淺談水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承技術(shù)

1、<p>　　淺談水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承技術(shù)</p><p><b>　　劉文龍</b></p><p>　　天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)2011級(jí)碩士生</p><p>　　摘要：隨著精密與超精密加工技術(shù)的快速發(fā)展，精密高速電主軸技術(shù)也隨之普及，作為電主軸技術(shù)研究的重要分支，水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承已經(jīng)成為精密加工領(lǐng)域一大前沿研究課題。本文綜述

2、了相比于普通滑動(dòng)軸承電主軸，以水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承為支承的高速電主軸存在的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，介紹了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該技術(shù)的研究狀況，最后分析探討了幾種水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承發(fā)展的相關(guān)技術(shù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電主軸 水潤(rùn)滑 陶瓷材料</p><p><b>　　0 前言</b></p><p>　　作為機(jī)械制造中的尖端技術(shù)之一，精密與超精密加工

3、技術(shù)由于涉及多種基礎(chǔ)學(xué)科與新興技術(shù)，已經(jīng)成為發(fā)展其他高新技術(shù)的關(guān)鍵，也是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志[1]。而高速精密電主軸技術(shù)作為精密與超精密加工技術(shù)的重要支撐，自然也隨之快速發(fā)展。近年來(lái)，液浮滑動(dòng)軸承電主軸由于其擁有較高的回轉(zhuǎn)精度并能夠很大程度的提高刀具的使用壽命以及工件的加工精度和表面粗糙度而在制造業(yè)企業(yè)中備受親睞[2]。但是，普通液浮滑動(dòng)軸承往往會(huì)遇到潤(rùn)滑油膜溫升過(guò)高以及金屬摩擦副導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)大等原因造成的機(jī)床熱穩(wěn)定

4、性變差，繼而影響了實(shí)際加工精度，很難繼續(xù)適應(yīng)高精密技術(shù)的快速發(fā)展。而從來(lái)理論上講，水在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)熱量小，且本身所固有的清潔性和阻燃性能夠滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)工程技術(shù)的安全性、環(huán)境友好性要求；此外，陶瓷材料具有耐磨損的特點(diǎn)，可以適應(yīng)水潤(rùn)滑情況下易發(fā)生的邊界摩擦和干摩擦現(xiàn)象，并且陶瓷還具有耐化學(xué)腐蝕、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)良特性，這樣，水潤(rùn)滑加上陶瓷材料摩擦副就可以解決普通液浮滑動(dòng)軸承存在的技術(shù)難題。由此，水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承已經(jīng)逐漸成為當(dāng)今精密加

5、工行業(yè)的一大前沿研究課題。</p><p>　　1 水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承電主軸的特點(diǎn)</p><p>　　該類(lèi)電主軸以陶瓷滑動(dòng)軸承為支承，其結(jié)構(gòu)上與一般滑動(dòng)軸承電主軸類(lèi)似，見(jiàn)圖1，但是由于其軸承潤(rùn)滑液以及摩擦副的特殊性，在很多方面提高了主軸的整體性能。</p><p>　　首先，該類(lèi)電主軸以水（或低粘度水基液體）作為潤(rùn)滑劑，通過(guò)比較水與L-FD-22軸承油，見(jiàn)表1，

6、可以發(fā)現(xiàn)，水與普通礦物潤(rùn)滑油的最大不同在于粘度以及比熱[3]?？梢钥闯觯恼扯冗h(yuǎn)小于普通礦物油，這就造成了水潤(rùn)滑的油膜剛度以及承載能力均小于相同狀態(tài)下油潤(rùn)滑軸承，而且容易產(chǎn)生摩擦副直接接觸引起的干摩擦現(xiàn)象，這就需要軸承材料具有較高的耐磨性；但是，水由于其低粘度會(huì)明顯降低摩擦功耗，進(jìn)而降低軸承溫升，可以提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。同時(shí)，水的比熱明顯高于礦物油，這樣在相同摩擦功耗即產(chǎn)生相同熱量情況下溫升更小，因此當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，該類(lèi)主軸的熱穩(wěn)定

7、性更加突出。</p><p>　　圖1 普通電主軸結(jié)構(gòu)</p><p>　　水本身具有清潔性與阻燃性，是天然的降溫滅火劑，在21世紀(jì)社會(huì)各界對(duì)環(huán)境以及安全問(wèn)題日益關(guān)注的情況下，這種特性正好契合了現(xiàn)代社會(huì)對(duì)工程技術(shù)領(lǐng)域的安全以及環(huán)保方面的要求</p><p>　　表1 水與潤(rùn)滑油性能指標(biāo)比較</p><p>　　另一方面，迄今水潤(rùn)滑軸承曾研

8、究采用的材料主要有木材、金屬、塑料、橡膠以及工程陶瓷材料等。其中，由于工程陶瓷材料擁有耐磨性好的特性，使得其在低粘度潤(rùn)滑劑狀態(tài)下作為摩擦副成為可能[4]；另外，陶瓷材料一般還具有自潤(rùn)滑功能、耐高溫、高硬度、高強(qiáng)度、摩擦系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，使用陶瓷材料作為摩擦副也可以相應(yīng)的提高主軸整體性能，近年來(lái)已經(jīng)逐漸開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，</p><p>　　2 研究與發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>

9、;　　2.1 相關(guān)陶瓷材料的研究</p><p>　　常用的工程陶瓷材料主要有氧化物類(lèi)A12O3、ZrO2與非氧化物類(lèi)SiC、Si3N4，其在干摩擦及水潤(rùn)滑條件下的摩擦磨損機(jī)理不盡相同。當(dāng)干摩擦發(fā)生時(shí)，陶瓷摩擦副的摩擦性能較為關(guān)鍵；當(dāng)軸承中水膜完整時(shí)，陶瓷摩擦副的流體摩擦作用會(huì)很明顯[3]，而由于在水潤(rùn)滑的條件下，潤(rùn)滑液膜厚度相對(duì)較小，容易產(chǎn)生干摩擦，所以?xún)煞N狀態(tài)均需要考慮。</p><p&

10、gt;　　在干摩擦狀態(tài)下，通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)氧化物陶瓷A12O3、ZrO2容易產(chǎn)生脆性斷裂及磨粒磨損，而非氧化物陶瓷SiC、Si3N4的磨損行為主要為微裂紋、塑性變形、犁耕及黏著等，但Si3N4容易發(fā)生摩擦層遷移現(xiàn)象，而SiC在摩擦過(guò)程中的副產(chǎn)物SiO2具有一定的潤(rùn)滑作用，可以減少磨損量并降低摩擦系數(shù)，所以單從干摩擦狀態(tài)來(lái)看，SiC更適宜作為摩擦副材料</p><p>　　在流體摩擦作用下，氧化物陶瓷有著明顯的流體

11、潤(rùn)滑作用，其中A12O3在過(guò)程中產(chǎn)生的Al(OH)3更有助于提高其耐磨性，而非氧化物陶瓷SiC、Si3N4不但有流體潤(rùn)滑作用，還會(huì)產(chǎn)生比較明顯的水合反應(yīng)[5]，形成膠狀的SiO2附著在摩擦副表面，有拋光表面的效果，可以明顯改善表面磨損情況。不過(guò)，SiC和Si3N4兩種材料孰優(yōu)孰劣，不同研究人員在不同工況條件下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有反映出哪一種材料性能更優(yōu)越，大體上看，Si3N4達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的跑和時(shí)間更短，而SiC更適合于長(zhǎng)期運(yùn)行或頻繁起停

12、車(chē)的工況，因此需要具體情況具體實(shí)驗(yàn)分析才可以確定最后的選擇。</p><p>　　2.2 主軸試驗(yàn)研究</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)的專(zhuān)家學(xué)者以及相關(guān)企業(yè)外對(duì)于水潤(rùn)滑軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況研究很多，例如主軸承載性能、加工精度，軸承內(nèi)摩擦化學(xué)行為等等，不過(guò)大部分研究主要是進(jìn)行測(cè)試工作以驗(yàn)證水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承主軸能夠達(dá)到試驗(yàn)既定的或企業(yè)需要的目標(biāo)，例如張國(guó)淵[6]等對(duì)水潤(rùn)滑渦輪泵動(dòng)靜壓軸承進(jìn)行的試驗(yàn)

13、研究表明，水潤(rùn)滑軸承可以穩(wěn)定的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，并且沒(méi)有發(fā)生明顯的汽化和汽蝕出現(xiàn)。另一方面，目前對(duì)于水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)優(yōu)化試驗(yàn)研究并不多見(jiàn)，其中STEVEN[7]采用的新型反饋節(jié)流技術(shù)、孫文麗[8]等選擇潤(rùn)滑劑時(shí)突破純水及水基潤(rùn)滑液而采用海水這種多種鹽類(lèi)的平衡溶液以及林彬[9]等設(shè)計(jì)的“金屬——陶瓷”全包容結(jié)構(gòu)等都對(duì)水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承的進(jìn)一步優(yōu)化與應(yīng)用起到了重要作用</p><p>　　2.3 水潤(rùn)滑陶瓷軸承的應(yīng)

14、用</p><p>　　目前，由于水潤(rùn)滑陶瓷軸承無(wú)論在潤(rùn)滑液還是在陶瓷材料摩擦副的摩擦化學(xué)反應(yīng)等方面仍然處在研究與優(yōu)化階段，國(guó)內(nèi)還未出現(xiàn)以水潤(rùn)滑軸承為支承的機(jī)床主軸單元，但國(guó)外已開(kāi)始試驗(yàn)性工程應(yīng)用。例如瑞士IBAG 公司和Nintertheur Technical University 合作開(kāi)發(fā)的HF170 HA-40HKV 型以水潤(rùn)滑靜壓軸承為支承的機(jī)床電主軸，其改進(jìn)型迷宮和空氣密封系統(tǒng)能有效防止水從軸承中泄露

15、，轉(zhuǎn)速高達(dá)40kr/min，功率達(dá)37kW，F(xiàn)ISCHER公司生產(chǎn)的Hrdro-F電主軸采用水潤(rùn)滑靜壓軸承，轉(zhuǎn)速達(dá)36 kr/min，功率達(dá)67kW。國(guó)外企業(yè)的成功案例反映了水潤(rùn)滑陶瓷主軸進(jìn)駐企業(yè)、推進(jìn)實(shí)踐的可能性，而這反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了研究人員的相關(guān)研究，以期解決加工制造精度較高不易實(shí)現(xiàn)等技術(shù)問(wèn)題。</p><p>　　3 水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承發(fā)展相關(guān)技術(shù)</p><p>　　3.1 動(dòng)靜

16、壓技術(shù)</p><p>　　普通液體滑動(dòng)軸承電主軸主要有靜壓軸承、動(dòng)壓軸承與動(dòng)靜壓軸承三種，其明顯區(qū)別在于軸承油腔深度的數(shù)量級(jí)不同，其中動(dòng)靜壓軸承是在另外兩種軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，此類(lèi)軸承在高速時(shí)以動(dòng)壓為主，在低速（起、停車(chē)階段）時(shí)以靜壓為主。它利用靜壓軸承的節(jié)流原理，使壓力油腔中產(chǎn)生足夠大的靜壓軸承載力，從而克服了液體動(dòng)壓軸承啟動(dòng)和停止時(shí)出現(xiàn)的干摩擦造成主軸與軸承磨損現(xiàn)象，提高了主軸和軸承的使用壽命及精度保持

17、性，同時(shí)又利用主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)壓效應(yīng)減小供液耗能。因此，只要合理設(shè)計(jì)油腔參數(shù)并利用精密加工手段就可以發(fā)揮動(dòng)靜壓軸承承載特性?xún)?yōu)于另外兩種軸承的特點(diǎn)，進(jìn)而彌補(bǔ)優(yōu)于潤(rùn)滑液粘度較低對(duì)其性能的影響。</p><p>　　3.2 理論與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　目前大部分滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)采用依據(jù)具體工況要求建立適宜雷諾方程的方法。但由于一般雷諾方程適用于層流狀態(tài)，而水的粘度較小，容易產(chǎn)生紊流狀態(tài)

18、，為此應(yīng)該用廣義雷諾方程進(jìn)行求解[10]；與此同時(shí)，考慮到設(shè)計(jì)電主軸應(yīng)用于精密與超精密加工，所以對(duì)溫度、壓力等影響不能忽略，潤(rùn)滑液膜的溫度以及壓力過(guò)大會(huì)造成摩擦副表面變形，而潤(rùn)滑液膜的厚度會(huì)影響摩擦副的表面粗糙度。近幾年TEHD (熱彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑分析)模型由于其更接近實(shí)際情況而逐漸被接受，該模型應(yīng)用在水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承計(jì)算中時(shí)，要同時(shí)考慮到陶瓷軸承瓦體的熱變性及彈性變形，具體就是在解雷諾方程時(shí)要綜合黏度一溫度關(guān)系、密度一溫度關(guān)系、能

19、量平衡方程、連續(xù)性方程等。此外，軸承的結(jié)構(gòu)對(duì)軸承以至于主軸的性能都有很大的影響，為此在這方面很多研究人員都進(jìn)行了嘗試與試驗(yàn)，例如上文中提到的全包容結(jié)構(gòu)即取得了試驗(yàn)成功，在保證剛性的同時(shí)使軸承承載能力達(dá)到了3噸以上。</p><p>　　3.3 潤(rùn)滑相關(guān)技術(shù)</p><p>　　由于水不具有防銹性，在實(shí)際研究過(guò)程中，一般在水中加入水基防銹添加劑，形成新的低粘度水基潤(rùn)滑劑，一般添加劑要保證工

20、況下有足夠的溶解度，防止析出造成摩擦表面損傷；另外，考慮到低粘度時(shí)潤(rùn)滑液膜厚度較小，產(chǎn)生機(jī)械摩擦的幾率較大，所以設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮主動(dòng)設(shè)計(jì)構(gòu)造幾何形狀并進(jìn)行理論認(rèn)證后加工制造。</p><p>　　3.4 制造與試驗(yàn)</p><p>　　因?yàn)樘沾刹牧蠈儆谟泊嘈圆牧希庸るy度較大，而滑動(dòng)軸承（尤其是動(dòng)靜壓軸承）對(duì)軸瓦、軸套以及油腔的尺寸精度要求很高，因此精密加工一直是制約水潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承發(fā)展的重

21、要方面，雖然隨著精密超精密加工刀具以及相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展，但仍需要進(jìn)一步找出足夠精密并且適宜工廠化的加工方法。</p><p>　　試驗(yàn)技術(shù)是伴隨主軸設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的不可缺少的技術(shù)，雖然普通滑動(dòng)軸承試驗(yàn)技術(shù)大體上已經(jīng)趨于成熟，但是由于水潤(rùn)滑陶瓷主軸的特殊性，在普通試驗(yàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)該注意對(duì)水溫以及壓力等看似普通的環(huán)境因素加以監(jiān)控，同時(shí)也應(yīng)該對(duì)所用陶瓷材料的各性能進(jìn)行提前試驗(yàn)檢測(cè)，確保其達(dá)到加工制造指標(biāo)。</p>

22、;<p><b>　　4 總結(jié)與展望</b></p><p>　　綜合前文可以看出，由于其多方面的優(yōu)勢(shì)，水潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承在未來(lái)精密高速電主軸中被廣泛采用</p><p>　　是存在很大可能性的，為此也受到了廣泛關(guān)注。雖然目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐，但是相信隨著在國(guó)外取得的重大進(jìn)展會(huì)讓人們投入更多的精力對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究試驗(yàn)，期待著水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承能夠

23、突破在理論設(shè)計(jì)以及加工制造等方面的限制，并與相關(guān)主軸制造企業(yè)通力合作，早日實(shí)現(xiàn)其實(shí)踐化、市場(chǎng)化與產(chǎn)業(yè)化。</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)</p><p>　　[1] 張世昌．先進(jìn)制造技術(shù)[M]．天津：天津大學(xué)出版社.2003.</p><p>　　[2] 袁哲俊，王先逵．精密與超精密加工技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2007．</p>&

24、lt;p>　　[3] 王蘊(yùn)，劉峰．水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承研究綜述[J]．機(jī)床與液壓，2010，38(11)：123-126．</p><p>　　[4] 陸衛(wèi)娟，林彬，程血艷．水潤(rùn)滑陶瓷滑動(dòng)軸承的研究與發(fā)展[J]．軸承，2005，3：37-8．</p><p>　　[5] Andersson P,Nikkila A,Lintula P.Wear characteristics of<

25、;/p><p>　　water-lubricated SiC journal bearings intermittent motion</p><p>　　[J].Wear,1994,179(1/2):57-62.</p><p>　　[6] 張國(guó)淵，袁小陽(yáng)，苗旭生．水潤(rùn)滑高速動(dòng)靜壓軸承試驗(yàn)研究[[J]．摩擦學(xué)報(bào)，水潤(rùn)滑高速動(dòng)靜壓軸，2006，26(3)：238-241

26、．</p><p>　　[7] STEVEN A. Building a better bearing[J]. Mechanical Engineering, 1996, 118(5): 56-60.</p><p>　　[8] 孫文麗，王優(yōu)強(qiáng)，時(shí)高偉．海水潤(rùn)滑賽龍?zhí)沾奢S承的摩擦學(xué)性能研究[J]．潤(rùn)滑與密封，2010，35(4)：65-67．</p><p>　　[

27、9] Lin, B., Li, D., Research on water lubricated ceramic sliding bearings[J], Proceedings of the China Association for Science and Technology, Wulumuqi, China, 2006, 2(1): 221-225.</p><p>　　[10] Liu F,Lin B,

28、Zhang X F.Numerical design method for water lubricated hybrid sliding bearings[J].Int.J.Precision.Eng. Manufact.,2008,9(1):47-50.</p><p>　　———————————————</p><p>　　作者簡(jiǎn)介：劉文龍，男，1988年出生，碩士研究生，</