水润滑陶瓷主轴研究现状与关键技术

摘 要：介绍了水润滑陶瓷主轴的概念和特点，概述了水润滑陶瓷主轴在国内外的发展趋势和工业应用，对水润滑陶瓷主轴的关键技术和急需解决的问题从4个方面进行了评述，主要包括：1）材料摩擦学方面，需加强对低成本、高性能水基润滑添加剂、高韧性硅基陶瓷材料、长寿命陶瓷涂层的研究;2）轴承润滑建模与分析方面，需综合考虑陶瓷零件加工精度、水基润滑剂非牛顿效应、高速湍流效应、温黏效应等因素，实现精确建模与分析;3）高速主轴轴承-转子系统非线性动力学方面，需借助降阶分析理论的最新成果，实现系统非线性行为的精准预测与调控;4）表面织构在水润滑陶瓷主轴上的应用方面，需加强对表面织构和宏观结构的协同效应、表面织构的设计与优化，以及陶瓷表面织构的低成本高效加工方法的研究。

关键词：金属切削机床;水润滑;主轴;陶瓷摩擦学;转子动力学;降阶方法;表面织构

中图分类号：TG50 文献标志码：A

文章编号：1008-1542（2018）06-0477-10

高速加工技术源于1931年德国学者SALOMON提出的假设，即当切削速度超过某阈值时切削温度反而会下降。在此理论基础上，经过几十年的发展，高速加工技术因高切削效率、高加工精度、低切削力、低刀具磨损等优异特性，已成为先进制造技术领域一种不可缺少的加工方式。对于航空发动机、燃气轮机、精密模具等行业，高速加工已成为世界各大装备制造商的首选[1-2]。高速加工机床是实现高速加工的载体，而机床主轴作为核心基础部件决定了机床的性能水平。机床领域的3位权威专家ABELE，ALTINTAS和BRECHER[3]对下一代高速、高性能机床主轴提出了以下要求：1）主轴需同时具备高扭矩和高转速特性，从而胜任磨削、铣削和钻削多种工艺;2）降低主轴功耗，包括驱动、轴承和冷却等方面;3）具备加工钛合金等难加工材料的能力。

高速机床主轴常用的轴承形式包括滚动轴承、气浮轴承、液浮轴承、磁悬浮轴承等，其中液浮动静压轴承具有支撑刚度大、阻尼减震性强、回转精度高、理论寿命无限大等突出优势，尤其适用于大负载、高功率加工[3]。但是，液浮动静压主轴通常采用润滑油作为润滑介质，高速工况下润滑油受剪切作用温升严重，导致芯轴和轴瓦膨胀，轻则会引起加工精度下降，重则会导致主轴出现抱死事故。为了解决此问题，主轴领域的研究者开始探索用水作为润滑剂替代润滑油，由于水的比热容大且黏度低，因而在相同主轴转速下，水润滑主轴的温升会远低于油润滑主轴[4-5]。金属材料在水润滑下易于腐蚀，而工程陶瓷材料因具有高耐腐蚀性而受到青睐;同时，陶瓷材料兼具耐磨性好、刚性高和热膨胀系数低等特性[6]，尤其是硅基陶瓷材料，在水润滑条件下，其摩擦系数在短暂磨合后下降至0.001量级，呈现出“超滑”状态[7-10]。因此，水润滑陶瓷轴承完全契合了下一代高速、高性能机床主轴的苛刻要求，多家世界頂级研究机构已将其作为重点研发对象。

1 水润滑陶瓷主轴发展趋势

20世纪90年代，美国麻省理工学院的SLOCUM等[11]首次将水润滑陶瓷轴承应用于精密机床，但是此时的应用场合不是机床主轴而是机床导轨。当时，由于陶瓷工件磨屑的侵入，陶瓷加工机床金属导轨的使用寿命并不能满足要求。为解决此问题，麻省理工学院和CoorsTek公司合作开发了世界上首台采用水润滑陶瓷静压导轨的磨床（如图1所示），此磨床的静压导轨采用氧化铝陶瓷材料制造，以水作为润滑剂，此磨床经过全负荷运转10年时间，在无任何维护的情况下始终保持亚微米级精度[12]。1998年，英国克兰菲尔德大学的CORBETT等[13]首次阐述了水润滑陶瓷轴承在高速精密机床主轴上应用的前景，总结了水润滑陶瓷轴承的优势，包括：1）与常规轴承材料相比，陶瓷材料具有更高的耐磨性和耐腐蚀性，且其高刚度和低膨胀特性使机床主轴的精度保持性更佳;2）与油相比，水的高比热和低黏度特性使主轴温升更低，更具有环保性。2001年，在精密加工领域具有统治地位的美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室开始创办下一代超精密磨削车削复合加工中心——POGAL，主轴采用与英国克兰菲尔德大学合作开发的水润滑多孔陶瓷静压轴承，图2所示为POGAL机床示意图及其水润滑陶瓷轴承主轴[14]。值得一提的是，负责POGAL机床设计的HALE博士[15]毕业于麻省理工学院，其导师正是SLOCUM教授。2010年，克兰菲尔德大学首次介绍了多孔质氧化铝陶瓷静压轴承的烧结方法[16]，并对单个水润滑多孔陶瓷轴承开展了台架实验测试[17]，结果显示其刚度、温升、流量、功耗等各项指标均比传统轴承提升50%以上。但是，由于此轴承所采用的多孔质氧化铝陶瓷需经专门烧结制备，工艺流程复杂，目前克兰菲尔德大学的研究仅完成了单轴承台架试验，水润滑陶瓷主轴整机的研制工作尚待开展。世界著名的主轴制造商均将高转速、高扭矩、高刚度的水润滑主轴作为重点研发对象，IBAG公司开发的40 000 r/min主轴功率达到50 kW，Fischer公司提出的40 000 r/min主轴功率高达80 kW，由于技术保密原因，尚未公开主轴的具体结构[5]。

东南大学、西安交通大学、天津大学等机构在水润滑陶瓷主轴的研究方面开展了各具特色的工作。东南大学在水润滑主轴方面开展了全面研究工作，包括抗空蚀轴承材料、水润滑轴承主轴的结构设计与优化、高速水润滑主轴的静动态特性和水润滑主轴转子动力学特性等[18-21]。针对高速水润滑轴承材料易空蚀失效这一问题，提出把陶瓷涂层技术运用到主轴上，具体包括将氧化铝陶瓷涂层沉积到铝合金轴瓦上、将类金刚石（DLC）涂层制备到不锈钢轴瓦上和将钛基陶瓷涂层沉积到合金轴径上等，并开展了高速水轴承材料抗空蚀的台架试验研究[19-21]。西安交通大学在水润滑轴承领域的研究极大推动了中国在此方向的发展，研究内容包括节流器节流系数、流固耦合传热计算、密封结构、陶瓷轴瓦热特性、主轴动力学、水润滑轴承试验等各个方面[22-25]。近期，西安交通大学针对动静压陶瓷轴承的热特性开展了系统性研究工作，采用氧化铝陶瓷制造了动静压轴承的轴瓦，通过实验对比了氧化铝陶瓷和传统锡青铜轴瓦的性能，经数值计算方法计算了3种陶瓷材料的极限工作温度。计算结果表明：相对于锡青铜材料，氮化硅、氧化铝和碳化硅3种陶瓷材料分别能够使水润滑轴承的极限工作温度提高21.7%，27.2%和30.7%。沈阳建筑大学在全陶瓷主轴领域开展了开创性的工作，将传统陶瓷球轴承的内圈与主轴融为一体，提出了一种无内圈式高速陶瓷电主轴单元，并针对陶瓷轴承、主轴电机、精密加工和装配等陶瓷电主轴关键技术开展了系统性研究[26-27]。天津大学从2003年起开展水润滑陶瓷轴承主轴的研究工作，提出了一种基于黏度可调水基润滑剂的水润滑陶瓷轴承主轴，主要研究内容包括：1）为解决纯水黏度过低的问题，提出了在水中加入增黏剂，形成黏度可控的绿色水基润滑剂[28-29];2）开展了各种工程陶瓷材料摩擦磨损试验，发现硅基陶瓷水基润滑下摩擦系数能够低至0001量级[7，30-31];3）开展了轴承的热弹性流体动力润滑计算[32];4）针对高速轴承-转子系统的非线性动力学开展研究，包括润滑剂非牛顿效应[33]、非线性阻尼支撑的影响[34]等;5）针对陶瓷材料断裂韧性较低这一难题，设计了全包容性的陶瓷轴承结构和主轴结构，已获得多项国家发明专利授权[35-36];6）研制了完全采用水润滑陶瓷轴承的电主轴样机，并开展了样机试验[37]。

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