水润滑陶瓷主轴研究现状与关键技术
2020-4-18 来源：天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验 作者：闫帅，林彬，张晓峰
摘要：介绍了水润滑陶瓷主轴的概念和特点，概述了水润滑陶瓷主轴在国内外的发展趋势和工业应用，对水润滑陶瓷主轴的关键技术和急需解决的问题从４个方面进行了评述，主要包括：１）材料摩擦学方面，需加强对低成本、高性能水基润滑添加剂、高韧性硅基陶瓷材料、长寿命陶瓷涂层的研究；２）轴承润滑建模与分析方面，需综合考虑陶瓷零件加工精度、水基润滑剂非牛顿效应、高速湍流效应、温黏效应等因素，实现精确建模与分析；３）高速主轴轴承－转子系统非线性动力学方面，需借助降阶分析理论的最新成果，实现系统非线性行为的精准预测与调控；４）表面织构在水润滑陶瓷主轴上的应用方面，需加强对表面织构和宏观结构的协同效应、表面织构的设计与优化，以及陶瓷表面织构的低成本高效加工方法的研究。
关键词：金属切削机床；水润滑；主轴；陶瓷摩擦学；转子动力学；降阶方法；表面织构
高速加工技术源于１９３１年德国学者ＳＡＬＯＭＯＮ 提出的假设，即当切削速度超过某阈值时切削温度反而会下降。在此理论基础上，经过几十年的发展，高速加工技术因高切削效率、高加工精度、低切削力、低刀具磨损等优异特性，已成为先进制造技术领域一种不可缺少的加工方式。对于航空发动机、燃气轮机、精密模具等行业，高速加工已成为世界各大装备制造商的首选［１－２］。高速加工机床是实现高速加工的载体，而机床主轴作为核心基础部件决定了机床的性能水平。机床领域的3位权威专家ＡＢＥＬＥ，ＡＬＴＩＮＴＡＳ 和ＢＲＥＣＨＥＲ［３］对下一代高速、高性能机床主轴提出了以下要求：１）主轴需同时具备高扭矩和高转速特性，从而胜任磨削、铣削和钻削多种工艺；２）降低主轴功耗，包括驱动、轴承和冷却等方面；３）具备加工钛合金等难
加工材料的能力。
高速机床主轴常用的轴承形式包括滚动轴承、气浮轴承、液浮轴承、磁悬浮轴承等，其中液浮动静压轴承具有支撑刚度大、阻尼减震性强、回转精度高、理论寿命无限大等突出优势，尤其适用于大负载、高功率加工［３］。但是，液浮动静压主轴通常采用润滑油作为润滑介质，高速工况下润滑油受剪切作用温升严重，导致芯轴和轴瓦膨胀，轻则会引起加工精度下降，重则会导致主轴出现抱死事故。为了解决此问题，主轴领域的研究者开始探索用水作为润滑剂替代润滑油，由于水的比热容大且黏度低，因而在相同主轴转速下，水润滑主轴的温升会远低于油润滑主轴［４－５］。金属材料在水润滑下易于腐蚀，而工程陶瓷材料因具有高耐腐蚀性而受到青睐；同时，陶瓷材料兼具耐磨性好、刚性高和热膨胀系数低等特性［６］，尤其是硅基陶瓷材料，在水润滑条件下，其摩擦系数在短暂磨合后下降至０．００１量级，呈现出“超滑”状态［７－１０］。因此，水润滑陶瓷轴承完全契合了下一代高速、高性能机床主轴的苛刻要求，多家世界顶级研究机构已将其作为重点研发对象。
１、水润滑陶瓷主轴发展趋势
２０世纪９０年代，美国麻省理工学院的ＳＬＯＣＵＭ 等［１１］首次将水润滑陶瓷轴承应用于精密机床，但是此时的应用场合不是机床主轴而是机床导轨。当时，由于陶瓷工件磨屑的侵入，陶瓷加工机床金属导轨的使用寿命并不能满足要求。为解决此问题，麻省理工学院和 ＣｏｏｒｓＴｅｋ公司合作开发了世界上首台采用水润滑陶瓷静压导轨的磨床（如图１所示），此磨床的静压导轨采用氧化铝陶瓷材料制造，以水作为润滑剂，此磨床经过全负荷运转１０年时间，在无任何维护的情况下始终保持亚微米级精度［１２］。１９９８年，英国克兰菲尔德大学的 ＣＯＲＢＥＴＴ 等［１３］首次阐述了水润滑陶瓷轴承在高速精密机床主轴上应用的前景，总结了水润滑陶瓷轴承的优势，包括：１）与常规轴承材料相比，陶瓷材料具有更高的耐磨性和耐腐蚀性，且其高刚度和低膨胀特性使机床主轴的精度保持性更佳；２）与油相比，水的高比热和低黏度特性使主轴温升更低，更具有环保性。２００１年，在精密加工领域具有统治地位的美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室开始创办下一代超精密磨削车削复合加工中心———ＰＯＧＡＬ，主轴采用与英国克兰菲尔德大学合作开发的水润滑多孔陶瓷静压轴承，图２所示为 ＰＯＧＡＬ机床示意图及其水润滑陶瓷轴承主轴［１４］。值得一提的是，负责ＰＯＧＡＬ机床设计的 ＨＡＬＥ博士［１５］毕业于麻省理工学院，其导师正是 ＳＬＯＣＵＭ 教授。２０１０年，克兰菲尔德大学首次介绍了多孔质氧化铝陶瓷静压轴承的烧结方法［１６］，并对单个水润滑多孔陶瓷轴承开展了台架实验测试［１７］，结果显示其刚度、温升、流量、功耗等各项指标均比传统轴承提升５０％以上。但是，由于此轴承所采用的多孔质氧化铝陶瓷需经专门烧结制备，工艺流程复杂，目前克兰菲尔德大学的研究仅完成了单轴承台架试验，水润滑陶瓷主轴整机的研制工作尚待开展。世界著名的主轴制造商均将高转速、高扭矩、高刚度的水润滑主轴作为重点研发对象，ＩＢＡＧ 公司开发的４０ ０００ｒ／ｍｉｎ主轴功率达到５０ｋＷ，Ｆｉｓｃｈｅｒ公司提出的４０ ０００ｒ／ｍｉｎ主轴功率高达８０ｋＷ，由于技术保密原因，尚未公开主轴的具体结构［５］。
图１ 麻省理工学院和 ＣｏｏｒｓＴｅｋ合作研制的采用水润滑陶瓷静压导轨的磨床
图２ 美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室下一代超精密磨削车削复合加工中心———ＰＯＧＡＬ
东南大学、西安交通大学、天津大学等机构在水润滑陶瓷主轴的研究方面开展了各具特色的工作。东南大学在水润滑主轴方面开展了全面研究工作，包括抗空蚀轴承材料、水润滑轴承主轴的结构设计与优化、高速水润滑主轴的静动态特性和水润滑主轴转子动力学特性等［１８－２１］。针对高速水润滑轴承材料易空蚀失效这一问题，提出把陶瓷涂层技术运用到主轴上，具体包括将氧化铝陶瓷涂层沉积到铝合金轴瓦上、将类金刚石（ＤＬＣ）涂层制备到不锈钢轴瓦上和将钛基陶瓷涂层沉积到合金轴径上等，并开展了高速水轴承材料抗空蚀的台架试验研究［１９－２１］。西安交通大学在水润滑轴承领域的研究极大推动了中国在此方向的发展，研究内容包括节流器节流系数、流固耦合传热计算、密封结构、陶瓷轴瓦热特性、主轴动力学、水润滑轴承试验等各个方面［２２－２５］。近期，西安交通大学针对动静压陶瓷轴承的热特性开展了系统性研究工作，采用氧化铝陶瓷制造了动静压轴承的轴瓦，通过实验对比了氧化铝陶瓷和传统锡青铜轴瓦的性能，经数值计算方法计算了３种陶瓷材料的极限工作温度。计算结果表明：相对于锡青铜材料，氮化硅、氧化铝和碳化硅３种陶瓷材料分别能够使水润滑轴承的极限工作温度提高２１．７％，２７．２％和３０．７％。沈阳建筑大学在全陶瓷主轴领域开展了开创性的工作，将传统陶瓷球轴承的内圈与主轴融为一体，提出了一种无内圈式高速陶瓷电主轴单元，并针对陶瓷轴承、主轴电机、精密加工和装配等陶瓷电主轴关键技术开展了系统性研究［２６－２７］。天津大学从２００３年起开展水润滑陶瓷轴承主轴的研究工作，提出了一种基于黏度可调水基润滑剂的水润滑陶瓷轴承主轴，主要研究内容包括：１）为解决纯水黏度过低的问题，提出了在水中加入增黏剂，形成黏度可控的绿色水基润滑剂［２８－２９］；２）开展了各种工程陶瓷材料摩擦磨损试验，发现硅基陶瓷水基润滑下摩擦系数能够低至０．００１量级［７，３０－３１］；３）开展了轴承的热弹性流体动力润滑计算［３２］；４）针对高速轴承－转子系统的非线性动力学开展研究，包括润滑剂非牛顿效应［３３］、非线性阻尼支撑的影响［３４］等；５）针对陶瓷材料断裂韧性较低这一难题，设计了全包容性的陶瓷轴承结构和主轴结构，已获得多项国家发明专利授权［３５－３６］；６）研制了完全采用水润滑陶瓷轴承的电主轴样机，并开展了样机试验［３７］。
综上，水润滑陶瓷主轴是水润滑技术和陶瓷轴承技术相结合的一种高速高性能机床主轴形式，无论在学术界还是在工业界均受到广泛关注。但是水润滑陶瓷主轴涉及到材料摩擦学、轴承润滑理论、转子动力学、轴承设计与精密加工等多方面的关键技术，尚存在一系列问题需要突破。
２、关键技术研究进展
２．１ 水润滑陶瓷摩擦副的“超滑效应”及其摩擦学研究
“超滑效应”通常指２个物体表面之间的滑动摩擦系数在０．００１量级或者更小的润滑状态［３８］。１９８７年，ＴＯＭＩＺＡＷＡ 和ＦＩＳＣＨＥＲ［８］首次发现：在水润滑条件下，自配副硅基陶瓷材料能够在６．５ｃｍ／ｓ的相对滑动速度、４．９１Ｎ 的载荷下，实现低于０．００２的摩擦系数，此现象的发现开启了陶瓷材料水润滑摩擦学的研究。常用的工程陶瓷材料主要包括碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆等［６］，为探究在水润滑条件下具有最佳摩擦磨损特性的陶瓷摩擦副材料，研究者对常用陶瓷材料开展了比较全面的摩擦学实验研究。
芬兰国家技术研究院的 ＡＮＤＥＲＳＳＯＮ 等［３９－４３］对各种陶瓷材料进行了自配副和互配副的摩擦磨损试验，试验形式 包括球－盘试验、轴－轴套试验，试验条件涵盖了干摩擦、水润滑等多种工况。试验结果发现：１）陶瓷材料自配副相对于互配副表现更优；２）自配副碳化硅陶瓷在水润滑下具有最高的承载能力；３）自配副碳化硅在水润滑１０ ０００次重复启停试验后磨损量最低；４）自配副氮化硅具有最低的摩擦系数。在国际摩擦 学 领 域 负 有 盛 名 的 日 本 东 北 大 学ＫＡＴＯ 课题组对水润滑陶瓷摩擦学研究做出了巨大贡献（参见图３），包括如下研究内容：１）解释了硅基陶瓷材料超滑效应的机理，由于双电层效应形成极低的摩擦系数［４４］，陶瓷表面的摩擦化学反应使其表面生成胶状二氧化硅膜；２）系统分析了自配副氮化硅和碳化硅的摩擦磨损机理［４５－４７］；３）将水润滑／碳化硅摩擦副与油润滑／金属摩擦副进行了对比，发现水润滑／碳化硅摩擦副在承载能力、动压润滑临界条件、耐磨性方面具有较大优势［１０］。美国国家标准和技术研究院的学者对硅基陶瓷材料在水润滑下的摩擦化学反应进行了深入探讨，并对各种醇类添加剂的作用开展了研究［４８－５０］。苏黎世联邦理工学院的学者通过在水中加入高分子刷状添加剂，有效降低了自配副氮化硅和碳化硅摩擦副的摩擦系数，提高了承载能力［５１］。
图３ 日本东北大学发表的水润滑碳化硅摩擦副与油润滑金属摩擦副的性能对比数据
清华大学通过在水中加入丙三醇、硼酸、磷酸等添加剂，使氮化硅／蓝宝石玻璃摩擦副在高达１．５ＧＰａ的载荷下，实现了低至０．００３的摩擦系数［９，５２］。中国科学院兰州化学物理研究所在水润滑陶瓷材料摩擦学方面进行了多年研究，近期研究了水润滑条件下硅基陶瓷材料与 Ｔｉ３ＡｌＣ２ 陶瓷配对后的摩擦磨损特性［５３－５４］。南京航空航天大学近期在离子注入、陶瓷涂层对摩擦学特性的影响方面也取得一系列进展［５５－５７］。天津大学在水润滑陶瓷摩擦学方向的研究内容主要包括各种工程陶瓷材料的自配副与互配副摩擦磨损性能、水基绿色润滑剂下氮化硅与碳化硅摩擦学性能对比［３１］、硅基陶瓷材料在低元醇水溶液中的超滑效应［７，３０］等。水润滑硅基陶瓷材料“超滑效应”的发现，以及自配副碳化硅高承载、低磨损机理的探明，为实现低摩擦高耐磨水润滑主轴提供了有力的技术支撑。但是，在以下几个方面的研究还需要深入：在水基润滑添加剂方面，仍然存在添加剂成本高、寿命短等问题；在陶瓷轴承材料方面，虽然目前已通过结构设计提高了陶瓷轴承的可靠性，但是如果能够开发出断裂韧性更高的耐冲击陶瓷材料，将极大简化陶瓷主轴结构，降低成本；在陶瓷涂层方面，需要开发适用于主轴的耐磨损、耐腐蚀涂层。
２．２ 高速水润滑主轴轴承润滑建模与分析研究
高速水润滑主轴轴承润滑建模与分析需考虑轴承结构、高速湍流、热效应、弹性变形等多方面因素，目前国内外研究机构已开展了一系列研究。美国德克萨斯 Ａ＆Ｍ 大学在水润滑主轴静动态特性分析与试验方面的研究比较深入，包括：１）基于湍流理论分析了水润滑静压轴承不对中的影响［５８］；２）针对小孔节流动静压水润滑轴承的转子动力学特性进行了研究［５９］；３）开展了基于 Ｍｏｏｄｙ湍流模型的静压轴承热动力学研究，结果表明：水润滑静压轴承虽然有外部高压供给，但是当转速超过临界值时同样会出现剧烈的“半频涡动”［６０］。日本东京理科大学在水润滑主轴的研究方面对带有螺旋槽的水润滑静压圆锥轴承主轴的稳定性开展了研究［６１］，并对薄膜节流水润滑静压推力轴承开展了研究［６２］。
西安交通大学的相关研究主要包括：１）基于ｂｕｌｋ－ｆｌｏｗ 热流体模型分析了深浅腔动静压轴承的性能［２５］；２）考虑湍流效应和热效应分析了主轴的特性，发现在高转速下动压效应对动静压轴承性能起主导作用［２４］；３）对水润滑主轴开展了试验（径向轴承采用水润滑轴承、止推轴承采用滚动轴承），ＤＮ 值达到１２０万 ｍｍ·ｒ／ｍｉｎ［２２］。东南大学的研究主要包括：１）针对深浅腔轴承的湍流效应，基于ｂｕｌｋ－ｆｌｏｗ 模型修正湍流雷诺方程和能量方程，求解得到 主轴 特性［２０］；２）针对高速离心力问题开展研究，结果显示离心力会降低轴承刚度［１８］；３）针对轴承倾斜效应开展研究［６３］。北京科技大学针对燃料电池汽车增压器研制了超高速水润滑主轴，主要研究包括：１）针对高速稳定性问题，对比了２种轴承液腔形式的动力学特性和临界转速［６４］；２）研究了抗振性能，ＤＮ 值到达１５５万 ｍｍ·ｒ／ｍｉｎ［６５］。天津大学针对水润滑陶瓷轴承的动态特性开展了一系列研究工作，包括：１）针对水基润滑多孔质节流器的陶瓷动静压轴承，采用求解修正 Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程并调用有限元分析软件的方法，完成了轴承的 ＴＥＨＤ 数值理论计算与黏度、结构优化分析［６６］；２）开展了基于非牛顿流体润滑的轴承－转子系统非线性动力学分析［３３］；３）对非线性阻尼支撑及轴承参数对系统非线性行为的影响进行了讨论［３４］。
当前在水润滑主轴轴承润滑建模与分析方面已取得一定进展。但是，针对高速水润滑陶瓷主轴的特点，需要综合考虑陶瓷轴承加工精度及表面粗糙度、水基润滑剂的非牛顿流体效应、高速湍流效应、温黏效应等因素，建立水润滑陶瓷轴承润滑理论精确模型，进而开展主轴静动态特性分析。
２．３ 降阶分析方法在高速轴承－转子系统分析中的应用研究
在复杂力学系统、流体机械等系统设计中，都涉及到复杂动力系统的设计、仿真、优化与控制，这些系统一般采用微分方程描述，方程的维数通常比较高，给设计和仿真带来了巨大挑战。研究者一直致力于寻找能够在降低系统规模的同时，还能够保持固有性质或结构的有效方法，模型降阶分析方法就是处理大型系统近似过程的一类有效方法［６７］，主要包括：本征正交分解技术（ｐｒｏｐｅｒ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＰＯＤ）方法、特征模态法、谐波平衡法、系统辨识法、基于中心流形的降阶方法、Ｌｙａｐｕｎｏｖ－Ｓｃｈｍｉｄｔ（Ｌ－Ｓ）方法、非线性 Ｇａｌｅｒ－ｋｉｎ方法等［６８－６９］。超高速水润滑陶瓷主轴系统是典型的复杂流固耦合系统，其轴承－转子非线性动力学特性的建模与求解急需最新的降阶分析理论作支撑。
美国德克萨斯 Ａ＆Ｍ 大学针对高速涡轮转子与定子的耦合作用，基于 Ｇａｌｅｒｋｉｎ法对系统进行了降维建模，取得了很好的效果［７０］。伊利诺伊大学对受碰摩影响的悬臂轴承－转子系统进行了降维分析数值计算及试验验证［７１］。美国杜克大学的研究人员在复杂流固耦合系统的降阶理论和试验方面开展深入研究，最新成果包括：１）针对高超音速飞行器壁板的非线性颤振问题，提出了高效 ＰＯＤ 降阶方法，计算效率比传统投影ＰＯＤ方法提高２个数量级［７２］；２）针对非稳态空气动力学响应的简化建模问题，提出了一种非线性状态空间基识别方法，具有良好的稳定性［７３］；３）近期具有突破性的进展是针对 Ｎ－Ｓ方程的降阶研究，基于 ＰＯＤ 方法构建了具有稳定性的低阶 Ｎ－Ｓ方程。与传统的基于经验湍流模型或修正模型所不同的是，此方法给出了不同于传统ＰＯＤ 基函数的空间基函数，在高雷诺数湍流模拟（如图４所示）中计算效率比传统方法提高２个数量级以上［７４－７６］。
图４ 杜克大学用降阶方法对高雷诺数湍流开展精确模拟
２．４ 表面织构在水润滑陶瓷主轴上的应用研究
表面织构是在物体表面通过主动设计和加工，制备出按照预设规则排布的微细结构［８３］。近１０年来，表面织构作为一种可以显著提高界面性能的方法，成为界面科学领域的研究热点［８４］。目前，表面织构已被成功应用于减摩、抗磨、减振等领域。激光加工工艺的成熟使不同类型、尺寸表面织构的低成本加工逐渐成为可能。图５所示为杨成娟等［８５］通过纳秒激光制备的钛表面织构。在传统动静压轴承结构设计中，通常采用优化液腔结构、尺寸和数量等方式提高轴承的承载能力和动态稳定性。将表面织构引入轴承设计中，通过对轴承表面宏观结构和微观织构的协同优化，形成功能化多尺度界面，将极大改善水润滑轴承的承载能力和动态稳定性。中国高校在复杂轴承－转子系统的降阶分析研究方面取得了一系列进展。哈尔滨工业大学的研究主要包括：１）针对高维非线性轴承－转子系统的降阶与动特性问题，提出了预估校正 Ｇａｌｅｒｋｉｎ法［７７］；２）针对油膜失稳、裂纹、碰摩等故障，提出了非线性瞬态 ＰＯＤ 方法［７８］；３）基于惯性流形方法与本征正交分解方法提出一种改进的 ＰＯＤ 降维方法［７９］。东北大学采用固定界面模态综合降维法，将原高维系统转换为低维系统，采用Ｎｅｗｍａｒｋ－β法求解［８０］。天津大学将非线性 Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法用于连续转子－轴承－密封系统的非线性动力学演化规律分析［８１］，并应用于滚动轴承不对中、碰摩故障引起的复杂非线性问题［８２］。
上述降阶方法目前主要应用于常规轴承－转子系统的分析，对于水润滑陶瓷主轴需要根据主轴特征开展降阶分析方法的适用性研究。综上，流固耦合系统稳定性降阶理论和轴承－转子系统非线性降阶理论的最新进展，为开展高速水润滑陶瓷主轴的非线性动力学分析提供了崭新的理论工具，有望在极高的计算效率下精确反映系统的非线性特征，从而实现对主轴非线性动力学行为的精准预测与调控。
图５ 通过纳秒激光制备的钛表面织构
表面织构能够有效提高水润滑陶瓷摩擦副的承载能力。最为著名的是日本东北大学的 ＷＡＮＧ 等［１０］将织构化的水润滑碳化硅摩擦副和油润滑锡青铜摩擦副进行对比，发现水润滑碳化硅摩擦副形成动压润滑所需的临界值仅为后者的１／１５，而且织构化后摩擦系数降至惊人的０．０００ ６，研究人员还对碳化硅表面单一及混合织构的承载力进行了对比，发现混合织构高于单一大或小单元织构表面的承载力［８６］。
表面织构还能够提高水润滑转子的稳定性。西安交通大学对水润滑无织构转子和有织构转子的振动进行测试，实验结果表明，在相同供水压力和转速条件下，有织构转子较无织构转子的相对振动量下降幅度超过６０％，即使在发生水膜振荡的情况下，表面织构依然可以显著减小转子的振动［８７］。２０１８年，英国南安普顿大学［８８］、德国卡尔斯鲁厄工业大学［８９］、美国路易斯安那州立大学［９０］相继发表了表面织构对轴承性能优化的研究成果。
综上，通过表面织构提高轴承承载能力、改善轴承转子系统的稳定性已成为研究热点。但是，在高速水润滑陶瓷主轴上成功运用表面织构提高主轴性能，还需要在以下几个方面开展深入研究：１）表面织构和宏观结构的协同效应；２）表面织构的设计与优化；３）表面织构的低成本、高效加工方法。
３、结论与展望
高速高性能机床是世界各国先进制造业竞争的制高点，水润滑陶瓷主轴因具有高转速、高精度、高负载、低能耗等特性，被视为下一代高性能机床的核心部件。国内外学术和工业界对水润滑陶瓷主轴已开展了十几年的研究，研究结果已初步展示出其优异性能。但是，水润滑陶瓷主轴涉及摩擦学、润滑理论、计算方法、表面工程等多领域内容，在以下４个方面还需开展更为深入的研究工作。
１）在水润滑陶瓷材料摩擦学方面，主要包括低成本高性能水基润滑添加剂、高韧性耐冲击硅基陶瓷材料、长寿命陶瓷涂层等。
２）在水润滑陶瓷轴承润滑建模与分析方面，需综合考虑陶瓷零件加工精度、水基润滑剂非牛顿效应、高速湍流效应、温黏效应等因素，建立更为精确的润滑理论模型，进而开展主轴静动态特性方面的分析。
３）在高速主轴轴承－转子系统非线性动力学方面，需借助流固耦合降阶理论和轴承－转子非线性降阶理论的最新成果，在更高的计算效率下精确求解系统的非线性特征，实现系统非线性行为的精准预测与调控。
４）表面织构在水润滑陶瓷主轴上的应用方面，主要包括表面织构和宏观结构的协同效应、表面织构的设计与优化和表面织构的低成本高效加工方法。
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