本报告旨在介绍一篇由国防科技大学的研究团队在《航空精密制造技术》期刊（2011年10月，第47卷第5期）上发表的一项原创性实验研究。该研究由田富竟、尹自强、王建敏、彭永华共同完成，并获得国家自然科学基金及国家科技重大专项的资助。论文标题为《多孔质节流空气静压轴承静态性能实验研究》，聚焦于空气静压轴承这一精密工程领域的关键部件，特别是针对采用不锈钢多孔质材料作为节流器的新型轴承设计，通过系统的实验方法，对其静态承载能力与刚度性能进行了深入评估。

本研究的学术背景源于航空航天、超精密加工、半导体制造等尖端技术领域对设备运动精度、稳定性及寿命日益严苛的要求。空气轴承，尤其是空气静压轴承，因其摩擦损耗小、发热变形小、无磨损、寿命长、无污染等独特优点，成为这些领域精密运动平台的核心支撑部件。其中，节流器的形式（如小孔节流、表面复合节流、多孔质节流等）直接决定了轴承的性能。多孔质节流器利用整个轴承表面均匀分布的微孔实现气体节流，理论上能提供更高的承载能力和更优的阻尼特性，但其性能受材料孔隙特性及加工工艺影响显著，需要通过实验进行验证和优化。本研究正是基于此背景展开，其核心目标在于：探索采用商品化不锈钢多孔质材料制造空气静压轴承的可行性，并通过实验比较不同孔径的多孔质材料以及与传统表面复合节流方式在静态性能上的差异，旨在为开发高性能、高刚度的空气静压轴承提供新的技术途径和实验依据。

本研究的工作流程严谨而系统，主要包含四大步骤：轴承的设计与制造、多孔质材料渗透系数的测量、轴承静态性能的实验测试、以及对实验数据的分析与比较。

第一步，轴承的制造与样品准备。研究团队选用了三种不同平均孔径（7μm、25μm、35μm）的商品化不锈钢多孔质材料，该材料由粉末烧结而成，具有较好的切削性能。轴承被设计为直径φ40mm、厚度10mm的圆板形止推轴承。为确保形成均匀的气膜间隙，对多孔质材料工作表面的平面度要求极高。为此，研究在超精密车床上使用立方氮化硼（CBN）刀具进行超精密车削加工。加工工艺参数经过精心设计：主轴转速500r/min，进给速度10μm/min，总切削深度0.5mm并分多次切削完成，以避免微孔被切削碎屑严重堵塞。加工后，工作面的平面度被控制在亚微米量级。通过显微图像对比加工前后表面形貌发现，所有材料表面均出现了一定程度的堵塞现象，且孔径越小堵塞越严重（表面可见孔密度降低）。此外，为进行对比，研究团队还专门制作了一个结构参数已知（如均压槽尺寸、节流孔布局等）的小孔与沟槽表面复合节流空气静压轴承作为参照样本。

第二步，材料渗透系数的测量。渗透系数是表征多孔质材料允许气体通过能力的关键物理参数，直接影响轴承性能。研究团队搭建了专门的测量装置，核心部件包括气源、调压阀、压力表和一个高精度的玻璃转子流量计。在恒定环境参数下，对平均孔径为35μm（因7μm和25μm样品加工后堵塞严重，现有流量计灵敏度不足）的加工后多孔质材料进行测量。通过改变供气压力（如表2所示数据），测量流经材料的气体体积流量，并利用基于达西定律的公式进行计算。最终测得该多孔质材料在加工状态下的粘性渗透系数为φ = 4.91 × 10⁻¹⁴ m²，该数值满足空气静压轴承对节流器渗透系数的基本要求（通常小于10⁻¹² m²），证明了所选材料用于轴承制造的可行性。

第三步，轴承静态性能实验测试。这是本研究的核心实验环节。团队自行设计了静态性能测试实验台，该装置能够精确模拟轴承工作状态并测量其性能参数。装置主要由气源系统、待测轴承节流器、加载系统（采用气缸施加负载）、测量系统三大部分构成。测量系统包括一个高精度电感位移传感器（分辨率0.1μm），用于实时测量轴承板在负载下的位移（即气膜厚度h的变化）；以及一个压力传感器（分辨率1kg），用于测量气缸施加的载荷（即轴承承载力W）。实验时，固定供气压力，通过气缸改变加载力，同时记录对应的位移变化。通过在不同初始气膜间隙下重复加载-测量过程，可以获得一系列（载荷W，位移h）数据对，进而绘制出承载力-气膜间隙曲线。静态刚度K则定义为承载力对气膜间隙的导数（K = -dW/dh），可通过实验曲线的斜率计算得出。该实验方法直接、可靠，是评估轴承静态特性的标准方法。

第四步，数据分析和性能比较。基于实验测得的原始数据，研究团队计算并绘制了三种不同孔径（7μm， 25μm， 35μm）的多孔质空气静压轴承以及表面复合节流轴承的承载力-间隙曲线和静态刚度-间隙曲线（如图9所示）。数据分析过程聚焦于曲线走势和不同样本间的横向对比。通过观察图表和数据，揭示了以下核心关系：首先，对于所有轴承，承载能力均随气膜间隙的减小而单调增加，这是空气静压轴承的典型特性。其次，刚度也随间隙减小而增大，并在小间隙处达到峰值。最后，也是最重要的对比发现：平均孔径为35μm的多孔质轴承，其承载力和静态刚度在整个测试间隙范围内，均显著优于作为对照的表面复合节流轴承；而平均孔径为7μm和25μm的多孔质轴承，由于加工后堵塞严重，透气性差，其性能则远逊于前两者。

本研究所得到的主要结果清晰且具有说服力。首先，在材料特性方面，成功测量了加工后不锈钢多孔质材料（35μm孔径）的渗透系数，证实了其在合理范围内，为后续性能分析提供了关键输入参数。其次，在静态性能方面，实验数据直接显示：1） 孔径为35μm的多孔质轴承表现最佳，在气膜间隙为7μm时，其静态刚度高达56 N/μm。作者将此数据与国外知名厂商Newway同尺寸气浮块（供气压力0.41 MPa下刚度28 N/μm）的公开数据对比，凸显了本方案所达到的高性能水平。2） 性能排序为：35μm多孔质轴承 > 表面复合节流轴承 > 25μm及7μm多孔质轴承。这一排序结果直观地证明了，并非所有多孔质材料都天然优于传统节流方式，材料孔径选择和加工工艺至关重要。孔径过小或加工不当导致的严重堵塞会极大劣化性能。这些结果逻辑紧密：材料的选择与加工决定了其渗透性（第二步结果），渗透性直接影响了气体在轴承间隙中的形成与分布，最终表现为承载力和刚度的差异（第三步结果）。实验结果有力地支撑了关于“材料与工艺选择重要性”的论点，并自然导向了最终的研究结论。

基于上述工作流程和实验结果，本研究得出了明确的结论。首先，在工程实践上，证实了选用商品化的不锈钢多孔质材料，并辅以高精度机床和合理的超精密切削工艺（如低速小切深多次切削），是制造高刚度空气静压轴承的一条可行且有效的新途径。其次，在性能指标上，明确了当使用平均孔径35μm、渗透系数为4.91×10⁻¹⁴ m²、尺寸为φ40mm×10mm的不锈钢多孔质节流器，并在7μm气膜间隙下工作时，轴承静态刚度可达56 N/μm的高水平。最后，在技术对比上，指出与结构相对复杂的小孔与沟槽表面复合节流方式相比，性能优化的多孔质空气静压轴承不仅结构简单、制造方便，而且在承载能力与静态刚度上更具优势。

本研究的价值体现在多个层面。在科学价值方面，它通过系统的实验揭示了多孔质材料孔径及加工后表面状态（堵塞程度）对其作为空气静压轴承节流器性能的关键影响，为多孔质节流理论的工程应用提供了重要的实证数据补充。在应用价值方面，研究为精密机床、测量设备、光学加工等领域（如文中提到的快轴伺服装置、眼镜片车床）的设计者提供了一种具体的、经过验证的高性能轴承制造方案，有助于提升相关装备的精度与稳定性。该研究也带来了重要的实践观点：在采用多孔质材料时，不能忽视加工工艺带来的“性能过滤”效应，必须通过工艺优化来平衡高平面度与保持透气性的矛盾。

本研究的亮点突出。首先，在研究发现上，明确指出了“并非多孔质材料必然优于传统节流形式”，并给出了“35μm孔径不锈钢材料经特定工艺加工后性能最优”的具体结论，这对工程选材具有直接指导意义。其次，在研究方法上，研究流程完整，从材料准备、参数测量、性能测试到对比分析，环环相扣，特别是自行搭建测试平台并进行了详实的对比实验，体现了严谨的实证研究精神。最后，在研究目标上，聚焦于将商品化材料转化为高性能部件，具有很强的工程实用导向，其研究成果易于向产业界转移。

此外，论文中还包含其他有价值的内容。例如，在引言部分详细综述了空气轴承的优点、应用领域以及快刀伺服（FTS）、慢刀伺服（STS）和快轴伺服（FAS）等精密加工技术背景，为研究铺垫了广阔的应用场景。在理论部分简要介绍了多孔质轴承的一维和三维流动模型及控制方程，虽然本研究以实验为主，但显示了扎实的理论基础。这些内容共同构成了一篇既注重实践验证，又不失理论深度和行业视野的完整学术研究报告。