences extrêmement strictes en matière de rugosité des parois internes des micro-trous, exigeant généralement un Ra de 0,4 μm ou moins. En effet, toute imperfection, telle que des bavures ou des rayures au niveau de l'orifice, peut perturber le flux d'air, créer des tourbillons locaux, compromettre la stabilité du film d'air et potentiellement agir comme une source de vibrations. Les lasers femtoseconde utilisent l'ablation à froid par impulsions ultra-pour vaporiser et éliminer le matériau couche par couche. Cette méthode d'usinage évite les bavures et les couches de refonte, ce qui donne une paroi intérieure lisse.
4|Résumé
La haute précision des lasers femtoseconde garantit la qualité des orifices de restriction des paliers d'air, assurant un contrôle précis du flux d'air à travers chaque micro-trou. Parallèlement, la grande cohérence du processus d'usinage coordonne les performances collectives de tous les orifices, leur permettant de travailler de concert pour générer un film d'air uniforme et stable. Cette synergie offre en fin de compte une précision de vitesse de rotation, une capacité de charge-et une stabilité dynamique optimales.
Production en série de coussinets d'air : solution laser femtoseconde
Par conséquent, l’usinage au laser femtoseconde s’impose comme un procédé de fabrication hautement recommandé pour les orifices d’étranglement des paliers à air.