陳 渭，范洪杰，吳連軍

（1.西安交通大學機械工程學院，西安 710049；2.西安交通大學現(xiàn)代設(shè)計與轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點實驗室，西安 710049）

1 前言

超高速加工可以提高效率3～5倍以上，可直接加工淬火鋼，實現(xiàn)了模具加工“一次過”的革命性進步。高速切削加工能夠使切削力下降30%，切削熱的90%被切屑帶走，高速避開了機床的低頻共振區(qū)，使機床的效率、精度和柔性得到高度統(tǒng)一，代表了機床工業(yè)發(fā)展的方向。國家重大裝備、航空航天的許多結(jié)構(gòu)件屬大型薄壁件，要求盡量小的切削變形，高速切削已成為唯一的選擇。高速切削機床是實現(xiàn)高速切削的載體，而高速精密主軸是高速切削機床的主要部件，其關(guān)鍵技術(shù)之一是主軸支撐軸承。

目前國外在高速機床中使用的軸承包括陶瓷球軸承、氣浮軸承、磁懸浮軸承和液體滑動軸承等。

陶瓷球軸承承載力大、剛度高、制造可實現(xiàn)標準化。其缺點主要有壽命最多只有數(shù)千小時，而國產(chǎn)陶瓷球軸承的轉(zhuǎn)速僅能達到20 000 r/min，且只能承受輕負載；軸承工作精度隨著使用時間下降，且振動和噪聲隨時間增大；制造成本高，滾子精度要求高。

氣浮軸承可實現(xiàn)近似無摩擦運轉(zhuǎn)，適用于超高速精密主軸單元。其缺點很明顯：承載力小、剛度低，設(shè)計不當且易出現(xiàn)氣錘振動。磁懸浮軸承支承的電主軸可以在5 000～80 000 r/min的轉(zhuǎn)速下長期運行，但其主軸的支撐剛度較低，難以承受沖擊切削力，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。

液體動靜壓軸承擁有動壓軸承和靜壓軸承的優(yōu)點，即外部靜壓和高速運轉(zhuǎn)后的動壓使軸承在全速范圍內(nèi)都能形成高壓油膜；誤差均勻化和抗震性保證主軸高精度和運轉(zhuǎn)平穩(wěn)；由于沒有剛體接觸，其理論壽命為無限長，有較大的應(yīng)用潛力。作為主軸系統(tǒng)的核心，軸承的性能直接影響機床主軸的回轉(zhuǎn)精度、切削剛度、使用壽命和可靠性。綜合反映軸承承載能力和轉(zhuǎn)速的指標是DN值——DN值是指主軸軸承的平均直徑D（mm）與主軸的極限轉(zhuǎn)速N（r/min）的乘積，它可以間接反映可能導(dǎo)致的發(fā)熱和溫升，這一參數(shù)也代表了軸承設(shè)計制造的難度。

為了保證主軸剛度和精度，軸承的半徑間隙只有十幾微米。在這樣小的半徑間隙下，常規(guī)的油基潤滑劑粘度大，不易形成完整的潤滑油膜；水的粘度低、比熱大，采用水作為潤滑劑不僅有利于在微空間里形成潤滑油膜而且可以降低溫升。因此，一些高速精密主軸軸承選用水作為潤滑劑。

高速切削技術(shù)的發(fā)展為主軸動靜壓軸承的設(shè)計研究提出了更高的要求。目前面臨的主要問題如下。

1）水作為潤滑劑，一旦出現(xiàn)水膜空化就容易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，所以設(shè)計的軸承要保證能夠形成完整的潤滑油膜。

2）精密主軸支撐軸承的半徑間隙很小，只有十幾微米，在高速低粘度情況下，潤滑膜的雷諾數(shù)非常大，潤滑劑的流態(tài)以紊流為主。層流的假設(shè)已經(jīng)不能滿足高速動靜壓軸承的工況要求，需要數(shù)值求解紊流雷諾方程和紊流能量方程。

3）主軸支撐的軸承處于靜止不動的狀態(tài)，而軸頸在軸承中高速旋轉(zhuǎn)，兩者的相對速度很大，潤滑油膜層與層之間的粘性剪切力極大，從而導(dǎo)致摩擦功耗很大，油膜溫升很高，容易造成主軸系統(tǒng)的熱變形，輕則影響主軸精度，重則導(dǎo)致“抱軸”等事故的發(fā)生，所以軸承的設(shè)計要控制和降低油膜溫升，保證主軸安全運轉(zhuǎn)。

4）當油膜平均溫升超過10℃時，熱變形會導(dǎo)致半徑間隙縮小4μm以上[1]。微小半徑間隙下，軸瓦熱變形對油膜厚度及性能的影響需要考慮。

5）溫度場的變化必然引起粘度場的變化，粘度的變化又會影響液膜壓力的分布，所以需要考慮溫粘效應(yīng)，要對滑動軸承進行熱動力學（THD）分析。

2 水潤滑高速主軸軸承的研究現(xiàn)狀及趨勢

液體動靜壓軸承支撐技術(shù)是高速電主軸的核心技術(shù)，高速電主軸同時綜合了高速電機技術(shù)，變頻調(diào)頻技術(shù)及冷卻潤滑等關(guān)鍵技術(shù)。熊萬里等[2]對影響液體動靜壓軸承特性的關(guān)鍵技術(shù)進行了較為詳細的分析和評述，并具體分析了動靜壓電主軸整機特性優(yōu)化中的技術(shù)難題。

2.1 水潤滑高速主軸軸承結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

目前，對于高速水潤滑軸承的結(jié)構(gòu)國內(nèi)外專家研究最多的方向主要有節(jié)流器、表面粗糙度和腔型結(jié)構(gòu)。

1999年，Laurant等[3]發(fā)現(xiàn)將小孔節(jié)流器的小孔出口方向與潤滑介質(zhì)流動方向設(shè)計呈一定的夾角，使節(jié)流器出口水流與來流方向相反，可抑制水的周向流動，降低軸承交叉剛度，提高軸承穩(wěn)定性，但這種方法僅在低速時有效。2001年，Weng C I等[4]研究了軸瓦表面粗糙度和流變現(xiàn)象對軸承穩(wěn)定性的影響，認為具有適當?shù)目v向粗糙度的軸瓦表面較光滑，軸瓦表面具有更好的穩(wěn)定性。2006年，Cheng Hsien等[5]研究了節(jié)流器對動靜壓軸承動靜特性的影響，比較了采用小孔節(jié)流器和毛細管節(jié)流器時軸承的動靜特性，研究表明小孔節(jié)流器在承載力和穩(wěn)定性方面具有一定優(yōu)勢。2007年，林彬等[6]采用陶瓷多孔質(zhì)材料作為節(jié)流器，推導(dǎo)了水潤滑形式下的相關(guān)節(jié)流參數(shù)并給出了水、油兩種潤滑形式性能的對比。2010年，戴攀等[7]對環(huán)面節(jié)流器的流場進行了有限元仿真分析，研究了小孔直徑、油膜厚度、壓力差和主軸轉(zhuǎn)速與節(jié)流系數(shù)的關(guān)系。2010年，王芳芳等[8]提出一種新型可應(yīng)用于高速機床主軸的高速水潤滑多孔階梯軸承，即在同一個深腔內(nèi)開設(shè)有進出油孔的結(jié)構(gòu)，并運用FLUENT軟件對其流場進行模擬分析。2011年，Satish C Sharma等[9]研究了磨損對小孔節(jié)流四油腔圓錐滑動軸承的影響，認為油膜直接剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)隨著軸承磨損而減小，當磨損量大于徑向間隙的10%時，軸承性能受到顯著影響。

高速水潤滑動靜壓軸承設(shè)計目標主要是油膜完整、高剛度、高承載和低溫升。主軸軸承運行時，軸頸與軸瓦的相對速度很大（當主軸轉(zhuǎn)速為40 000 r/min，主軸直徑為60 mm時，線速度已經(jīng)達到125.663 7 m/s）。這樣就形成了高速動靜壓軸承的4大特點：a.潤滑油流周向速度極大軸向速度很小，從而軸向布油困難，不易形成完整潤滑油膜；b.很大的速度流，動壓效應(yīng)十分顯著，適當?shù)妮S承結(jié)構(gòu)可以達到很高的剛度；c.強剪切流的存在，使?jié)櫥蛢?nèi)摩擦極大，而內(nèi)摩擦是液體潤滑軸承產(chǎn)生熱的主要來源，從而潤滑油溫升很大；d.微間隙低軸向速度流使軸承端面泄油量較小，內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的熱量不易由泄油量及時帶離軸承，軸承容易發(fā)熱。目前，高速精密機床主軸水潤滑動靜壓滑動軸承的腔型結(jié)構(gòu)主要有階梯腔軸承和螺旋油腔軸承。

普通階梯腔軸承的結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個油腔由一個周向尺寸比較小的深腔和一個周向尺寸比較大的淺腔共同構(gòu)成。深腔的存在主要是增加軸承軸向布油的能力，有利于形成完整潤滑油膜[10]。淺腔的存在形成二次節(jié)流效應(yīng)，極大地增加動壓效果，使軸承具有高剛度、高承載力的特點。但當DN值大于1×106mm·r/min時，油膜易于破裂且溫升大，會極大影響其精度[11]。

圖1 普通階梯腔軸承Fig.1 Normal stepped recess bearing

戴攀等[1]設(shè)計了階梯軸承的一種改良結(jié)構(gòu)——環(huán)槽階梯軸承，如圖2所示，該軸承在軸承軸向封油面上開設(shè)了冷卻環(huán)槽和冷卻孔，實時強制為軸承進行冷卻處理，因此在對軸承動態(tài)性能影響不大的情況下可以非常有效地控制軸承的溫升。

圖2 環(huán)槽階梯軸承Fig.2 Stepped recess bearing with round grooves

螺旋油楔動靜壓滑動軸承[12]的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要特點是在軸承的周向按一定的螺旋角分布3個斜置的圓弧形油腔，在油腔的兩端分別設(shè)置一個進油孔和一個出油孔。冷態(tài)潤滑油通過進油孔進入軸承，隨著軸承的旋轉(zhuǎn)以及螺旋槽的推進作用，冷態(tài)潤滑油隨軸頸在軸承內(nèi)部斜向進入下一個油腔，同時摩擦功耗使得潤滑油溫度逐漸升高變?yōu)闊釕B(tài)潤滑油，熱的潤滑油在進入下一個油腔后通過該油腔的出油口及軸承端面流出軸承。因此，該結(jié)構(gòu)的軸承有利于形成完整潤滑油膜，并且溫升小。陳淑江等[13]研究了該軸承的各向異性并與普通中間供油的三腔滑動軸承進行對比，發(fā)現(xiàn)該軸承有更好的各向同性，適用于鏜床類載荷沿周向交變的工況。

圖3 螺旋油楔動靜壓滑動軸承Fig.3 Spiral oil wedge hybrid journal bearing

2.2 水潤滑高速主軸軸承的熱變形研究現(xiàn)狀及趨勢

隨著工作轉(zhuǎn)速和外載荷的增加，軸承系統(tǒng)很容易過熱，過熱導(dǎo)致的固體熱變形對潤滑油膜厚度的影響不容忽略。熱效應(yīng)對于滑動軸承的影響在近年來引起了學術(shù)界的注意，在此方面有許多研究工作。1998年，Chandrawat等[14]求解了流體和軸瓦的三維能量方程和熱傳導(dǎo)方程，指出從軸瓦出口邊界到流體的熱傳遞應(yīng)該作為準確計算的考慮因素。2000年，Zhang Chao等[15]進行了重載滑動軸承的理論和實驗研究，理論數(shù)值求解包括熱變形、流體空穴和紊流的影響，測量了偏心率、泄油量、油膜壓力和溫度場的分布，實驗結(jié)果與理論結(jié)果較為接近。2004年，Bouyer等[16]對滑動軸承的熱變形和機械變形以及對滑動軸承性能的影響都進行了理論分析，結(jié)果表明在重載條件下軸承的機械變形對軸承的性能有較大影響，而軸承的熱變形對軸承的性能影響不大。2011年，Chen Wei等[17]對高速水潤滑動靜壓軸承支撐的主軸熱變形進行了研究。2012年，Uhlmann E等[18]提出一種3D有限元（FEM）模型來預(yù)測高速電主軸的熱變形，實驗研究結(jié)果表明這種模型可以很好地預(yù)測主軸的熱變形。

2006年，袁曉陽等[19]研究了水潤滑的實驗臺設(shè)計。東南大學的郭策等[20]雖然對軸承和主軸進行了有限元建模和分析，但是施加的溫度載荷和邊界條件的處理并不十分合理。

2.3 水潤滑高速軸承的偏斜效應(yīng)的研究現(xiàn)狀及趨勢

2001年，Pierre[21]對比了實驗數(shù)據(jù)和三維的THD分析數(shù)據(jù)。Banwait等[22]也分析了軸的偏斜，他們指出了偏斜對軸承靜態(tài)特性的影響，包括壓力場和溫度場以及最小油膜厚度。2002年，Bouyer等[23]對動壓滑動軸承的偏斜效應(yīng)進行了實驗研究，實驗研究了不同轉(zhuǎn)速和不同偏斜力矩情況下軸承的偏位角、溫度場、最大壓力和流量變化。Boedo S等[24]對軸承的偏斜和邊緣效應(yīng)進行了理論分析。2005年，Sun Jun等[25]對軸的彎曲變形對軸承性能的影響進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)負荷情況下軸頸發(fā)生的變形會對軸承性能產(chǎn)生影響，在高速的工作條件下此影響不可忽略。2010年，Sun Jun等[26]計算了軸承在不同偏斜角度時的靜態(tài)特性。Jang J Y等[27]計算了軸承在不同偏斜角度時的油膜壓力分布和溫度分布。

2.4 水膜動特性系數(shù)測試研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

在對滑動軸承流體動力學的研究過程發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)定靜態(tài)工作的滑動軸承，如果受到動載荷作用會表現(xiàn)出剛度和阻尼特性，研究發(fā)現(xiàn)滑動軸承這種特性往往受到軸承的幾何尺寸、轉(zhuǎn)子速度以及載荷等眾多因素的影響。滑動軸承在平衡位置受到微小動載荷下表現(xiàn)出來的這種特性往往對軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應(yīng)和穩(wěn)定性有著重要影響。滑動軸承支撐的高速旋轉(zhuǎn)機械中，動力潤滑產(chǎn)生水膜力來支撐轉(zhuǎn)子，在靜態(tài)平衡工況下，轉(zhuǎn)子在軸承內(nèi)靜態(tài)平衡位置轉(zhuǎn)動，此時產(chǎn)生的水膜力與載荷的大小相等，方向相反，如果有外界干擾激勵使轉(zhuǎn)子偏離靜態(tài)平衡位置點，水膜會產(chǎn)生水膜反力使轉(zhuǎn)子回到原有的靜態(tài)平衡位置點。為了在理論上表征水膜的這種動力學特征，簡化水膜的動特性模型，Lund[28]于1964年提出的水膜線性動特性模型從理論上很好地解釋了這種線性水膜動特性。然而對動靜壓軸承進行理論上設(shè)計和分析是不夠的，必須用試驗來驗證理論的準確性，進一步指導(dǎo)設(shè)計和分析。在試驗分析動靜壓軸承水膜動特性時，由于影響因素眾多，且很多因素不可直接測量，所以只能借助于識別模型，通過測量已知量來間接得到水膜動特性系數(shù)。試驗法測試水膜動特性系數(shù)是一個完整的復(fù)雜參數(shù)識別過程，包括測試軸承水膜的激振、信號采集分析、參數(shù)識別和信號處理等一系列重要步驟，每一步測量準確性都會影響最終的測試結(jié)果。2011年，Ma Shilei等[29]對水潤滑階梯軸承的動態(tài)性參數(shù)進行了理論和實驗研究。在以往滑動軸承水膜動特性系數(shù)測試研究方面，按數(shù)據(jù)處理方式可分為時域識別和頻域識別，根據(jù)激振方式為單頻激振和多頻激振，以及外加不平衡量法等。在試驗方法和參數(shù)識別過程中往往是多個方法的綜合運用，如時域多工況識別法、脈沖激振識別法、正弦激振法、不平衡響應(yīng)法、多頻激振法、狀態(tài)變量濾波法等。

1）時域多工況識別法。由于轉(zhuǎn)子本身存在質(zhì)量偏心，在不同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生不同的不平衡激勵力，利用布置在軸承附近水平和垂直方向上的傳感器測量軸承轉(zhuǎn)子在多個轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子殘余平衡響應(yīng)信號，直接將時域信號通過參數(shù)識別過程來獲得水膜線性動特性系數(shù)。該方法的缺點是測試工況數(shù)較多，且多個工況之間的相似性往往難以保證。畢士華等[30]假設(shè)軸承水膜的動特性系數(shù)與轉(zhuǎn)速滿足二次函數(shù)關(guān)系，測量轉(zhuǎn)子軸承在多個轉(zhuǎn)速下的位移振動信號，不但可以測得軸承水膜剛度，同時還識別出轉(zhuǎn)子的不平衡量；姜歌東等[31]先假設(shè)各工況下的水膜動特性系數(shù)滿足線性化關(guān)系，通過測試轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下的不平衡響應(yīng)，識別出不同工況下的振動幅值和相位，進而識別出水膜線性動特性系數(shù)。

2）脈沖激振識別法。利用布置在軸承附近水平和垂直方向上的傳感器測量軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的激振信號和響應(yīng)信號并進行傅里葉變換，得到軸承系統(tǒng)信號和響應(yīng)信號多個頻率下的傳遞函數(shù)，進而識別出水膜動特性系數(shù)。該方法的特點是寬頻激振、響應(yīng)能量分散、信噪比較低，采樣點數(shù)多、采樣頻率低，同時試驗測試設(shè)備多，操作復(fù)雜等。Qiu[32]利用此方法，通過對軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)施加脈沖激振，測量響應(yīng)信號并進行傅里葉變換，識別出了兩個支承軸承的16個水膜線性動特性系數(shù)；Jiang等[33]識別了某一大尺寸徑向軸承的水膜線性動特性系數(shù)。

3）正弦激振法。對軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在水平和垂直方向施加不同振幅、相位及頻率的正弦激振力，并測量其響應(yīng)信號，進行傅里葉變換，從響應(yīng)信號中提取特征數(shù)值，進而識別出水膜動特性系數(shù)。該方法的特點是能量集中，信噪比高，但測試設(shè)備復(fù)雜，要求協(xié)調(diào)性高。利用正弦激振法，Parkins[34]得到軸承水膜在水平和垂直方向上的線性阻尼系數(shù)。Roberts等[35]識別出了擠壓水膜阻尼器的主慣性系數(shù)、主剛度系數(shù)和主阻尼系數(shù)。

4）不平衡響應(yīng)法。在軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上附加不平衡質(zhì)量塊，產(chǎn)生不平衡激勵力，并測量其不平衡響應(yīng)，利用信號的傅里葉變換識別出水膜動特性系數(shù)，其特點是方法簡單，不需要復(fù)雜的測試設(shè)備，不但可以識別出水膜動特性系數(shù)，同時還消除了軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)本身存在的不平衡質(zhì)量對系統(tǒng)的影響，但對不平衡量選擇比較困難?；诖朔椒?，Tie等[36]利用最小二乘原理，識別出兩個支承軸承的16個水膜線性動特性系數(shù)；鄭鐵生等[37]進行了滑動軸承水膜動特性系數(shù)的識別，同時考慮了轉(zhuǎn)子中的殘余不平衡量影響。馬石磊等[38]采用不平衡質(zhì)量法識別出自行設(shè)計的高速主軸水潤滑動靜壓軸承的動特性系數(shù)，實驗表明軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動特性系數(shù)隨系統(tǒng)供水壓力和主軸工作轉(zhuǎn)速的增加而增大。

5）多頻激振法。對軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)施加包含多個頻率的激振力，測量響應(yīng)信號并分離不同頻率的響應(yīng)信號，其特點是能量集中、信噪比高，但測試設(shè)備復(fù)雜，測試設(shè)備之間的協(xié)調(diào)性要求高。袁小陽等[39]采用多頻激振的方法，來測量軸承水膜的剛度、阻尼系數(shù)。

6）狀態(tài)變量濾波法。把系統(tǒng)中待識別參數(shù)和系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)一同視為系統(tǒng)狀態(tài)變量，重新構(gòu)建系統(tǒng)方程，通過系統(tǒng)響應(yīng)信號自適應(yīng)狀態(tài)反饋，對信號進行自動消除干擾噪聲，通過求取系統(tǒng)方程穩(wěn)態(tài)解來獲得了水膜動特性系數(shù)?；谠摲椒?，Ellis等[40]研究了擠壓水膜阻尼器線性動特性系數(shù)。

3 水潤滑高速主軸軸承應(yīng)用現(xiàn)狀

以水作為潤滑介質(zhì)的動靜壓軸承，進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅承載力大，剛度高，環(huán)境友好，而且高速工況下能有效地降低溫升，所以水潤滑軸承的應(yīng)用比較廣泛。Alexander H Slocum[41]開發(fā)了一種水靜壓軸承，這種創(chuàng)新設(shè)計在目前低粘度主軸軸承系統(tǒng)設(shè)計中顯示出顯著的優(yōu)越性。其工作轉(zhuǎn)速可達10 000 r/min，相比油壓軸承有更高的剛度和加工精度。其高阻尼容量可以提高表面加工質(zhì)量和延長刀具壽命。Kume T[42]和Yoshimoto S[43]設(shè)計了一種用于電路板鉆孔的有螺旋槽的靜壓水潤滑軸承，與油潤滑相比，水作潤滑介質(zhì)時功耗更小，這種軸承可以穩(wěn)定地工作在120 000 r/min。螺旋槽的泵唧作用以及軸頸高速旋轉(zhuǎn)使進油口處液體產(chǎn)生的離心力都會提高液體壓力。日本名古屋研究所[44]的水潤滑動靜壓軸承直徑為60 mm，轉(zhuǎn)速為12 000 r/min。通過水的動壓和靜壓效應(yīng)產(chǎn)生周向應(yīng)力能夠為高速轉(zhuǎn)子提供很好的阻尼特性和穩(wěn)定性。實驗測得，穩(wěn)定運行時其溫升不超過1.5 K。芬蘭生產(chǎn)應(yīng)用于拖動高壓水泵、轉(zhuǎn)速為100 000 r/min的高速電動機[45]，轉(zhuǎn)子為實心（非疊片組成），外徑70 mm，對應(yīng)于100 000 r/min時周速為367 m/s，電動機重40 kg。電動機通過變頻器獲得高速，電機軸承為水潤滑液壓軸承，定子為F級絕緣。IBAG和瑞士Nintertheur Technical University[46]合作開發(fā)了HF170 HA-40HKV型主軸，其支承采用水潤滑靜壓軸承，轉(zhuǎn)速高達40 000 r/min，功率達50馬力（約37 kW）。郭宏升等[47]將軸承的節(jié)流形式改成內(nèi)反饋節(jié)流器，利用軸頸和軸瓦間的間隙形成油腔的進油液阻。內(nèi)反饋動靜壓軸承的基本思路是加長軸承的軸向尺寸，在延長部分的內(nèi)表面加工內(nèi)節(jié)流器。各內(nèi)節(jié)流器集油腔通過軸瓦外表面的螺旋槽與相對的油腔相通，利用內(nèi)節(jié)流器的工作原理提高主承載腔的供油壓力，達到提高動靜壓滑動軸承承載力和剛度的目的。將加入內(nèi)反饋的軸承應(yīng)用在M1432萬能磨床的內(nèi)圓磨頭上，主軸轉(zhuǎn)速13000r/min，以水作為潤滑介質(zhì)，對40Cr材料、直徑60 mm的淬硬套類零件進行內(nèi)孔磨削。對加工后工件進行檢測后發(fā)現(xiàn)，未采用內(nèi)反饋結(jié)構(gòu)時加工零件粗糙度為0.3～0.5 μm，采用反饋結(jié)構(gòu)后加工零件粗糙度僅為0.1 μm。

4 結(jié)語

水潤滑高速主軸軸承是可以提供高剛度、長壽命的有發(fā)展前景的新型支承結(jié)構(gòu)，而其高精度、高剛度的要求及沖擊切削力的激振，使?jié)櫥S承的間隙設(shè)計盡量小，介質(zhì)處于微間隙、高剪切應(yīng)力之中，其發(fā)熱及動態(tài)行為顯著影響主軸系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在高速旋轉(zhuǎn)強剪切與微間隙高壓力工況下，潤滑介質(zhì)的狀態(tài)異常復(fù)雜，現(xiàn)有的層流假設(shè)已不再適用，軸承潤滑介質(zhì)的類固化現(xiàn)象更加劇了系統(tǒng)的發(fā)熱，由此顯著影響支承系統(tǒng)運行的可靠性及其使用壽命。需要通過實驗和仿真研究，揭示微約束空間的強剪切率下潤滑介質(zhì)的性能以及高速旋轉(zhuǎn)主軸精度演變規(guī)律，實現(xiàn)對軸承結(jié)構(gòu)及參數(shù)的創(chuàng)新設(shè)計，并為實現(xiàn)主軸系統(tǒng)高速高精度穩(wěn)定運行與控制提供理論指導(dǎo)。

以水潤滑高速主軸軸承為代表的高速旋轉(zhuǎn)體的微約束空間中存在著十分復(fù)雜的多場強耦合作用現(xiàn)象，研究極端條件下高速旋轉(zhuǎn)體的支承界面的摩擦學、熱力學及動力學行為特征，探索水潤滑高速軸承材料以及潤滑材料界面之間的耦合關(guān)系，從而揭示水潤滑高速動壓潤滑油膜的形成機理及其傳熱規(guī)律，闡明高速、低粘度、紊流狀態(tài)下穩(wěn)定潤滑狀態(tài)形成的本質(zhì)及實現(xiàn)條件，是開展對水潤滑高速主軸軸承的結(jié)構(gòu)、形狀、材料構(gòu)成與匹配、表面改性及潤滑方式等軸承技術(shù)開發(fā)的前提，也是實現(xiàn)水潤滑高速主軸軸承適應(yīng)極端環(huán)境下支承功能與性能設(shè)計的理論基礎(chǔ)。

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