王建磊 ，張 健 ，劉 凱 ，賈 謙

（1.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

1 引言

超精密加工技術(shù)在國防建設(shè)與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有不可替代的作用，是現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭的重要支撐技術(shù)也是現(xiàn)代基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要保障[1]。高檔數(shù)控機(jī)床是精密加工的物質(zhì)基礎(chǔ)，它可以直接加工出具有納米級表面光潔度和亞微米級面形[2]。數(shù)控轉(zhuǎn)臺作為高檔數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，其功能是帶動工件實(shí)現(xiàn)精密旋轉(zhuǎn)和加工，所以轉(zhuǎn)臺性能的高低直接影響甚至決定數(shù)控機(jī)床的精度和總體性能[3]。目前精密機(jī)床轉(zhuǎn)臺的支撐方式分可以分為三類：靜壓滑動軸承支撐、滾動軸承支撐及復(fù)合軸承支撐[4]。靜壓轉(zhuǎn)臺采用液體靜壓軸承作為支承，將轉(zhuǎn)臺主軸功能與電動機(jī)功能從結(jié)構(gòu)上融為一體并集成了液體靜壓軸承技術(shù)、冷卻密封控制技術(shù)和變頻電動機(jī)技術(shù)[5]。

摩擦副一般是指相接觸的物體產(chǎn)生摩擦而組成的一個(gè)摩擦體系[6]。靜壓轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)子和軸承就是一對典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械摩擦副。靜壓軸承具有承載力大、剛度大、阻尼性能較好運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于重載、低速、回轉(zhuǎn)精度要求高的場合[7]。目前對靜壓轉(zhuǎn)臺摩擦副的研究主要可歸納為三個(gè)方向，分別是設(shè)計(jì)仿真研究、實(shí)驗(yàn)測試研究及材料性能研究。轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)仿真方面目前已發(fā)展到利用工程軟件Pro/ENGINEERWildfire對UUT型三軸的三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺各零部件的裝配過程仿真，在性能仿真時(shí)考慮到了摩擦副的制造誤差模型，并對軸承性能及轉(zhuǎn)臺精度影響規(guī)律進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測[8-10]。激光干涉儀等高精測量儀器目前已應(yīng)用于靜壓轉(zhuǎn)臺的實(shí)驗(yàn)測試，測試結(jié)果可用于修正轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)精度、定位精度等指標(biāo)[11]。

對靜壓軸承-轉(zhuǎn)子摩擦副進(jìn)行材料選配及改進(jìn)也是一項(xiàng)很重要的研究工作，不僅要從材料上獲得更加適合精密機(jī)床工作特點(diǎn)的軸承或轉(zhuǎn)子材料，也要從材料成型工藝上進(jìn)行較為科學(xué)的質(zhì)量控制，并形成較為完整的質(zhì)檢體系[12-14]。針對高精密機(jī)床軸承-轉(zhuǎn)子摩擦副，對靜壓軸承的設(shè)計(jì)及摩擦副材料選型進(jìn)行了綜合考慮，通過實(shí)驗(yàn)對幾種備選的摩擦副材料（轉(zhuǎn)子材料、軸承材料及潤滑油）進(jìn)行測試及評價(jià)，以獲得最佳搭配。

2 摩擦副的結(jié)構(gòu)及使用工況

對軸承-轉(zhuǎn)子摩擦副展開研究，軸承是靜壓滑動軸承。摩擦副應(yīng)用的對象是精密機(jī)床的靜壓轉(zhuǎn)臺，此類精密機(jī)床主要加工對象為光學(xué)鏡頭及精密機(jī)械零件等。此類靜壓轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。圖中可見靜壓轉(zhuǎn)臺由工作臺面、轉(zhuǎn)子、定子、軸承、密封及編碼器等幾部分組成。轉(zhuǎn)臺的主要的主要功能是承載加工件并進(jìn)行精確轉(zhuǎn)動和定位，轉(zhuǎn)臺的性能參數(shù)，如表1所示。

圖1 靜壓轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Static Pressure Rotary Table Structure

表1 轉(zhuǎn)臺的主要性能參數(shù)Tab.1 The Main Performance Parameters of the Rotary Table

靜壓轉(zhuǎn)臺的摩擦副包括軸承-轉(zhuǎn)子摩擦副和密封-轉(zhuǎn)子摩擦副，這里的摩擦副是由靜壓軸承和轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)子構(gòu)成的摩擦副。靜壓軸承用來支撐轉(zhuǎn)臺使其能夠自由、精確的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)臺所使用的軸承為徑向-推力組合靜壓軸承，即將推力軸承與徑向軸承集成為一體，這樣的設(shè)計(jì)使得轉(zhuǎn)臺軸系結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高。靜壓軸承的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。軸承采用金屬基體澆鑄巴氏合金作為工作面，徑向和推力面皆為淺腔帶小孔結(jié)構(gòu)。軸承徑向工作面和推力工作面各開了四個(gè)間隔為90°的油腔，油腔的旁邊開了回油槽，油腔和回油槽之間裝有封油面。來自液壓站中的潤滑油通過節(jié)流器流入油腔，再通過間隙流出，最后流回油箱。由于軸承與軸之間的間隙非常小，可以產(chǎn)生很大的出油液阻，如此軸承油腔中的液體壓力就得到了保持，使轉(zhuǎn)子浮在軸承中。軸承的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表2所示。

圖2 靜壓軸承結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hydrostatic Bearing Structure

表2 軸承的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 The Main Structural Parameters of Bearing

轉(zhuǎn)臺工作過程中，軸承主要受徑向、切向及軸向三個(gè)方向的力。一般情況下軸向力為軸承所受的最主要的載荷，它對轉(zhuǎn)臺的運(yùn)行影響最大，所以軸承推力工作面所承受的力要大于徑向工作面。軸承推力面的最大載荷為2000N，推力面外徑200mm、內(nèi)徑100mm，平均直徑150mm，故推力面平均線速度為94.2m/s，軸承工作油壓（0.5～2）MPa，平均工作壓力1MPa，所以實(shí)驗(yàn)的PV值應(yīng)該是94.2MPa·m/s。由于推力面與徑向面材料相同，所以對軸承材料的選型將以推力面的工況參數(shù)作為參考。

3 摩擦副備選材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 備選材料介紹

這里選取幾種典型的軸承、轉(zhuǎn)子材料及潤滑油來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)篩選，樣品介紹，如表3所示。備選的軸承材料為常用的錫基巴氏合金，巴氏合金是澆注在鋼基體表面作為軸承表面抗磨層進(jìn)行使用的；備選的轉(zhuǎn)子材料包括常見的45#鋼及近幾年常用的不銹鋼1Cr17Ni2；備選的潤滑油包括兩類常用的液壓油25#和32#。

表3 樣品介紹Tab.3 Sample Introduction

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于靜壓軸承在通常工況之下由具有一定壓力p的靜壓油將轉(zhuǎn)子和軸承隔開，油膜厚度一般在20μm，所以一般情況下是處于流體潤滑狀態(tài)，不發(fā)生金屬和金屬間的直接接觸。所以對在對摩擦副進(jìn)行選材時(shí)應(yīng)分兩步進(jìn)行：（1）首先考慮極端工況，即軸承和轉(zhuǎn)子發(fā)生直接接觸，通過摩擦磨損實(shí)驗(yàn)檢測備選的軸承材料和轉(zhuǎn)子材料發(fā)生干摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)和磨損量，用來選定減摩抗磨性能較為良好的軸承及轉(zhuǎn)子材料組合；（2）考察備選潤滑油在穩(wěn)定工況下的粘-溫特性，選擇粘-溫特性較為穩(wěn)定的潤滑油，以保證有足夠且穩(wěn)定的支撐剛度。

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)采用銷-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。銷為軸承材料，盤為轉(zhuǎn)子材料，銷尺寸 Φ（6×15）mm、盤尺寸 Φ（30×5）mm，考慮到摩擦副的使用工況，由于軸承推力面承載最大，選取推力面最大載荷200kg，及平均線速度94.2m/s，實(shí)驗(yàn)在PV值為94.2MPa·m/s下進(jìn)行。當(dāng)銷與盤產(chǎn)生摩擦?xí)r，根據(jù)應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變后的電壓變化與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系曲線，即可推算出摩擦系數(shù)的大小。磨擦系數(shù)測量試驗(yàn)時(shí)間為10min。采用稱量法來測定磨損量，即通過磨損前后零件質(zhì)量的變化來表征磨損量。采用的稱量設(shè)備為全機(jī)械加碼分析天平，型號為TG328A，最大載荷200g，精度為0.1mg。磨損量測量試驗(yàn)時(shí)間為40min。

圖3 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Friction and Wear Testing Machine Structure

粘-溫特性實(shí)驗(yàn)用來測試待選潤滑油的粘-溫特性，根據(jù)GB/T265-1988測定潤滑油的運(yùn)動粘度。在恒定的溫度下，測定一定體積的潤滑油在重力下流過一個(gè)標(biāo)定好的玻璃管粘度計(jì)的時(shí)間，粘度計(jì)的毛細(xì)管常數(shù)與流動時(shí)間的乘積，即為該溫度下測定液體的運(yùn)動粘度。在溫度T時(shí)運(yùn)動粘度用符號vt表示。測試的溫度范圍為軸承的一般工作溫度（20～100）℃。運(yùn)動粘度的檢測儀器主要由毛細(xì)管粘度計(jì)、恒溫浴缸、溫度計(jì)和秒表等組成，毛細(xì)管粘度計(jì)示意圖，如圖4所示。

圖4 毛細(xì)管粘度計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Capillary Viscometer Structure

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對四種搭配進(jìn)行了摩擦系數(shù)測定，測定結(jié)果，如圖5所示。由圖5中摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的情況可以看出，軸承材料1+轉(zhuǎn)子材料1的摩擦系數(shù)較大并且變化劇烈，轉(zhuǎn)子材料2與兩種軸承材料進(jìn)行搭配時(shí)摩擦系數(shù)均較小且變化穩(wěn)定，所以可以初選轉(zhuǎn)子材料2+軸承材料1或2。轉(zhuǎn)子材料選擇了不銹鋼1Cr17Ni2，而相應(yīng)的軸承材料選擇1還是2，則需要參照照下部分的磨損實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來確定。

圖5 配副材料在干摩擦下摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Curves of Friction Coefficient with Changing Time of the Pair Materials Under Dry Friction

幾種材料組合的磨損量測定結(jié)果都較為接近，如表4所示。磨損量最大的組合是軸承材料2+轉(zhuǎn)子材料2，磨損量最小的組合是軸承材料1+轉(zhuǎn)子材料2，參照上一部分的摩擦系數(shù)測定結(jié)果，可以選定軸承材料1+轉(zhuǎn)子材料2為摩擦副使用材料。即巴氏合金ZChSnSb11-6作為軸承材料，不銹鋼1Cr17Ni2作為轉(zhuǎn)子材料來使用。這樣會在極端工況即有碰磨發(fā)生時(shí)體現(xiàn)出良好的減摩抗磨性能。

表4 磨損量測定結(jié)果Tab.4 The Wear Volume Determination Results

3.3.2 粘-溫特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

常見的精密機(jī)床靜壓轉(zhuǎn)臺的靜壓軸承，其供油溫度為20℃，轉(zhuǎn)臺運(yùn)行時(shí)軸承的的溫升約在（20～40）℃之間，這就使得軸承潤滑油的工作溫度在（40～60）℃區(qū)間范圍內(nèi)，必須為其選擇一種在這一溫度區(qū)間內(nèi)粘-溫特性較為穩(wěn)定的潤滑油，這將有利于保持軸系的穩(wěn)定運(yùn)行及精度保持。

利用粘-溫特性實(shí)驗(yàn)獲得的兩種待選潤滑油1（25#液壓油）和滑油2（32#液壓油）在（20～100）℃范圍內(nèi)的粘-溫特性曲線，如圖6所示。圖中可以看出隨著溫度的增加兩種潤滑油的粘度都在急劇的下降，40℃時(shí)潤滑油1和2的粘度分別為20℃時(shí)的34.3%和23.6%，60℃時(shí)潤滑油1和2的粘度分別為40℃時(shí)的43.8%和34.5%，80℃時(shí)潤滑油1和2的粘度分別為60℃時(shí)的33.3%和24.3%，而到100℃時(shí)其二者粘度將近跌至零點(diǎn)，總體來看潤滑油1粘度值的跌幅小于潤滑油2。由以上分析可見，在轉(zhuǎn)臺軸承潤滑油的工作溫度（40～60）℃區(qū)間內(nèi)，25#液壓油的運(yùn)動粘度隨溫度變化的幅度較小，其粘-溫特性較32#潤滑油穩(wěn)定，故選擇25#液壓油為使用油。

圖6 潤滑油粘-溫特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Oil Viscosity-Temperature Characteristics Experiment Results

4 結(jié)論

（1）針對精密機(jī)床靜壓轉(zhuǎn)臺軸承-轉(zhuǎn)子摩擦副的材料選型問題，通過對其使用工況的分析，獲得了對軸承-轉(zhuǎn)子摩擦副的材料選型方案，該方案重點(diǎn)考察摩擦副的摩擦磨損性能及潤滑油的粘-溫特性；

（2）根據(jù)選型方案，對幾種備選的摩擦副材料（轉(zhuǎn)子材料、軸承材料及潤滑油）進(jìn)行了摩擦磨損實(shí)驗(yàn)及潤滑油粘-溫特性實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析和評價(jià)；

（3）獲得了一組最佳的軸承-轉(zhuǎn)子摩擦副材料搭配即巴氏合金ZChSnSb11-6作為軸承材料，不銹鋼1Cr17Ni2作為轉(zhuǎn)子材料來使用。選擇25#液壓油為使用油，其較為穩(wěn)定的粘-溫特性將有利于保持軸系的穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）研究結(jié)果可為精密機(jī)床靜壓轉(zhuǎn)臺摩擦副設(shè)計(jì)及材料選型提供參考。