浅谈水润滑陶瓷滑动轴承技术-天津大学研究生e-Learning平台.docVIP

浅谈水润滑陶瓷滑动轴承技术 刘文龙 天津大学机械学院机械工程专业2011级硕士生 摘要：随着精密与超精密加工技术的快速发展，精密高速电主轴技术也随之普及，作为电主轴技术研究的重要分支，水润滑陶瓷滑动轴承已经成为精密加工领域一大前沿研究课题。本文综述了相比于普通滑动轴承电主轴，以水润滑陶瓷滑动轴承为支承的高速电主轴存在的特点及优势，介绍了目前国内外对该技术的研究状况，最后分析探讨了几种水润滑陶瓷滑动轴承发展的相关技术。 关键词：电主轴 水润滑 陶瓷材料 0 前言 作为机械制造中的尖端技术之一，精密与超精密加工技术由于涉及多种基础学科与新兴技术，已经成为发展其他高新技术的关键，也是衡量一个国家制造业水平的重要标志[1]。而高速精密电主轴技术作为精密与超精密加工技术的重要支撑，自然也随之快速发展。近年来，液浮滑动轴承电主轴由于其拥有较高的回转精度并能够很大程度的提高刀具的使用寿命以及工件的加工精度和表面粗糙度而在制造业企业中备受亲睐[2]。但是，普通液浮滑动轴承往往会遇到润滑油膜温升过高以及金属摩擦副导热率高、热膨胀系数大等原因造成的机床热稳定性变差，继而影响了实际加工精度，很难继续适应高精密技术的快速发展。而从来理论上讲，水在轴承高速旋转时发热量小，且本身所固有的清洁性和阻燃性能够满足现代社会对工程技术的安全性、环境友好性要求；此外，陶瓷材料具有耐磨损的特点，可以适应水润滑情况下易发生的边界摩擦和干摩擦现象，并且陶瓷还具有耐化学腐蚀、热膨胀系数小等优良特性，这样，水润滑加上陶瓷材料摩擦副就可以解决普通液浮滑动轴承存在的技术难题。由此，水润滑陶瓷滑动轴承已经逐渐成为当今精密加工行业的一大前沿研究课题。 1 水润滑陶瓷滑动轴承电主轴的特点 该类电主轴以陶瓷滑动轴承为支承，其结构上与一般滑动轴承电主轴类似，见图1，但是由于其轴承润滑液以及摩擦副的特殊性，在很多方面提高了主轴的整体性能。 首先，该类电主轴以水（或低粘度水基液体）作为润滑剂，通过比较水与L-FD-22轴承油，见表1，可以发现，水与普通矿物润滑油的最大不同在于粘度以及比热[3]。可以看出，水的粘度远小于普通矿物油，这就造成了水润滑的油膜刚度以及承载能力均小于相同状态下油润滑轴承，而且容易产生摩擦副直接接触引起的干摩擦现象，这就需要轴承材料具有较高的耐磨性；但是，水由于其低粘度会明显降低摩擦功耗，进而降低轴承温升，可以提高主轴的回转精度。同时，水的比热明显高于矿物油，这样在相同摩擦功耗即产生相同热量情况下温升更小，因此当主轴高速旋转时，该类主轴的热稳定性更加突出。 图1 2.1 相关陶瓷材料的研究 常用的工程陶瓷材料主要有氧化物类A12O3、ZrO2与非氧化物类SiC、Si3N4，其在干摩擦及水润滑条件下的摩擦磨损机理不尽相同。当干摩擦发生时，陶瓷摩擦副的摩擦性能较为关键；当轴承中水膜完整时，陶瓷摩擦副的流体摩擦作用会很明显[3]，而由于在水润滑的条件下，润滑液膜厚度相对较小，容易产生干摩擦，所以两种状态均需要考虑。 在干摩擦状态下，通过试验可以发现氧化物陶瓷A12O3、ZrO2容易产生脆性断裂及磨粒磨损，而非氧化物陶瓷SiC、Si3N4的磨损行为主要为微裂纹、塑性变形、犁耕及黏着等，但Si3N4容易发生摩擦层迁移现象，而SiC在摩擦过程中的副产物SiO2具有一定的润滑作用，可以减少磨损量并降低摩擦系数，所以单从干摩擦状态来看，SiC更适宜作为摩擦副材料 在流体摩擦作用下，氧化物陶瓷有着明显的流体润滑作用，其中A12O3在过程中产生的Al(OH)3更有助于提高其耐磨性，而非氧化物陶瓷SiC、Si3N4不但有流体润滑作用，还会产生比较明显的水合反应[5]，形成胶状的SiO2附着在摩擦副表面，有抛光表面的效果，可以明显改善表面磨损情况。不过，SiC和Si3N4两种材料孰优孰劣，不同研究人员在不同工况条件下进行的实验并没有反映出哪一种材料性能更优越，大体上看，Si3N4达到稳定状态所需的跑和时间更短，而SiC更适合于长期运行或频繁起停车的工况，因此需要具体情况具体实验分析才可以确定最后的选择。 2.2 主轴试验研究 目前国内的专家学者以及相关企业外对于水润滑轴承的运转状况研究很多，例如主轴承载性能、加工精度，轴承内摩擦化学行为等等，不过大部分研究主要是进行测试工作以验证水润滑陶瓷滑动轴承主轴能够达到试验既定的或企业需要的目标，例如张国渊[6]等对水润滑涡轮泵动静压轴承进行的试验研究表明，水润滑轴承可以稳定的高速运转，并且没有发生明显的汽化和汽蚀出现。另一方面，目前对于水润滑陶瓷滑动轴承的设计优化试验研究并不多见，其中STEVEN[7]采用的新型反馈节流技术、孙文丽[8]等选择润滑剂时突破纯水及水基润滑液而采用海水这种多种盐类的平衡溶液以及林彬[9]等设计的“金属——