浅谈水润滑陶瓷滑动轴承技术

　　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，Z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Z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。
　　水本身具有清洁性与阻燃性，是天然的降温灭火剂，在21世纪社会各界对环境以及安全问题日益关注的情况下，这种特性正好契合了现代社会对工程技术领域的安全以及环保方面的要求。
　　另一方面，迄今水润滑轴承曾研究采用的材料主要有木材、金属、塑料、橡胶以及工程陶瓷材料等。其中，由于工程陶瓷材料拥有耐磨性好的特性，使得其在低粘度润滑剂状态下作为摩擦副成为可能^[4]；另外，陶瓷材料一般还具有自润滑功能、耐高温、高硬度、高强度、摩擦系数低、热稳定性好等诸多优点，使用陶瓷材料作为摩擦副也可以相应的提高主轴整体性能，近年来已经逐渐开始应用于工业领域。
　　2　研究与发展现状
　　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Z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——陶瓷”全包容结构等都对水润滑陶瓷滑动轴承的进一步优化与应用起到了重要作用。
　　2.3 水润滑陶瓷轴承的应用
　　目前，由于水润滑陶瓷轴承无论在润滑液还是在陶瓷材料摩擦副的摩擦化学反应等方面仍然处在研究与优化阶段，国内还未出现以水润滑轴承为支承的机床主轴单元，但国外已开始试验性工程应用。例如瑞士IBAG 公司和Nintertheur Technical University合作开发的HF170 HA-40HKV型以水润滑静压轴承为支承的机床电主轴，其改进型迷宫和空气密封系统能有效防止水从轴承中泄露，转速高达40kr/min，功率达37kW，FISCHER公司生产的Hrdro-F电主轴采用水润滑静压轴承，转速达36kr/min，功率达67kW。国外企业的成功案例反映了水润滑陶瓷主轴进驻企业、推进实践的可能性，而这反过来又促进了研究人员的相关研究，以期解决加工制造精度较高不易实现等技术问题。
　　3　水润滑陶瓷滑动轴承发展相关技术
　　3.1 动静压技术
　　普通液体滑动轴承电主轴主要有静压轴承、动压轴承与动静压轴承三种，其明显区别在于轴承油腔深度的数量级不同，其中动静压轴承是在另外两种轴承的基础上发展起来的，此类轴承在高速时以动压为主，在低速（起、停车阶段）时以静压为主。它利用静压轴承的节流原理，使压力油腔中产生足够大的静压轴承载力，从而克服了液体动压轴承启动和停止时出现的干摩擦造成主轴与轴承磨损现象，提高了主轴和轴承的使用寿命及精度保持性，同时又利用主轴高速旋转时的动压效应减小供液耗能。因此，只要合理设计油腔参数并利用精密加工手段就可以发挥动静压轴承承载特性优于另外两种轴承的特点，进而弥补优于润滑液粘度较低对其性能的影响。
　　3.2 理论与结构设计
　　目前大部分滑动轴承的设计采用依据具体工况要求建立适宜雷诺方程的方法。但由于一般雷诺方程适用于层流状态，而水的粘度较小，容易产生紊流状态，为此应该用广义雷诺方程进行求解^[10]；与此同时，考虑到设计电主轴应用于精密与超精密加工，所以对温度、压力等影响不能忽略，润滑液膜的温度以及压力过大会造成摩擦副表面变形，而润滑液膜的厚度会影响摩擦副的表面粗糙度。近几年TEHD（热弹性流体动力润滑分析）模型由于其更接近实际情况而逐渐被接受，该模型应用在水润滑陶瓷滑动轴承计算中时，要同时考虑到陶瓷轴承瓦体的热变性及弹性变形，具体就是在解雷诺方程时要综合黏度一温度关系、密度一温度关系、能量平衡方程、连续性方程等。此外，轴承的结构对轴承以至于主轴的性能都有很大的影响，为此在这方面很多研究人员都进行了尝试与试验，例如上文中提到的全包容结构即取得了试验成功，在保证刚性的同时使轴承承载能力达到了3吨以上。
　　3.3 润滑相关技术
　　由于水不具有防锈性，在实际研究过程中，一般在水中加入水基防锈添加剂，形成新的低粘度水基润滑剂，一般添加剂要保证工况下有足够的溶解度，防止析出造成摩擦表面损伤；另外，考虑到低粘度时润滑液膜厚度较小，产生机械摩擦的几率较大，所以设计时可以考虑主动设计构造几何形状并进行理论认证后加工制造。
　　3.4 制造与试验
　　因为陶瓷材料属于硬脆性材料，加工难度较大，而滑动轴承（尤其是动静压轴承）对轴瓦、轴套以及油腔的尺寸精度要求很高，因此精密加工一直是制约水润滑滑动轴承发展的重要方面，虽然随着精密超精密加工刀具以及相关技术迅速发展，但仍需要进一步找出足够精密并且适宜工厂化的加工方法。
　　试验技术是伴随主轴设计技术发展的不可缺少的技术，虽然普通滑动轴承试验技术大体上已经趋于成熟，但是由于水润滑陶瓷主轴的特殊性，在普通试验的基础上应该注意对水温以及压力等看似普通的环境因素加以监控，同时也应该对所用陶瓷材料的各性能进行提前试验检测，确保其达到加工制造指标。
　　4　总结与展望
　　综合前文可以看出，由于其多方面的优势，水润滑滑动轴承在未来精密高速电主轴中被广泛采用是存在很大可能性的，为此也受到了广泛关注。虽然目前在国内还没有进行生产实践，但是相信随着在国外取得的重大进展会让人们投入更多的精力对相关技术进行研究试验，期待着水润滑陶瓷滑动轴承能够突破在理论设计以及加工制造等方面的限制，并与相关主轴制造企业通力合作，早日实现其实践化、市场化与产业化。
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