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水潤滑陶瓷主軸研(yán)究現狀與關鍵技術
2020-4-18  來(lái)源:天津大(dà)學先進陶瓷與加工技術教育部重點實驗  作者:閆帥,林彬,張曉峰

     摘要:介紹了水潤滑陶瓷主軸的概念和特點(diǎn),概述了水潤滑陶瓷主軸在國內外的發(fā)展趨勢和工業應(yīng)用,對(duì)水潤(rùn)滑陶瓷主軸的關鍵技術和急需解(jiě)決的問題從4個方麵進行(háng)了評述,主要包(bāo)括:1)材料摩擦學方麵,需加強對低成本、高性能水基潤滑添加劑、高韌性矽基陶瓷材料、長壽命陶(táo)瓷塗層的研(yán)究;2)軸承潤滑建模與分析方麵,需綜合考慮陶瓷零件(jiàn)加(jiā)工精度、水基潤滑劑非牛頓效應、高(gāo)速湍流效應、溫黏效應等因素,實現精確建模與分析;3)高速主軸軸承-轉子係統非線(xiàn)性動力學方麵,需借助降階分析(xī)理論的最(zuì)新成果,實現係統非線性行為的精(jīng)準預測與調控;4)表麵織構在水潤滑陶瓷主軸上的應用方麵,需加強(qiáng)對表麵織構(gòu)和宏觀(guān)結構(gòu)的協同效應、表麵織構的設計與優化,以(yǐ)及陶瓷表麵織構的低成本高效加工方法的研究(jiū)。
  
    關鍵詞:金屬(shǔ)切(qiē)削機床;水潤滑;主軸;陶(táo)瓷(cí)摩擦(cā)學;轉子動力(lì)學;降階方法;表麵織(zhī)構
  
    高速(sù)加工技術源於1931年德國學者SALOMON 提出的假設,即當切削速度超過某閾值時切(qiē)削溫度反而會下降。在此理論基礎上,經過幾十年(nián)的發展,高速加工技術因(yīn)高切削效率、高加工精度、低切削(xuē)力、低刀具磨(mó)損等優異特性,已成為先進製造技(jì)術(shù)領域(yù)一種不可缺少的加(jiā)工方式。對於航空發動(dòng)機、燃氣輪機、精密(mì)模具等行業(yè),高速加工已成為世界各大裝備製(zhì)造商的首選[1-2]。高速加工機床是實現(xiàn)高(gāo)速加工的載體,而機(jī)床主軸作為核(hé)心基礎部件(jiàn)決定了機床的性能(néng)水平。機床(chuáng)領域(yù)的3位權威專家ABELE,ALTINTAS 和BRECHER[3]對下一代高速、高性能機床主軸提出了以下要求:1)主軸需同時具備高(gāo)扭矩和高轉速特性,從而勝任磨削、銑削和鑽削(xuē)多種工藝;2)降低主軸功耗,包括驅動、軸承(chéng)和冷卻等方麵;3)具(jù)備加工鈦合金等難
加工材料的能力。
  
    高速機床主軸常用的軸承形式包括滾動軸承、氣浮軸承、液浮軸承、磁懸浮軸承等,其(qí)中液浮動(dòng)靜壓軸承具有支撐剛度大、阻尼減震性強、回轉(zhuǎn)精度高、理論壽命無限大等突出優勢,尤其適用於大負載(zǎi)、高功率加工[3]。但是,液浮動靜(jìng)壓主軸通常采用潤滑油作為潤滑介質,高速工況下潤滑油受剪切作用溫升(shēng)嚴重,導致芯軸和(hé)軸瓦膨脹,輕則會引起加工精度下降(jiàng),重則會導致主軸出現抱死事故。為了解決此問(wèn)題,主軸領域的研究者開始探索用水作(zuò)為潤滑劑替代潤滑油,由(yóu)於水的比熱容大且黏度低,因而在相同主軸(zhóu)轉速下,水潤滑主軸(zhóu)的溫升會遠低於油(yóu)潤滑主軸[4-5]。金屬材料(liào)在水潤滑下(xià)易於腐蝕,而工程陶瓷材料因具有高耐腐(fǔ)蝕性而受到青睞;同時,陶瓷材料兼具耐磨性好、剛性高和熱膨脹係數低等特性[6],尤其是矽基陶(táo)瓷材料(liào),在水潤(rùn)滑條件下,其摩擦係數在短暫磨合後下降至0.001量級,呈現出“超滑”狀(zhuàng)態(tài)[7-10]。因此,水潤滑陶瓷軸承完全(quán)契合了下一代高速、高性(xìng)能機床主軸(zhóu)的苛刻要求,多家世界頂級研究(jiū)機構已將其作為重點研發對象(xiàng)。
  
     1、水潤滑陶瓷主軸發展趨勢
  
     20世紀90年(nián)代,美國麻省理工學院的SLOCUM 等[11]首次將水潤滑陶(táo)瓷軸承應用於精密機床,但是此時的(de)應用場合不(bú)是機床主軸而是機床導軌(guǐ)。當時,由(yóu)於陶瓷工件磨屑的侵入,陶瓷加工(gōng)機床(chuáng)金屬(shǔ)導軌的使用壽命並不能滿足要求。為解決此問(wèn)題(tí),麻省理(lǐ)工學院(yuàn)和 CoorsTek公司合作開發了世界上首台采用(yòng)水潤滑陶瓷靜壓導軌的磨(mó)床(如圖1所示(shì)),此磨床的靜壓導軌采(cǎi)用氧化鋁陶瓷材料製造,以水作為潤滑(huá)劑,此磨床經過全負(fù)荷運轉10年時間,在無任何維(wéi)護的情況下始終保持亞微米級精度[12]。1998年,英國克蘭菲爾德(dé)大學的 CORBETT 等[13]首次闡(chǎn)述了水潤滑陶(táo)瓷軸承在高速精密機床主軸上(shàng)應用的前景,總結了(le)水潤滑陶(táo)瓷軸承的優(yōu)勢(shì),包括:1)與(yǔ)常規軸承材料相比,陶瓷材料具有更高的耐磨性和耐腐蝕性,且其高剛度和低膨脹特性(xìng)使機床主軸的精度保持性更佳;2)與油(yóu)相比,水的高比熱和低黏度特性使主軸溫升更低,更具有環保性。2001年,在精密加工領域具(jù)有統治地位的美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室開始創辦下一(yī)代超精密磨削車削複(fù)合加工(gōng)中心———POGAL,主軸采用與英國(guó)克蘭菲爾德大學合作開發的水潤滑多孔陶瓷靜壓軸承,圖2所示為(wéi) POGAL機床示意圖及(jí)其(qí)水潤滑陶瓷軸承主軸[14]。值得(dé)一提的是,負責POGAL機床設計的 HALE博士[15]畢業於麻省理工學院,其導師正是 SLOCUM 教授。2010年,克蘭菲(fēi)爾德大學(xué)首次介紹了多孔質氧化鋁陶瓷靜壓軸(zhóu)承的燒結方法(fǎ)[16],並對單個水潤滑多孔陶瓷軸(zhóu)承開(kāi)展了台架(jià)實驗測(cè)試[17],結果顯示其剛(gāng)度、溫升、流量、功耗等各項指標均比傳(chuán)統軸承提升50%以(yǐ)上(shàng)。但是,由於此軸(zhóu)承所采(cǎi)用的多孔質氧化鋁陶瓷需經(jīng)專(zhuān)門燒結製(zhì)備,工藝流程複雜,目前克蘭菲爾德大學的研究僅完成了單軸承台(tái)架試驗,水潤滑(huá)陶瓷主軸整機的研製工作尚(shàng)待開展。世(shì)界著名的主軸製造商均將高轉速、高扭矩(jǔ)、高剛度的水(shuǐ)潤滑主軸作為重點研發對象,IBAG 公司開發的40 000r/min主軸功率達到50kW,Fischer公司提出(chū)的40 000r/min主軸功率高(gāo)達80kW,由於技(jì)術保密(mì)原(yuán)因,尚未公開主軸的具體結構[5]。
  
  

圖1 麻省理工學院和 CoorsTek合作研製的采用(yòng)水潤滑陶瓷靜(jìng)壓導(dǎo)軌的磨(mó)床
 
  
  
圖2 美(měi)國勞倫斯(sī)·利(lì)弗莫爾國家實驗室下一代超精密磨削車削複合加工中心———POGAL

   
     東南大學(xué)、西安交通大學、天津大學等機構在水(shuǐ)潤滑陶瓷主軸的研究(jiū)方(fāng)麵開展了各具特色的工作。東南大學在水潤滑主軸方麵開展(zhǎn)了全麵研(yán)究(jiū)工作,包括抗空(kōng)蝕軸承材料、水潤滑軸承主軸的結構設計與優化、高速水潤滑主軸的靜動態特(tè)性和水潤滑主軸轉子動力學特性等[18-21]。針對高速(sù)水潤滑軸承材料易(yì)空蝕失效這一(yī)問題,提出把陶瓷塗(tú)層技術運用到主軸上,具體包括將氧(yǎng)化鋁陶瓷塗層沉積到鋁合金軸瓦上、將類金(jīn)剛石(DLC)塗層製備到不鏽鋼軸瓦上和將鈦(tài)基陶瓷塗層沉積到合金(jīn)軸徑上等,並開展了高(gāo)速水軸承材料抗空蝕的台(tái)架試驗(yàn)研究[19-21]。西安交通大學在水潤滑軸承領域的研究極(jí)大推動了中國在此方向的發展,研究內容包括節流器節流係數、流固耦合傳熱計算、密封結(jié)構、陶(táo)瓷軸瓦熱特性、主軸動力學、水潤滑軸承試(shì)驗等各個方麵[22-25]。近期,西安交(jiāo)通大學針對(duì)動靜壓陶瓷軸承的熱特性(xìng)開展了係統性研究工作,采用氧化鋁陶瓷(cí)製造了動靜壓(yā)軸承的軸瓦,通過實(shí)驗(yàn)對比了(le)氧化鋁陶瓷和傳(chuán)統錫青銅軸瓦的性能,經數值(zhí)計算方法(fǎ)計算了3種陶瓷材料的極限工作溫(wēn)度。計算結(jié)果表明:相對於錫青銅材料,氮化矽、氧化鋁(lǚ)和碳化矽3種陶瓷材料分別能夠使水潤滑軸承的極限工作溫度提高(gāo)21.7%,27.2%和30.7%。沈(shěn)陽建築大學在全陶瓷主軸領域開展了開創性(xìng)的工作,將傳統陶瓷球軸(zhóu)承的內圈與(yǔ)主軸融為一體,提出了一種無內圈式高速陶瓷電主軸單元(yuán),並針對陶瓷軸承、主軸電機、精密(mì)加工和裝配等陶瓷電主軸關鍵技術開展了(le)係統性研究[26-27]。天津大學從2003年起開展水潤滑陶瓷軸承主軸的研究工作,提出(chū)了一(yī)種基於黏度可調水基潤滑劑的水潤滑陶瓷軸承主(zhǔ)軸,主要研究內容包括:1)為解決純水(shuǐ)黏度過低的問(wèn)題,提出了在水(shuǐ)中加入增黏劑,形成黏度可控(kòng)的綠色水基潤滑劑[28-29];2)開展了各種工程陶瓷材料摩擦磨(mó)損試驗,發現(xiàn)矽基陶瓷水基潤滑下摩擦(cā)係數能夠低至(zhì)0.001量級[7,30-31];3)開展了軸承的熱彈性流體動(dòng)力潤滑計算[32];4)針對高速軸承(chéng)-轉子係統的非(fēi)線性動力學開展研究,包括潤滑劑非牛頓效應[33]、非線(xiàn)性阻(zǔ)尼支撐的影響[34]等;5)針對陶瓷材料斷裂韌性較低這一難題,設計了全包容性(xìng)的陶瓷軸承結構和主軸結構,已獲得多項(xiàng)國家發明專利授權[35-36];6)研(yán)製了完全采用水潤滑陶瓷軸(zhóu)承的電主軸樣機,並開展了樣機試驗[37]。

     綜上,水潤滑(huá)陶瓷(cí)主軸是水潤滑技術和陶瓷軸承(chéng)技(jì)術相(xiàng)結合的一種高速高性能機床主軸形式(shì),無論在學術界還是(shì)在工業界均受到廣泛關注。但是水潤滑陶瓷主軸(zhóu)涉及到材料摩擦學(xué)、軸承潤滑理論、轉子動力學、軸承設計與精密加(jiā)工等多方麵的關鍵技術,尚存在一係列問題需要突破。
  
     2、關鍵技術(shù)研究進(jìn)展
  
     2.1 水(shuǐ)潤滑陶瓷摩擦副的“超滑效應(yīng)”及其(qí)摩擦學研(yán)究
  
     “超滑效應”通(tōng)常指2個物體表麵之間的滑動摩擦係數在0.001量級或者更小的潤滑狀態[38]。1987年,TOMIZAWA 和FISCHER[8]首次發現:在水潤滑條件下,自配副矽基陶瓷材料能夠在6.5cm/s的相對滑動速(sù)度、4.91N 的載荷下,實現低於0.002的摩擦係數,此現象的發(fā)現開啟了陶瓷材料水潤滑摩擦學的研究。常用(yòng)的工程陶瓷(cí)材料主要包括(kuò)碳化矽、氮(dàn)化矽、氧化鋁、氧化鋯等[6],為探究在水潤滑條(tiáo)件下具有最(zuì)佳摩擦磨損特性的陶瓷摩擦副材料,研究者對常用陶瓷材料開展了比(bǐ)較全麵的摩擦學實(shí)驗研究。
  
    芬蘭國家技術研究院的 ANDERSSON 等[39-43]對各種陶瓷材料(liào)進行了自配副和互配副的摩擦磨損試驗,試驗形式 包括球-盤試驗(yàn)、軸-軸套試驗,試驗條件涵蓋了幹摩擦(cā)、水潤滑等多(duō)種工況。試驗結果發現(xiàn):1)陶瓷材料自配副相對於互配副表現更優;2)自配副碳化矽陶瓷在水潤(rùn)滑下具有最高的承載能力;3)自配副碳化矽在水潤滑10 000次重複啟停試驗後磨損量最低;4)自配副氮化矽具有最低(dī)的摩擦(cā)係數。在國際摩擦 學 領 域 負 有 盛 名 的 日 本 東 北 大 學KATO 課題組對水潤滑陶(táo)瓷摩擦學研究做出了巨大貢(gòng)獻(參見圖3),包括如(rú)下研(yán)究內容:1)解釋了矽基陶瓷材(cái)料超滑效應的機理,由於雙(shuāng)電層效應形成極低的摩擦係數[44],陶瓷表麵的摩擦化學反應使其表麵生成膠狀二(èr)氧化矽膜;2)係統分析了自配副氮化矽和碳化矽的摩擦(cā)磨損機理(lǐ)[45-47];3)將(jiāng)水潤滑/碳化矽摩擦副與(yǔ)油潤滑/金屬摩(mó)擦副(fù)進行了對比,發現水潤滑/碳化矽摩擦副在承載能力、動壓潤(rùn)滑臨界(jiè)條件、耐磨性方麵具有較大優勢[10]。美國(guó)國家標準和技術研究院的學者對矽基陶瓷材料在水潤滑下的摩(mó)擦(cā)化學(xué)反應進行了深入探討,並(bìng)對各(gè)種(zhǒng)醇(chún)類添加劑的(de)作(zuò)用(yòng)開展了研究[48-50]。蘇黎世聯邦理工學院的學者通(tōng)過在水中加入高分子刷狀添加劑,有效降低了自配副氮化矽和碳化矽摩擦副的摩擦係數,提高了承載能力[51]。
 
  
  
圖3 日本東北(běi)大學發(fā)表的(de)水潤滑碳化矽(guī)摩擦副與油潤滑金屬(shǔ)摩擦副的性能對比數據

   清華大學通過在水中加入丙三醇、硼(péng)酸(suān)、磷酸等添加劑,使氮化矽(guī)/藍(lán)寶石玻(bō)璃摩擦副在高達1.5GPa的載荷下,實現了低至0.003的摩擦係數[9,52]。中國科學院蘭(lán)州化學物理研究所在水潤滑陶瓷材(cái)料摩擦學(xué)方麵進行了多年研究,近期研究了水潤(rùn)滑條件下矽基陶瓷材料與 Ti3AlC2 陶瓷配對後的摩擦磨(mó)損特性[53-54]。南京航空航天大學近期在離子注入、陶瓷塗層對摩擦學特(tè)性的影響方麵(miàn)也取得(dé)一係列進展[55-57]。天津大學在水潤滑陶瓷摩擦學方向的研究內容主(zhǔ)要包括各種工程陶瓷材料的自配副(fù)與互配副(fù)摩(mó)擦磨(mó)損性能、水基綠色潤滑劑下(xià)氮化矽與碳化(huà)矽(guī)摩擦學性(xìng)能對比[31]、矽基陶瓷材料在(zài)低元醇水溶液中(zhōng)的超滑效應[7,30]等。水潤滑矽基陶瓷材料“超滑效應”的發現,以及(jí)自配副碳化矽高承載(zǎi)、低磨損機理的探明,為實(shí)現低摩擦高耐(nài)磨水潤滑主軸提(tí)供了有力的技術支撐。但是,在以下幾(jǐ)個方麵的研究還需要深入:在水基潤滑添加(jiā)劑方麵,仍然存在添加劑(jì)成(chéng)本高、壽命短等問題;在陶瓷軸承材料方麵,雖然目前已通過結(jié)構設(shè)計(jì)提高了陶瓷軸承的可靠性,但是如果能夠開發出斷裂(liè)韌性更高(gāo)的耐衝擊陶瓷材料,將極大簡化(huà)陶瓷主軸結構,降低(dī)成本(běn);在陶瓷塗層方麵,需要開發適用於主軸的耐磨損、耐(nài)腐蝕塗(tú)層。

    2.2 高(gāo)速水潤滑主軸軸(zhóu)承潤滑建模與分析研究
  
    高速水潤滑主軸軸承潤滑建模與分析需(xū)考慮軸承結(jié)構、高速湍流、熱效應、彈性變形等多方麵因素,目前國內外研究機構已開展了(le)一係列研究。美國德克(kè)薩斯 A&M 大學在水潤滑主軸靜(jìng)動態特性(xìng)分析與試驗方麵(miàn)的研究(jiū)比較深入(rù),包括:1)基於湍流理(lǐ)論分析了水潤滑靜壓軸承不對中的影響[58];2)針對小(xiǎo)孔(kǒng)節流動靜壓(yā)水潤滑(huá)軸(zhóu)承的(de)轉子動力學特性進行了研究[59];3)開展了基於 Moody湍流模型的(de)靜壓軸承熱動力學研究,結果表(biǎo)明:水潤滑靜壓軸(zhóu)承雖然有外部高壓供給,但是當轉速(sù)超過臨界值時同樣會出現劇烈的(de)“半頻渦動”[60]。日本東京理科大學在水潤滑主軸的研究方麵對帶有螺旋槽的水潤(rùn)滑(huá)靜壓圓錐軸承主軸的穩定性開(kāi)展了研(yán)究[61],並對薄膜節流水潤(rùn)滑靜(jìng)壓推力(lì)軸承開展了研究[62]。

    西安交通大學的相(xiàng)關(guān)研究主要包括:1)基於bulk-flow 熱(rè)流體模型分析了深淺腔動靜壓(yā)軸承的性能[25];2)考(kǎo)慮湍流效應和(hé)熱效應分析了主軸的特性,發現在高轉速下(xià)動壓效(xiào)應對動靜壓軸承性能(néng)起主(zhǔ)導作用(yòng)[24];3)對水潤滑主軸開展了試驗(徑向軸承采用水潤滑(huá)軸承、止推軸(zhóu)承采用滾動軸(zhóu)承),DN 值達(dá)到120萬 mm·r/min[22]。東南大學的研(yán)究主(zhǔ)要包括:1)針對深淺腔軸(zhóu)承的湍流效應,基於bulk-flow 模型修正湍流(liú)雷諾方程和能量方程,求解得到 主軸(zhóu) 特性(xìng)[20];2)針對高速離心力問題開展研究,結果顯示離心力會降低軸承剛度[18];3)針對軸承傾(qīng)斜(xié)效應開展(zhǎn)研究[63]。北京科技大(dà)學針對燃料電池汽車增壓器研製了超高速(sù)水潤滑主軸,主要研究包括:1)針對高速穩定性問題(tí),對比了2種軸承液腔形式的動力學特性和臨界轉速[64];2)研究了抗振性能,DN 值到達155萬 mm·r/min[65]。天津大學針對(duì)水潤滑陶瓷軸承的動(dòng)態特性開展了一係列研究工作,包(bāo)括:1)針對水基潤滑(huá)多孔質節流(liú)器的(de)陶瓷動靜壓軸承,采用求解修正 Reynolds方程(chéng)並調用有限元(yuán)分析(xī)軟件的方法,完成了軸承的 TEHD 數值理論計算與黏度、結構優化分析[66];2)開展了基於(yú)非牛頓流體潤滑的軸承-轉子係統非線性動力(lì)學分析[33];3)對非線性阻尼支撐及軸承參數對係統非線性行為的影響進行了討論[34]。

    當前在水潤(rùn)滑主軸軸承潤(rùn)滑建(jiàn)模與分析方(fāng)麵已取得一定進展。但(dàn)是,針對高速水潤滑陶瓷(cí)主軸的特點,需要綜(zōng)合考(kǎo)慮陶(táo)瓷軸承加工(gōng)精度及表麵粗糙度、水基潤滑劑的非牛頓流體效應、高速湍(tuān)流效應、溫黏效應等因素,建立水潤滑陶瓷軸承潤滑理論(lùn)精確模型,進而開展主軸靜動態(tài)特性分(fèn)析。
  
    2.3 降(jiàng)階分析方法在(zài)高速(sù)軸承-轉子係統分析中(zhōng)的應(yīng)用(yòng)研究(jiū)
  
    在複雜力學係統、流體機械等係統設計中,都涉及到複(fù)雜動力係統的設計、仿真、優化與控製,這些係統一般采用微分方程描述,方程的維數通常(cháng)比較(jiào)高,給(gěi)設(shè)計和仿真帶來(lái)了巨大挑戰。研究者一直致力於尋找能夠在(zài)降低係統規模的同時,還能夠保持固有性質或結(jié)構的有(yǒu)效(xiào)方(fāng)法,模型降階分析方法就是處理大(dà)型係統近(jìn)似過程的一類有效方(fāng)法[67],主要包括:本征正交分解技術(shù)(proper orthogonal decomposition,POD)方法、特征模態法、諧波平衡法、係(xì)統辨識法、基於中(zhōng)心流形的降階方法(fǎ)、Lyapunov-Schmidt(L-S)方法、非線性 Galer-kin方法等(děng)[68-69]。超高速水潤滑陶瓷主軸係統(tǒng)是典型的複雜流固耦合係(xì)統,其軸承-轉子非線性動力學(xué)特性的建模與求(qiú)解急需最新(xīn)的降階分析理(lǐ)論作支撐。
    
     美國德克薩斯 A&M 大(dà)學針對(duì)高速渦輪轉子與定子(zǐ)的耦合(hé)作用,基於 Galerkin法對係統進行了降維建模,取得了很好的效果[70]。伊利諾伊大學對受碰摩影響的懸臂軸承-轉子係統進(jìn)行了降維分(fèn)析數值計算及試驗驗證[71]。美國杜克大(dà)學的研究人員在複雜流固耦合係統的降階理論和試驗方麵(miàn)開(kāi)展深入研究,最新成(chéng)果(guǒ)包括:1)針對高超(chāo)音速飛行(háng)器壁板的非線性顫振問題,提出了高(gāo)效 POD 降階方法,計(jì)算效率(lǜ)比傳統投影POD方法提高2個數量級(jí)[72];2)針對非穩態空氣動力學(xué)響應的簡化建模問題,提出了一種非線性狀態空間基識別方法,具有良好的穩定性[73];3)近期具有突破性(xìng)的進展是(shì)針(zhēn)對 N-S方程的降階研究(jiū),基於 POD 方(fāng)法構建了具有穩定性的低階 N-S方程。與傳統的基於經驗湍流模型(xíng)或修正模型所不同的是,此方法給出了不同於傳統POD 基函數的空間基函數,在高雷諾數湍流模擬(如圖4所示)中計算效率比傳統方法提高2個數量級以上[74-76]。
 
  

圖4 杜克大學用降(jiàng)階方法對高雷諾數湍流(liú)開展精確模擬

     2.4 表麵織構在水潤滑陶瓷主軸上的應用研究
  
     表(biǎo)麵(miàn)織構是在物體表麵通過主動設計和加工,製備出按照預設規則(zé)排布的微細結構[83]。近10年來,表麵(miàn)織構作為一種可以顯著提高(gāo)界麵性能(néng)的方法,成為界麵(miàn)科學領域的研究熱點[84]。目前,表麵(miàn)織構(gòu)已被成功應(yīng)用於減摩、抗磨(mó)、減振等領域。激光(guāng)加工工藝的成熟使不同類型、尺寸表麵織構的低成本加工(gōng)逐漸成為可能。圖5所示為楊成娟等[85]通過納秒激光製備的鈦表麵織構。在傳統動靜(jìng)壓軸承結構(gòu)設(shè)計中,通常采用優化液腔結構、尺寸和數量等方式提高軸(zhóu)承的承(chéng)載能(néng)力和動態穩定性。將表麵織構引入軸承設計中,通(tōng)過對軸承表麵宏觀結構和微(wēi)觀織構的協同優化,形(xíng)成功能化多尺度界(jiè)麵,將極大改善水潤滑(huá)軸承的承載能力和動態(tài)穩定性。中國高校在(zài)複雜(zá)軸承-轉子係統的降階(jiē)分析研究方麵取得了一(yī)係列進展。哈爾濱(bīn)工業大學的研究主要包括:1)針對(duì)高維非線性軸承-轉子(zǐ)係統的降階與(yǔ)動特性問(wèn)題,提出了預估校正 Galerkin法[77];2)針對油(yóu)膜失穩、裂紋、碰摩等故障,提出了非(fēi)線性瞬態 POD 方法[78];3)基於慣性流形方法與本征正交分解方法提(tí)出一種改進(jìn)的 POD 降維(wéi)方法[79]。東北(běi)大學采用固定界麵模(mó)態綜合降維法,將原高維係統轉換(huàn)為低維係統,采用Newmark-β法求解[80]。天津大學將非線性(xìng) Galerkin方法用於(yú)連續轉子-軸承-密封係統的(de)非線性動(dòng)力學演化(huà)規律分(fèn)析[81],並應用於滾動軸承不對中、碰摩故障引起的(de)複雜(zá)非線性問題[82]。
  
    上述降階方法(fǎ)目前主要應用(yòng)於(yú)常規軸(zhóu)承-轉子(zǐ)係統(tǒng)的分析,對於水潤(rùn)滑陶瓷主軸需要根據主軸(zhóu)特征開(kāi)展降階分析方法的適用性研究。綜(zōng)上,流固耦合係統穩定性降階理論和軸承-轉子係統非線性降階理論的最新(xīn)進展,為開(kāi)展高速水潤(rùn)滑陶(táo)瓷主軸的(de)非線性動(dòng)力學(xué)分析提供了嶄新的理論工具,有望在(zài)極高的(de)計算效率下精確反映係統的非線性特征,從而(ér)實現對主軸非線性動力(lì)學行為的精準預測與調控。
 
  

圖5 通過納秒激光(guāng)製備的(de)鈦表麵織構

  
    表麵織(zhī)構能夠有效提高水潤滑陶瓷摩(mó)擦副的承載能力。最為著名(míng)的是日本東北大學的 WANG 等[10]將織構化的水潤滑碳化(huà)矽摩擦副和油潤滑錫青銅摩擦副進行對(duì)比,發現水(shuǐ)潤滑碳化矽摩擦副形成(chéng)動壓潤滑所需的臨界值僅為(wéi)後者的1/15,而且織構化後摩擦係數降至驚人的0.000 6,研究人員還對碳化矽表麵單一及混合織(zhī)構(gòu)的承載力進行了對比,發(fā)現混合織構高於單一大或小單元織構表麵(miàn)的承載力[86]。
  
    表(biǎo)麵織(zhī)構還能夠提高水潤(rùn)滑轉子的穩定性。西(xī)安(ān)交通大學對水潤滑無織構(gòu)轉子和有織構轉子(zǐ)的振動進行測試,實(shí)驗(yàn)結果(guǒ)表明,在相同供(gòng)水壓力和轉速條件下,有織構(gòu)轉子較無織構轉子的(de)相對振動量下降幅度超過60%,即使在發生水膜振蕩的情況下,表麵(miàn)織(zhī)構依然可以顯著減小轉子的振動(dòng)[87]。2018年,英國南安普頓大學[88]、德國卡爾斯魯厄工業大學[89]、美國路易(yì)斯(sī)安那州立(lì)大學[90]相繼發表了表麵織構對軸承性能優化的研(yán)究成果。

    綜上,通過表麵織構提高軸承承載能力(lì)、改善軸承轉子係統的(de)穩定性已成為(wéi)研究熱點。但是,在高(gāo)速水(shuǐ)潤滑陶瓷主軸上成功運用表麵(miàn)織構提高主軸性能,還需要在以(yǐ)下幾個方麵開展深入研究:1)表麵織(zhī)構和宏觀結構的協同效應;2)表麵(miàn)織構的設計與(yǔ)優化;3)表麵織構的低成本、高效加工方法。
  
    3、結論與展望
  
    高速高性能機床是(shì)世界各國先進製造業競爭的製高點,水潤滑陶瓷主軸因具有高轉速、高精度、高負載、低能耗等特性,被視為下一(yī)代高性(xìng)能機床的核心部件。國內外學術和工業界對水潤滑陶瓷主軸已開展了十幾年的(de)研究,研究結果已初步展示出其優異性能(néng)。但是,水潤滑陶瓷主軸涉及摩擦學(xué)、潤滑理論、計算方法、表麵工程等多領域內容,在以(yǐ)下4個方麵還需開展(zhǎn)更為深入(rù)的研究工作。

    1)在水潤滑(huá)陶瓷材料摩(mó)擦學方麵,主要包括低成本高性(xìng)能(néng)水基潤滑添加劑、高韌性耐衝擊矽基陶瓷材(cái)料、長壽命陶瓷塗(tú)層(céng)等。
    2)在水潤滑陶(táo)瓷軸承潤滑建模與(yǔ)分析方(fāng)麵(miàn),需綜(zōng)合考慮陶瓷零件加工精度、水基潤滑劑非牛頓效應、高(gāo)速湍流效應、溫黏效應等因素,建立更為精確的(de)潤滑理論模型,進而開(kāi)展(zhǎn)主軸靜動態特性方麵的分析。
    3)在高速主軸軸承-轉子係統非線性(xìng)動力學方麵,需借助流固耦合降階理論和軸承-轉子非線性(xìng)降階理論的最新成(chéng)果,在更高(gāo)的計算效率下精確求解係統(tǒng)的非線性特征,實現係統非線(xiàn)性行為的精準預測與調控。
    4)表麵織構在水潤滑陶瓷主軸上的應用方麵,主要包括表麵織構和宏觀結構的協同效應、表麵織構的設(shè)計與優(yōu)化和表麵織(zhī)構(gòu)的低成本(běn)高效(xiào)加工方法。

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