摘　要:為了（le）減少熱變形,提高高速精密磨床砂輪主軸係統的精度,將隔熱塗層應用於深淺油腔動靜壓軸承.應用FLUENT 和ANSYS 兩個有限元（yuán）軟件（jiàn）聯合仿真分（fèn）析了不同厚度與不同熱導率的隔熱（rè）塗層在不（bú）同的（de）動靜壓軸承供油壓力、主軸轉速等因素下的（de）軸承熱結構特性.結（jié）果表（biǎo）明:動靜（jìng）壓軸承的溫度和熱變形以及它們（men）的均布程度,都（dōu）隨（suí）著隔熱塗層厚度的（de）增大逐漸降低,隨（suí）著（zhe）隔熱塗層熱導（dǎo）率的（de）減小而減小,隨著軸承供油壓力的增加而減小（xiǎo）,隨著軸承主軸轉速的減（jiǎn）小而減小;隔熱塗層還（hái）具有均化軸承溫度場和熱變形分布的作用.高性能隔熱塗層將明（míng）顯降（jiàng）低軸承主軸熱（rè）變形並且使其熱變形均布,最終明顯提高高速精密磨床砂輪主（zhǔ）軸係統的加工精度.

     關鍵詞:高速精密磨床;主軸;液體動靜壓軸承;隔熱塗層;溫度場;熱變形
   
     熱誤（wù）差是（shì）數控機床的主要誤（wù）差源之一,由溫度升高以及分布不均引（yǐn）起的誤差占機床總誤差的40%~70%,對於磨床這樣（yàng）的超精密機床影響尤其重大,熱問題已經成為了影響精密磨削機床精度的（de）關鍵因（yīn）素[1-2].熱誤差是指機床部件在（zài）加工過程中因溫度變化而（ér）發生熱變形（xíng）,導致工件和刀具之間產生的相對位移.其對工件加（jiā）工精度產生不利影響.對於高速精密磨床而言（yán）,砂輪主軸係統性能（néng）至關重要,而決定主軸性能的關鍵部件就是軸承.目前廣泛應用在高速精密磨床上（shàng）的軸承（chéng）為液體動靜壓軸承,它（tā）綜（zōng）合了靜、動壓軸承的特點（diǎn）,具有精（jīng）度高、剛性好、磨損小、承載能力強、使用壽命長、動態特性好等（děng）突出（chū）優點.
 
     動靜壓軸承（chéng）在高轉速、大載荷等工況（kuàng）下,存在較（jiào）高（gāo）溫升以及溫度分（fèn）布不均等（děng）問題,進而使軸承產生較大的和不均勻的熱（rè）變形,最終影響到磨床砂輪主軸的磨削加工精度（dù）.怎樣降低軸（zhóu）承的溫升和（hé）使溫升均布,從而減（jiǎn）小軸（zhóu）承（chéng）的熱變形和其對（duì）主軸係統精度的不利影響,已成為當下高速精密（mì）磨（mó）削機床主軸係統研究領域（yù）裏一項非常重要的（de）課題[3].在降低溫升的措施中,有較多（duō）的文獻（xiàn）提到了在內燃機、飛行（háng）器以及許多重要裝備上塗上隔熱塗層來進（jìn）行降低溫升和（hé）熱變形[4 - 5 ],並且取得了較好的效果.但目前隔熱塗層用到高速精密機床主軸軸承係統中來降低溫升和減少熱變形（xíng）還沒有報道.
 
     本文首次提出將隔熱塗層應用於（yú）高速精密磨床砂輪主軸液體（tǐ）動靜壓軸承,並建立油膜塗層軸承流固耦合計算分析模型,應用（yòng）FLUENT-ANSYS 兩個有限（xiàn）元軟件聯合仿真分析了不同（tóng）厚度與不同熱（rè）導率的隔熱塗層在不同的軸承供油（yóu）壓力、主軸轉速等因素（sù）下的軸承熱結構（gòu）特性,為隔熱塗層在高速精（jīng）密（mì）磨床動靜壓砂輪主軸上的應用提供理論依據.
 
     1 、油膜塗層軸（zhóu）承流固耦（ǒu）合（hé）模型
 
     1 .1 　軸承三維建模（mó）
 
     本文中的高速（sù）精密磨床砂輪主軸深淺腔動（dòng）靜壓軸承兼具靜壓（yā）和動壓的優點,其（qí）外部毛細管節流器的深油腔具有（yǒu）較高靜壓承載能力,同時（shí）在（zài）階梯淺（qiǎn）油腔及（jí）封油麵上產生較強的流體動壓承（chéng）載能力（lì）.工作原理就是主軸啟動時（shí）以深腔靜壓效應和（hé）淺腔階梯靜壓效應將主軸托起（qǐ）;主軸（zhóu）高速（sù）運轉時產生的淺（qiǎn）腔階梯效應以（yǐ）及淺腔動壓楔形效應會使軸承的動靜（jìng）壓承載能力大大增強,參數匹配得當就（jiù）可以有效地對（duì）軸承的承載能力、剛度以及溫升進行控製,是一（yī）種綜合性能較優的高速精密磨床砂輪主軸動靜壓軸承.軸（zhóu）承的結構和三維模型如圖1 所示(因模型（xíng）沿O-XY 平麵對稱(即軸承是軸向對稱的（de）),故可以隻取一（yī）半模型來提高計算效率).軸承的相關結構參數如表1 所示.
  

                 
  
                       
                                     表1 　軸承結構參數
  
     
   
      首先在FLUENT 流體（tǐ）分（fèn）析軟件GAMBIT 中建（jiàn）立油膜塗層軸（zhóu）承流固耦合分析模型,如圖1 中Z 軸為軸承軸向方向,X ,Y 軸為軸承徑向方（fāng）向.其次,對耦合模型劃（huá）分網格,網格數量過少則（zé）網（wǎng）格（gé）質及（jí）計算精度較低,網格數量過多則計算效率低,最終劃分了300 106 個六麵體網格單（dān）元（yuán）,如（rú）圖2(a)所示,圖2(b)為模型局部放大圖.
      
      

      
                            圖2　油膜塗（tú）層軸承模型網格圖

        
     圖3　不同厚度塗層的（de）軸承（chéng）溫度場分布
    
     

     
     圖4　不同厚度（dù）塗層的軸（zhóu）承徑向熱變形分布
     
    由圖3 可知（zhī）:該動靜壓軸承的溫度場在圓周向和軸向均（jun1）不是對稱分布的.該軸承最高溫度位於軸向封油麵處且在軸承油膜厚度（dù）最薄的區域附近,最（zuì）低溫度位於軸承進油孔（kǒng）的區域.由圖3 和圖4 可得到不同厚度隔熱（rè）塗層的軸承溫度及徑向最（zuì）大熱變形,如表5 所示（shì）.
 
                  表5　不同厚度塗層下的軸承（chéng）溫度及徑向最（zuì）大熱變形
  
    
  
     由表5 可知:1)軸（zhóu）承加了隔熱塗層後與沒（méi）有隔熱塗層相比,其（qí）最高溫度和熱（rè）變形有明顯的降低;而且隨著隔熱塗層厚度d t 的增大,軸承最高溫（wēn）度T max逐漸降低,軸承徑向最大熱（rè）變形逐漸減小,說明較厚的塗層（céng）具有較好的隔熱效（xiào）果;2)隨著塗層厚度d t 的增大,軸承最高溫度T max 和最低溫度T min 相差會越來越小,說明隔熱塗層（céng）越厚則軸承溫度場和熱變形
越（yuè）均布.所以隔熱塗層越厚則動靜壓軸承的溫度且（qiě）熱變（biàn）形越低且熱變形越均勻分布.
 
     2.2　不同熱導率塗層的軸承溫度場及熱變形當軸承偏（piān）心率為0.05,偏位角為15°,供油壓力為3MPa,主軸轉速為1 200 r/min,塗層厚度為0.5 mm,塗層種類分別為無塗層、聚碳酸酯塗層、矽酸鋁保溫塗層時,軸承的溫度（dù）分布及徑向熱變形如圖5 和圖6 所示.
  

    
  
     圖5　不同熱導率塗（tú）層的軸承（chéng）溫度場分布（bù）
     
     由圖（tú）5 可知:軸承最（zuì）高（gāo）溫度（dù）T max 位（wèi）於軸向封油（yóu）麵上且在軸承油膜厚度最薄的區域附近,最小溫度T min 位於潤滑油進（jìn）油通道的區（qū）域.當軸承無塗層時T max =35.89 ℃,T min =27.17 ℃;當采用聚碳酸酯塗層（céng）時T max =30.291 ℃,T min =29.024 ℃;當采用矽酸鋁保溫塗層時T max =27.713 ℃,T min =27.542℃.由（yóu）此可得,隨著（zhe）塗層熱導係數（shù）的降低（dī）,軸承最高溫度T max 逐漸降（jiàng）低（dī）;而且軸承最高溫度與最低溫度的差值也大大減（jiǎn）小,即軸（zhóu）承溫度場溫度均布,這說明低熱導率的隔熱塗層對軸承有很好的隔熱降溫效果,將明（míng）顯（xiǎn）降低軸承熱變形和使熱變形均布（bù）.
  

    
  
     圖6　不同（tóng）種類塗層下的軸承徑向熱（rè）變形分布
 
    由圖6 可得（dé）:軸（zhóu）承X 向最大熱變形隨著塗層熱導率（lǜ）的減小逐（zhú）漸減小.從數值上來看,當軸承無塗層時X 向最大熱變形值（zhí）為（wéi）8.267 μm,當塗層（céng）為聚碳酸酯塗層時（shí）其（qí）值為5.866 μm;當塗層為矽酸鋁保溫塗層時其（qí）值為4.34 μm.顯（xiǎn）然隨著塗層熱導率的（de）減小,軸承X 向最大熱變形逐漸降低（dī）而且熱變形更加均布,這說明較低（dī）熱導率隔熱塗層具有較好的隔熱和降低軸（zhóu）承熱變形效果.
   
     3　、隔熱塗（tú）層對（duì）軸承性能（néng）的影（yǐng）響分析
   
    3.1 　隔熱塗層厚度對軸承溫度及熱變形的影響為分析不同隔熱塗層厚度下動靜壓軸（zhóu）承供油壓力對軸承溫度及熱變形的影（yǐng）響規律,在主軸轉速取1 200 r/min,聚碳酸酯塗層厚度分別（bié）取0 mm,0.3mm,0.5 mm,供油壓力分別取2 MPa,2.5 MPa,3MPa,3.5 MPa,4 MPa,4.5 MPa,5 MPa 及軸承其它（tā）參數不變的條件下對其性（xìng）能進行了仿真分析,並提取軸承的最高（gāo）溫度值及徑向最大（dà）熱變形值,經Matlab 軟件數據擬合,結果如圖7 和圖8 所示（shì）.
 

                          圖7　塗層厚度供油壓力（lì）最高溫度關係
  

    
  
                       圖（tú）8　塗層厚度供油壓力徑向最大變形關係
     
   由圖7 可（kě）知,當隔（gé）熱塗層厚度d t =0.5 mm 且主軸轉速為1 200 r/min 時,軸承最高溫（wēn）度T max 在軸承供油壓力P s =2 MPa 時為最大值33.16 ℃,在P s =5 MPa 時為最小值28.54 ℃.由圖8 可知（zhī）當d t=0.5 mm 且主軸轉速為1 200 r/min 時,軸承X 向即徑向最大熱變形在P s =2 MPa 時為最大值7.859μm,在P s = 5 MPa 時為最小（xiǎo）值4.745 μm,差距明顯.
 
    由 圖7 和圖8 可得:隨著動靜壓軸承供油壓（yā）力的增大,T max 逐漸減小（xiǎo）,徑向最大熱變形逐漸（jiàn）減小（xiǎo）;隨著隔熱塗層（céng）厚度的增加,T max 逐漸降低,徑向最大熱變形逐漸降低.所以提高動靜壓軸承（chéng）供油壓力有利於降低動靜壓軸承的溫度和減小動靜壓軸承的熱（rè）變形,同時使軸承的溫度場和熱變形均布.而提高動（dòng）靜壓軸承供油壓力即提高（gāo）軸承的靜壓效應.
 
    為分析不（bú）同隔（gé）熱塗層厚度下主軸轉速對動靜壓軸承溫度及熱變形（xíng）的影響規律（lǜ）,在供油壓力為3 MPa,聚碳酸酯塗層厚度分別取0 mm,0.3 mm,0.5 mm,主軸轉速分別（bié）取1 000 r/min,1 100 r/min,1 200 r/min,1 300 r/min,1 400 r/min,1 500 r/min,1 600 r/min,軸承其它參數不變的條件下,對其性能進行了數值仿（fǎng）真（zhēn）,結果如圖9 和圖10 所示.
 

                          圖9　塗層厚度主軸（zhóu）轉（zhuǎn）速最高溫度關係
    

     
  
                         圖10　塗層厚度主軸轉速徑向最大變形關係
     
     由圖9 可知,當塗層（céng）厚（hòu）度d t =0.5 mm 且（qiě）供油（yóu）壓（yā）力為3 MPa 時,軸承最高溫度T max 在主軸轉速1 000 r/min 時為最小值28.1 ℃,主軸轉速增加而軸承最高溫度增加,在主軸轉速1 600 r/min 時為最大（dà）值35.82 ℃.當（dāng）軸承供（gòng）油（yóu）壓力為3 MPa 且主軸（zhóu）轉速為1 200 r/min,T max 在軸（zhóu）承無塗層即d t =0 mm時最高（gāo）溫度T max 為最大值35.89 ℃,在（zài）塗層（céng）厚度（dù）d t=0.5 mm 時最高溫度T max 為最小值30.3 ℃.由圖10 可知,當塗層厚度d t =0.5 mm 且軸承供油壓力為3 MPa 時,軸承X 向（xiàng）即徑（jìng）向最大熱變（biàn）形在主軸轉速為1 000 r/min 時為最小（xiǎo）值（zhí）4.346 μm,主軸轉速增加而軸承（chéng）徑（jìng）向（xiàng）最大熱變（biàn）形增加,在主軸轉速（sù）為1 600 r/min 時達到最大（dà）值（zhí）9.730 μm.當軸承供油壓力為3 MPa 且主軸轉速為1 200 r/min,軸承X 向（xiàng）最大熱變形在塗層厚度d t =0 mm 時為最大值8.267 μm,在塗層厚度d t =0.5 mm 時（shí）為最小值5.866 μm.
 
     由圖9 和圖10 可得（dé）:隨（suí）著主（zhǔ）軸轉速的增大,軸承最高溫度T max 逐（zhú）漸（jiàn）增大,軸承徑向最大熱（rè）變形會逐漸增大;同時軸承（chéng）的溫升（shēng）和熱變形分布不均程度加大.主軸轉速增加（jiā）即（jí）動靜壓軸承中流體動壓效應加強,軸承中潤滑油的剪（jiǎn）切摩擦發熱（rè）增加.
 
     3.2　塗層導熱率對（duì）軸承溫度及熱變形的影響為分析在（zài）不同塗層導熱率下動靜（jìng）壓軸承供油壓力對軸承溫度及熱變形（xíng）的影響規律,在主（zhǔ）軸轉速取1 200 r/min,隔熱（rè）塗層分別取矽酸鋁保溫塗層、聚（jù）碳酸酯（zhǐ）塗層、無塗層（céng）,軸承供油壓力分別取2 MPa,2.5 MPa,3 MPa,3.5 MPa,4 MPa,4.5 MPa,5MPa,軸承其它參數不變的條件下,對（duì）其性能進行了數值仿真,如圖11~圖12 所示.
  

     
  
                         圖11　塗層種類（lèi）供油壓力最高（gāo）溫度關係
   

      
  
                  12　塗（tú）層種類-供油壓力-徑向最大熱變形關係
     
     圖11 為軸承在具有相同厚度(d t =0.5 mm)的隔熱塗層（céng）下,軸承最大溫度T max 與不同種類（lèi）隔熱塗層、軸（zhóu）承供油壓力P s 的關係.當塗層為聚碳酸酯塗層,T max 在P s =2 MPa 時為最大值33.16 ℃,在P s=5 MPa 時為最小值（zhí）28.54 ℃;當P s =3 MPa,T max在（zài）無塗層時為（wéi）最大值35.89 ℃,在（zài）矽酸鋁保溫塗層時為最小值27.71 ℃.由圖12 可（kě）知,當塗層為聚（jù）碳
酸酯塗層且主軸轉速為1 200 r/min 時,軸承X 向最大熱變形在P s =2 MPa 時為最大值7.859 μm,在P s = 5 MPa 時為最小值4.745 μm;當（dāng）P s = 3MPa 且主軸轉（zhuǎn）速為1 200 r/min 時,軸（zhóu）承X 向最（zuì）大熱變形在無（wú）塗層時為最大（dà）值8.267 μm,有矽酸鋁保溫塗（tú）層時為最小（xiǎo）值4.34 μm.可以得出（chū）:有隔熱塗層軸承的最（zuì）高溫度比沒有隔熱塗層的軸承有明（míng）顯（xiǎn）降低;隨著塗層（céng）熱導率的減小即隔熱性能的提高和動靜壓軸（zhóu）承供油壓力的提高,軸承最（zuì）高（gāo）溫度T max 逐漸降低並（bìng）且溫升更加均布.
 
     為分析不同隔熱塗層導熱率下主軸轉速對軸承溫（wēn）升（shēng）及熱變形的影響（xiǎng）情況,在軸承（chéng）供油壓力3 MPa,隔熱（rè）塗層分別取矽酸鋁保溫塗層、聚碳酸酯塗層、無塗層,主軸轉速分別（bié）取1 000 r/min,1 100 r/min,1 200 r/min,1 300 r/min,1 400 r/min,1 500 r/min,1 600 r/min,軸承其它參數不變的條件下,對其性能（néng）進行數值仿真,結果如圖13 和圖14 所示.
    

                           圖（tú）13　塗層種類主軸轉速（sù）最高溫度關係
  

    
   
                     圖（tú）14　塗層種類主軸轉速徑向（xiàng）最（zuì）大（dà）熱變形（xíng）關係
 

     圖13 為軸承在（zài）相同厚度(d t =0.5 mm)的隔熱塗層下,軸承X 向最大（dà）熱變形值與不同種類塗層、主軸轉速的關係（xì）.當塗層為聚碳酸酯塗層且軸承（chéng）供油壓力為3 MPa 時,軸承最高溫度T max 在主軸轉速1 000 r/min 時為最小值28.11 ℃,在主軸轉速1 600 r/min時為最大值35.82 ℃.由圖（tú）14 可知,當（dāng）塗層為聚碳酸酯塗層且軸（zhóu）承供油壓力為3 MPa 時,軸承X 向（xiàng）最大熱（rè）變形在（zài）主軸轉（zhuǎn）速為1 000 r/min 時為最小值4.346 μm,而在主軸（zhóu）轉速為1 600 r/min時為最大值9.730 μm.可以得出:隨著主軸轉速的增大,動靜壓軸承的最高溫（wēn）度值和軸承X 向（xiàng）即徑向最大熱變形值逐漸增大;同時（shí）研究表明軸承中溫度和熱（rè）變形分布不均勻程度加（jiā）大.
 
     4　、實　驗

     為了驗證隔熱塗層降低磨床砂輪主軸液體動靜壓軸承溫升的效果,對有和無隔熱塗層的動靜壓軸承體中的溫度進行了實驗測量.動靜壓軸承試驗台如圖15 所（suǒ）示,軸承試驗台是倒置式的,即電機直接帶動主軸旋轉而動靜壓軸承不轉（zhuǎn）動.在動靜壓軸承（chéng）體中埋入一個熱電偶溫度傳感器,熱電偶溫度（dù）傳感器是標定好的.先（xiān）對一個沒有隔熱塗層的動靜（jìng）壓軸承（chéng）體測量了實（shí）驗溫度;再換一個在軸承（chéng）內表麵塗加了聚碳酸酯隔熱塗層（céng）的動靜壓軸承,也在相同位置埋入熱電偶溫度傳感器進（jìn）行（háng）了溫度測量（liàng）;最後對測量（liàng）結果進行比較.
 

                                  圖15　軸承實驗台
   
     該實驗中,用轉速（sù）計測量主（zhǔ）軸轉速為（wéi）1 195 r/min,用油壓表測量動（dòng）靜壓軸承供油（yóu）壓力為3 MPa,軸承中潤滑油牌號為L-FD10,軸承結構及（jí）材（cái）料與文章中理論分析是一致的.實驗測量結果是:沒（méi）有隔熱塗層的動靜壓軸（zhóu）承的溫度（dù）為44 ℃,而加了隔熱塗層（céng）的動靜壓軸承的溫度為36 ℃,可見（jiàn）差距明顯.所以隔熱塗層對動靜壓（yā）軸（zhóu）承溫度的降低作用明顯.
 
     5　、結　論
 
     1)提出了將隔熱塗層應用於高速精密磨床砂輪主軸液體（tǐ）動靜壓軸承上來降低軸承溫升及熱變形的新（xīn）技術,高性能隔熱塗層（céng）將明（míng）顯降低（dī）軸（zhóu）承主軸熱變形和使熱變形（xíng）均（jun1）布,最終（zhōng）提高主軸（zhóu）係統磨削加工精度,為超精密磨削機（jī）床的設計打下基礎（chǔ）.
 
      2)對一種高速精密磨床砂輪動靜壓主軸係統中的深淺（qiǎn）腔（qiāng）液體動靜壓軸承建（jiàn）立了（le）油膜（mó）塗層軸（zhóu）承耦合分析模型,應（yīng）用FLUENT 流體（tǐ）分析軟件精（jīng）確地計算了軸承中油膜溫度場,並聯合ANSYS 有限元軟件分析了軸（zhóu）承的（de）熱變形（xíng）.為具有隔熱（rè）塗（tú）層的動靜（jìng）壓主軸係統的熱變形分析打下了堅（jiān）實的（de）基礎.
 
      3)液體動靜壓軸承的最高溫度及熱變形都隨著其上隔熱塗層厚度的增大逐（zhú）漸降（jiàng）低,隨著隔熱塗層熱導率的減小而減（jiǎn）小.隔熱性能越好（hǎo）,則隔熱（rè）塗層就越能夠均化軸承的溫度場和熱變（biàn）形分布.
 
     4)在有隔熱塗層的條件下,液（yè）體動靜壓（yā）軸承的最高溫度和熱變形以及其不均布程（chéng）度隨著軸承供油壓力的（de）增大而減小、隨著主軸轉速的增大而增大.