淺談水潤滑陶瓷滑動軸承技術(shù)

1、<p>　　淺談水潤滑陶瓷滑動軸承技術(shù)</p><p><b>　　劉文龍</b></p><p>　　天津大學機械學院機械工程專業(yè)2011級碩士生</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，水潤滑陶瓷滑動軸承已經(jīng)成為精密加工領(lǐng)域一大前沿研究課題。本文綜述

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

3、技術(shù)由于涉及多種基礎學科與新興技術(shù)，已經(jīng)成為發(fā)展其他高新技術(shù)的關(guān)鍵，也是衡量一個國家制造業(yè)水平的重要標志[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，液浮滑動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，普通液浮滑動軸承往往會遇到潤滑油膜溫升過高以及金屬摩擦副導熱率高、熱膨脹系數(shù)大等原因造成的機床熱穩(wěn)定

4、性變差，繼而影響了實際加工精度，很難繼續(xù)適應高精密技術(shù)的快速發(fā)展。而從來理論上講，水在軸承高速旋轉(zhuǎn)時發(fā)熱量小，且本身所固有的清潔性和阻燃性能夠滿足現(xiàn)代社會對工程技術(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，可以適應水潤滑情況下易發(fā)生的邊界摩擦和干摩擦現(xiàn)象，并且陶瓷還具有耐化學腐蝕、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)良特性，這樣，水潤滑加上陶瓷材料摩擦副就可以解決普通液浮滑動軸承存在的技術(shù)難題。由此，水潤滑陶瓷滑動軸承已經(jīng)逐漸成為當今精密加

5、工行業(yè)的一大前沿研究課題。</p><p>　　1 水潤滑陶瓷滑動軸承電主軸的特點</p><p>　　該類電主軸以陶瓷滑動軸承為支承，其結(jié)構(gòu)上與一般滑動軸承電主軸類似，見圖1，但是由于其軸承潤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，該類電主軸以水（或低粘度水基液體）作為潤滑劑，通過比較水與L-FD-22軸承油，見表1，

6、可以發(fā)現(xiàn)，水與普通礦物潤滑油的最大不同在于粘度以及比熱[3]?？梢钥闯?，水的粘度遠小于普通礦物油，這就造成了水潤滑的油膜剛度以及承載能力均小于相同狀態(tài)下油潤滑軸承，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，水由于其低粘度會明顯降低摩擦功耗，進而降低軸承溫升，可以提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。同時，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，因此當主軸高速旋轉(zhuǎn)時，該類主軸的熱穩(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世紀社會各界對環(huán)境以及安全問題日益關(guān)注的情況下，這種特性正好契合了現(xiàn)代社會對工程技術(shù)領(lǐng)域的安全以及環(huán)保方面的要求</p><p>　　表1 水與潤滑油性能指標比較</p><p>　　另一方面，迄今水潤滑軸承曾研

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滑功能、耐高溫、高硬度、高強度、摩擦系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，使用陶瓷材料作為摩擦副也可以相應的提高主軸整體性能，近年來已經(jīng)逐漸開始應用于工業(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A12O3、ZrO2與非氧化物類SiC、Si3N4，其在干摩擦及水潤滑條件下的摩擦磨損機理不盡相同。當干摩擦發(fā)生時，陶瓷摩擦副的摩擦性能較為關(guān)鍵；當軸承中水膜完整時，陶瓷摩擦副的流體摩擦作用會很明顯[3]，而由于在水潤滑的條件下，潤滑液膜厚度相對較小，容易產(chǎn)生干摩擦，所以兩種狀態(tài)均需要考慮。</p><p&

10、gt;　　在干摩擦狀態(tài)下，通過試驗可以發(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在摩擦過程中的副產(chǎn)物SiO2具有一定的潤滑作用，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、潤滑作用，其中A12O3在過程中產(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不但有流體潤滑作用，還會產(chǎn)生比較明顯的水合反應[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，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行的實驗并沒有反映出哪一種材料性能更優(yōu)越，大體上看，Si3N4達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的跑和時間更短，而SiC更適合于長期運行或頻繁起停

12、車的工況，因此需要具體情況具體實驗分析才可以確定最后的選擇。</p><p>　　2.2 主軸試驗研究</p><p>　　目前國內(nèi)的專家學者以及相關(guān)企業(yè)外對于水潤滑軸承的運轉(zhuǎn)狀況研究很多，例如主軸承載性能、加工精度，軸承內(nèi)摩擦化學行為等等，不過大部分研究主要是進行測試工作以驗證水潤滑陶瓷滑動軸承主軸能夠達到試驗既定的或企業(yè)需要的目標，例如張國淵[6]等對水潤滑渦輪泵動靜壓軸承進行的試驗

13、研究表明，水潤滑軸承可以穩(wěn)定的高速運轉(zhuǎn)，并且沒有發(fā)生明顯的汽化和汽蝕出現(xiàn)。另一方面，目前對于水潤滑陶瓷滑動軸承的設計優(yōu)化試驗研究并不多見，其中STEVEN[7]采用的新型反饋節(jié)流技術(shù)、孫文麗[8]等選擇潤滑劑時突破純水及水基潤滑液而采用海水這種多種鹽類的平衡溶液以及林彬[9]等設計的“金屬——陶瓷”全包容結(jié)構(gòu)等都對水潤滑陶瓷滑動軸承的進一步優(yōu)化與應用起到了重要作用</p><p>　　2.3 水潤滑陶瓷軸承的應

14、用</p><p>　　目前，由于水潤滑陶瓷軸承無論在潤滑液還是在陶瓷材料摩擦副的摩擦化學反應等方面仍然處在研究與優(yōu)化階段，國內(nèi)還未出現(xiàn)以水潤滑軸承為支承的機床主軸單元，但國外已開始試驗性工程應用。例如瑞士IBAG 公司和Nintertheur Technical University 合作開發(fā)的HF170 HA-40HKV 型以水潤滑靜壓軸承為支承的機床電主軸，其改進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40kr/min，功率達37kW，F(xiàn)ISCHER公司生產(chǎn)的Hrdro-F電主軸采用水潤滑靜壓軸承，轉(zhuǎn)速達36 kr/min，功率達67kW。國外企業(yè)的成功案例反映了水潤滑陶瓷主軸進駐企業(yè)、推進實踐的可能性，而這反過來又促進了研究人員的相關(guān)研究，以期解決加工制造精度較高不易實現(xiàn)等技術(shù)問題。</p><p>　　3 水潤滑陶瓷滑動軸承發(fā)展相關(guān)技術(shù)</p><p>　　3.1 動靜

16、壓技術(shù)</p><p>　　普通液體滑動軸承電主軸主要有靜壓軸承、動壓軸承與動靜壓軸承三種，其明顯區(qū)別在于軸承油腔深度的數(shù)量級不同，其中動靜壓軸承是在另外兩種軸承的基礎上發(fā)展起來的，此類軸承在高速時以動壓為主，在低速（起、停車階段）時以靜壓為主。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，從而克服了液體動壓軸承啟動和停止時出現(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，同時又利用主軸高速旋轉(zhuǎn)時的動壓效應減小供液耗能。因此，只要合理設計油腔參數(shù)并利用精密加工手段就可以發(fā)揮動靜壓軸承承載特性優(yōu)于另外兩種軸承的特點，進而彌補優(yōu)于潤滑液粘度較低對其性能的影響。</p><p>　　3.2 理論與結(jié)構(gòu)設計</p><p>　　目前大部分滑動軸承的設計采用依據(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、，為此應該用廣義雷諾方程進行求解[10]；與此同時，考慮到設計電主軸應用于精密與超精密加工，所以對溫度、壓力等影響不能忽略，潤滑液膜的溫度以及壓力過大會造成摩擦副表面變形，而潤滑液膜的厚度會影響摩擦副的表面粗糙度。近幾年TEHD (熱彈性流體動力潤滑分析)模型由于其更接近實際情況而逐漸被接受，該模型應用在水潤滑陶瓷滑動軸承計算中時，要同時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行了嘗試與試驗，例如上文中提到的全包容結(jié)構(gòu)即取得了試驗成功，在保證剛性的同時使軸承承載能力達到了3噸以上。</p><p>　　3.3 潤滑相關(guān)技術(shù)</p><p>　　由于水不具有防銹性，在實際研究過程中，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，考慮到低粘度時潤滑液膜厚度較小，產(chǎn)生機械摩擦的幾率較大，所以設計時可以考慮主動設計構(gòu)造幾何形狀并進行理論認證后加工制造。</p><p>　　3.4 制造與試驗</p><p>　　因為陶瓷材料屬于硬脆性材料，加工難度較大，而滑動軸承（尤其是動靜壓軸承）對軸瓦、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滑滑動軸承發(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，但仍需要進一步找出足夠精密并且適宜工廠化的加工方法。</p><p>　　試驗技術(shù)是伴隨主軸設計技術(shù)發(fā)展的不可缺少的技術(shù)，雖然普通滑動軸承試驗技術(shù)大體上已經(jīng)趨于成熟，但是由于水潤滑陶瓷主軸的特殊性，在普通試驗的基礎上應該注意對水溫以及壓力等看似普通的環(huán)境因素加以監(jiān)控，同時也應該對所用陶瓷材料的各性能進行提前試驗檢測，確保其達到加工制造指標。</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，水潤滑滑動軸承在未來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。雖然目前在國內(nèi)還沒有進行生產(chǎn)實踐，但是相信隨著在國外取得的重大進展會讓人們投入更多的精力對相關(guān)技術(shù)進行研究試驗，期待著水潤滑陶瓷滑動軸承能夠

23、突破在理論設計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，早日實現(xiàn)其實踐化、市場化與產(chǎn)業(yè)化。</p><p>　　參 考 文 獻</p><p>　　[1] 張世昌．先進制造技術(shù)[M]．天津：天津大學出版社.2003.</p><p>　　[2] 袁哲俊，王先逵．精密與超精密加工技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社．2007．</p>&

24、lt;p>　　[3] 王蘊，劉峰．水潤滑陶瓷滑動軸承研究綜述[J]．機床與液壓，2010，38(11)：123-126．</p><p>　　[4] 陸衛(wèi)娟，林彬，程血艷．水潤滑陶瓷滑動軸承的研究與發(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] 張國淵，袁小陽，苗旭生．水潤滑高速動靜壓軸承試驗研究[[J]．摩擦學報，水潤滑高速動靜壓軸，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，時高偉．海水潤滑賽龍?zhí)沾奢S承的摩擦學性能研究[J]．潤滑與密封，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>　　作者簡介：劉文龍，男，1988年出生，碩士研究生，</