基于粘度可控水基润滑液的高速陶瓷滑动轴承主轴设计

发布时间：2020-04-24 23:07

【摘要】：高速高精密主轴系统作为高速加工机床中的心脏部件,其性能的高低直接影响到高速加工机床的整体发展水平。现行的高速电主轴轴承技术中,滚动轴承较大的振动与噪声、磁力轴承过于复杂的控制系统以及气体轴承较低的承载能力限制了其进一步发展。本文设计完成了采用新型水基润滑液润滑的动静压陶瓷滑动轴承电主轴,并提出了一种基于润滑液粘度可控性,在现有制造水平下通过对粘度—轴承结构寻优从而实现主轴高性能的高速高精密主轴设计方法。根据上述构思,本文主要工作如下: 研制完成了用于高速精密滑动轴承的新型绿色水基润滑液。在确定润滑液主要组分后,采用正交试验方法确定了防锈添加剂组分配比,并测定了含不同浓度添加剂润滑液的温度—粘度特性以及其他物理性能。为确定陶瓷滑动轴承摩擦副的制造材料,以及验证水基润滑液与工程陶瓷材料的匹配性能,开展了热压烧结Si3N4和反应烧结SiC陶瓷材料的摩擦磨损试验研究。结果表明,在不同的润滑情况下,SiC都表现出更高的极限承载能力、更好的跑合性能与更低的磨损率,而且生成了SiO2润滑膜并可有效改善摩擦磨损状况;同时水基润滑液与陶瓷材料匹配良好并表现出优良的润滑性能。针对本课题独特的基于低粘度润滑液、多孔质节流器的流体动静压轴承,采用编程求解修正Reynolds方程并调用有限元分析软件的方法完成了高速水基润滑液润滑陶瓷轴承的TEHD数值理论计算与粘度、结构优化分析,最终确定了多孔质节流器、滑动轴承液腔相关结构尺寸与润滑液所需粘度;通过动力计算与液膜稳定性分析,算得轴心在小扰动下偏离平衡位置后的运动趋势为收敛。在前述研究基础上,最终设计完成了基于粘度可控水基润滑液的高速高精度动静压陶瓷滑动轴承主轴系统。其轴承布局具有理论上高热稳定性并采用了全包容结构的陶瓷滑动轴承摩擦副;通过仿真计算及优化分析,确定了轴端外侧与真空夹紧机构相联接、内表面设计与HSK-C、HSK-D型刀柄相联接的结构并计算出了相应刀柄最佳预紧力。最后完成了循环润滑系统设计以及主轴—循环润滑系统的一体电气设计。
【图文】：

磁力轴承,电主轴,结构示意图

瓷滚动轴承技术发展较快，德国 SKF 公司的速已可达到150000r/min以上[16]。适用于高速主构紧凑、功耗小、标准化程度高、品种规格繁于滚动摩擦副为直接接触的形式，高速情况球轴承不仅制造工艺复杂，并且往往配以油—非常昂贵。而滚动轴承最大的缺点是运转时较动轴承，也仍然存在着精度难以长期保持的问。磁力轴承基于磁悬浮技术，主要应用于超高两部分组成：轴承本身及其电气控制系统。图示意图[17]。磁力轴承由定子与转子组成，，定子有电磁环。定子电磁铁产生的磁场使转子被支电磁力的平衡作用而悬浮起来，转子与定子检测，转子位置产生偏差时，位置传感器将偏子电磁铁的电流（幅值及相位），从而保证转

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较高的承载能力、刚度、精度等性能指标都是建立在主动控制的基础上制过程极为复杂，成本较高；磁力轴承系统结构形式较为复杂，因此难应用于工业生产中；另外由于电磁材料的特殊性以及该类转子转动惯磁力轴承主轴遇到特殊情况应变能力弱，因而多数磁力轴承同时需要配承，愈发增加了结构复杂性与制造成本。目前，国内清华大学、南京航学、西安交通大学、哈尔滨工业大学等高校都从事磁力轴承相关方面研 2000 年，清华大学与无锡开源机床集团公司合作，首次实现磁悬浮轴床电主轴的工厂应用实验。但是，国内磁力轴承研究整体上与世界先进较大，基本上仍处于实验室研究阶段。(3) 气浮轴承。目前气浮轴承已广泛应用于超高速与超精密加工机床中为全球最大空气轴承主轴供应商 Westwind 公司印制电路板钻孔用 inted Circuit Board)空气轴承主轴结构示意图，其系列电主轴转速可000r/min[24]。空气静压轴承工作原理与传统静压滑动轴承基本相同，是气体在相对运动部件之间形成的气膜来支承负载，气体润滑膜厚度很小 1-10μm。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH133.31

【引证文献】