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浙江工业大学硕士学位论文 微型动静压主轴温度对动态特性影响的理论与实验研究 摘要 随着我国太阳能，半导体，先进光学器件以及微型精密模具等新兴产业的迅猛发展， 越来越多的企业需要微型的高精密磨床来进行生产。而动静压主轴的出现，克服了滚动 轴承主轴易磨损的缺陷，是微型高精密磨床能够顺利研发的关键技术之一。 虽然动静压主轴是未来高精密加工技术的发展方向，但是在动静压主轴微型化方面， 还有许多问题要解决。例如小直径主轴的承载力弱的问题，温升过高的问题，加工工艺 困难的问题等。由于小直径主轴的承载力弱，如果要进行高精密加工，根据精密加工理 论，必须提高转速，但是由于提高转速而带来的大量热量将会导致温升过高，影响轴承 精度。 本文在分析微型动静压主轴工作原理的基础上，结合轴承油腔特点，对液体微型动 静压主轴进行了内部轴承温度场的理论计算；在此基础上，对微型动静压主轴进行建模， 通过计算流体力学软件f l u e n t 对螺旋油腔在低粘度介质中的仿真研究，得到出口截面的 温度数据，并且分析了该轴承在静态和动态时的温度场和压力场分布情况，再应用有限 元分析软件a n s y s 对主轴温度进行仿真，并得到不同时刻的温度场；最后在微型动静压 主轴工作时，通过实验研究不同加工参数对主轴温度的影响，对主轴温升进行测量，并对 参数进行优化。 目前，国内外对小型动静压主轴的研究较少，对于直径在2 5 m m 以下的微小型动静 压主轴的温升研究领域还是空白，本文的研究结果具有一定的参考和实用价值。 关键词：温升，精密加工，微型动静压主轴，螺旋油腔，温度场，压力场 浙江工业大学硕士学位论文 t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo n t e m p e r a t u r ei n f l u e n c eo nt h ed y n a m i cch a r a c t e i u s t i c so fs m a l lh y b r i ds p i n d l e a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o l a re n e r g y , s e m i c o n d u c t o r , a d v a n c e do p t i c se q u i p m e n t a n dp r e c i s i o nm i c r o - m o u l di nc h i n a , m o r ea n dm o r ef a c t o r i e sn e e da l lu l t r a - p r e c i s i o nm i c r o - g r i n d i n gm a c h i n ef o rp r o c e s s i n g w h i l et h eh y b r i ds p i n d l e ，w h i c ho v e r c o m e st h ed e f e c to f s e r i o u sw e a ra n dt e a rw i t hr o l l i n gb e a t i n g , i st h eo n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e st od e v e l o pu l t r a m i c r o g r i n d i n gm a c h i n e s a l t h o u g ht h eh y b r i db e a r i n gs p i n d l ei st h em a i nt r e n do nt h eu l t r a - p r e c i s i o np r o c e s s i n g t e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e ，t h e r ea r em a n yp r o b l e mt h a th a v en o tb e e ns o l v e di nt h ea s p e c to f m i n i a t u r i z a t i o nf o rh y b r i db e a r i n gs p i n d l e ，s u c ha sp o o rc a r r y i n gc a p a c i t y , h i g hw o r k i n gt e m - p e r a t u r e ，d i f f i c u l tp r o c e s sa n ds oo n b e c a u s eo fl o wc a r r y i n gc a p a c i t yw i t hs m a l lh y b r i d b e a r i n g ，t h er o t a t i n gs p e e dm u s tb er e l a t i v e l yh i g hw h e nu l t r a - p r e c i s i o np r o c e s s i sc o n d u c t i n g ， a n dp l e n t yo fh e a tp r o d u c e di nw o r k i n gs i t u a t i o nw i l lr e s u l ti nt o om u c hh i g h e rt e m p e r a t u r e ， s ot h ea c c u r a c yo ft h eb e a r i n gw i l lb es e r i o u s l ya f f e c t e d b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o u tw o r k i n g p r i n c i p l eo f t h es m a l lh y b r i ds p i n d l ea n dc h a r a c t e - r i s t i c so fb e a r i n go i lw e d g e t h i sp a p e rs t u d i e dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa b o u tt h et e m p e r a - t u r ef i e l do ft h ei n t e r i o rb e a r i n g ；a sw e l la st h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n gf o rs m a l lh y b r i ds p i n d i e ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o t t w a r e f l u e n ti sa d a p t e dt ot h es i m u l a t i o nf o rs p i r a l o i lw e d g ei nt h el o w - v i s c o s i t ym e d i a w ea c h i e v et h ed i s t r i b u t i o no fa v e r a g et e m p e r a t u r ei n t h eo u t l e ta n da n a l y s e sd i s t r i b u t i o nt e m p e r a t u r ef i e l d ，a sw e l la st h ep r e s s u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n b o t hi nt h ed y n a m i cs t a t ea n ds t a t i cs t a t e ；t h e na p p l yt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e - - - - a n s y st os i m u l a t i o no ft h es p i n d l et e m p e r a t u r e ，a n dg e tt h et e m p e r a t u r ef i e l da td i f f e r e n tt i m e s ； f i n a l l y , b ym e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r eo f t h es p i n d l ew h e nt h es m a l lh y b r i db e a r i n gi sw o r k i n g , w es t u d i e de f f e c t so nt h et e m p e r a t u r eo ft h es p i n d l ew i t hd i f f e r e n tp r o c e s s i np a r a m e - t e r s ，a c c o r d i n gt ot h i s ，p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ni sa l s oc o m p l e t e d a tp r e s e n t ，t h e r ei st h el e s si ns t u d y i n gs m a l lh y b r i db e a r i n gs p i n d l ea th o m ea n da b r o a d ， a n db l a n ki nt h ef i e l do fs t u d y i n gt e m p e r a t u r er i s eo fm i c r o - h y b r i db e a r i n gs p i n d l et h a td i - a m e t e ri sl e s st o2 5r a i n i nt h i sp a p e r ，t h er e s u l t so fs t u d i e sw i l lh a v ec e r t a i nr e f e r e n c ea n d p r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r er i s e ，m i c r o h y b r i db e a r i n gs p i n d l e ，p r e c i s i o nm a c h i n i n g ，s p i r a lo i l w e d g e ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，p r e s s u r ef i e l d 浙江工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题背景与研究意义 自从上世纪2 0 年代起，德国人s a l o m a l l 最早提出了高速加工的概念，随着科学技 术的进步和现代化产业的实现，现代机械制造工业不断的向着高精度、高速度、高效率 的方向飞速发展，而高精密和超高精密加工机床的外型则不断向大型化和微型化的方向 发展【1 1 。 在小型微型机床领域，我国国内几乎没能得到应用技术和机床在市场中销售，大量 的小型微型机床市场份额被日本，美国，德国等西方发达国家所占据。这些工业发达国 家的微小型机床性能优异，但是价格高昂。例如一台德国进口的f 1 5 0 超精密小型平面 磨床，售价高达6 0 - 8 0 万欧元。由于微小型磨床在精密模具，半导体，微型精密零件， 光学制品和太阳能产业等方面有着不可替代的优势，它不仅简化了加工工艺，减轻了劳 动强度，而且提高了生产效率和产品质量，所以在我国，特别是南方工业经济发达地区， 有着巨大且迫切的需求。 对微小型加工机床的研制过程当中，超精密超高速机床主轴的研制是对整体的研究 起到关键性作用。过去由于技术上的限制，微小型机床的高速主轴一般采用滚动轴承技 术，随着这项技术的发展，逐渐发展出以陶瓷滚动轴承等各种结构上和材料上的先进新 型滚动轴承，但是由于滚动轴承在高速转动时，避免不了接触摩擦，会产生磨损和发热 等问题，限制了轴承的使用寿命，转动精度，振动等级和极限转速【2 ，3 1 。 在近2 0 年里，液体动静压主轴技术慢慢成为超精密加工机床主轴的主要研究方向， 液体动静压主轴是以液体动静压轴承为支撑，将机床主轴功能与电动机功能从结构上融 为一体的新型机床主轴功能部件，它综合了高速轴承技术、高速电动机技术、变频调速 技术及冷却润滑技术等关键技术，其功能是带动工件或刀具( 或砂轮) 高速旋转，来实现 高速精密加工。相比于传统皮带传动主轴，动静压主轴省去了复杂的中间传动环节，具 有调速范围宽、振动噪声小、可快速起动和准停等优点，不仅具有极高的生产率，而且 可显著地提高零件的加工精度和表面质量。液体动静压主轴是目前高速精密机床领域广 泛使用的液体动静压主轴发展的必然结果，是未来超高速超精密机床主轴的首选方案之 第1 章绪论 一，目前正处于快速发展阶段【4 卅。理想的液体动静压主轴应具有如下特点： 1 高速度，应用于超高速磨削可支撑砂轮线速度1 5 0 m s 以上； 2 寿命长，磨损小； 3 回转精度，应用于超精密加工可达5 0 n m ； 4 高动态刚度和高阻尼减振性，可充分保证加工效率和工件表面质量； 5 转动惯量小，可快速起动、变速和准停； 6 振动小、噪声低； 7 调速范围宽，功率一转矩输出特性好； 8 结构紧凑，可充分减少所占用的机床空间； 主轴作为机床的关键部件，对机床加工零件表面精度和加工后的表面质量起到决定 性的作用，特别是超小型超精密主轴一直是各方研究的重点，市场需求也很大。因为超 小型超精密磨床的加工对象多为超硬或是非常难加工的光学、太阳能、半导体器件和精 密小型模具等，所以根据磨削基本原理，在主轴直径较小的情况下，必须提高主轴的转 速，从而增加砂轮的线速度，才能获得较好的表面加工质量和磨削效率。通常主轴的直 径在6 0 m m 以下的主轴转速要到1 0 0 0 0 3 0 0 0 0 r p m 才能保证砂轮的线速度在高速加工的 切削速度【7 1 。 超高转速的动静压主轴由于它的密封性要求高，在旋转过程中，内部的液体会产生 大量的热，尤其是超小型超精密主轴，转速要求高，散热面少，温升直接影响机床加工 零件的精度，如果温度升高没有很好的控制，主轴旱面的液压油的粘性会降低，主轴在 转动时，承载性能也会降低，内部的轴承和轴颈会发生跑偏，容易造成接触摩擦，严重 的时候会使主轴报废，影响了主轴的使用寿命，因此主轴温度控制是主轴运转性能的重 要标准之一。 目前实现液体动静压主轴的高动态刚度、高阻尼减振性、高回转精度和长寿命的相 关技术已基本成熟，但为了进一步满足超高速超精密加工需要，还需解决结构集成化和 高速化带来的控制轴承温升、减少电动机损耗、抑制电磁振动、改善电动机高速特性等 一系列技术难题。 1 2 滑动轴承技术简介 在机械中只要有转动的地方就需要有支承，这种支承也可以称为为轴承。轴承按摩 擦的性质来看，可分为两类：滚动轴承和滑动轴承。 2 浙江工业大学硕士学位论文 对于滚动轴承，目前来说是在机床上应用最广和最早的轴承，其优点是价格便宜， 技术成熟，便于制造，启动力矩小和初始精度高。但是它的劣势也很明显1 】： 1 滚动轴承的启动功率低，静摩擦小，启动力矩较小，所以它的刚性和载荷较低， 通常只适用于高速轻载的场合。现代工业通常所使用的材料为硬韧性材料，加工时为了 提高加工效率，使用较大的切削力，由于滚动轴承是与运动副之间直接接触，在较大的 作用力下，不仅影响了零部件之间的相互位置精度，也会使轴承的磨损加快，如果在载 荷较大的场合，有时还会出现卡死的情况，限制了滚动轴承的使用范围。 2 由于滚动轴承的滚动副为接触摩擦，在高速运转的情况下，滚动副与其接触表面 的摩擦非常严重，发热量很大，所以通常要外配一个油雾冷却装置，占据了空间。 3 由于摩擦大，其磨损也大，在正常的工作情况下，一般2 3 个月精度偏差就会超 过工件加工要求，这时，需要更换滚动轴承，而且现在高质量的陶瓷滚动轴承多为进口， 更换需要等待工件进口，浪费了大量时间，使生产成本提高，更换轴承后的主轴能否达 到原来的精度，也是一个非常大的问题，需要调试。 滑动轴承的种类很多，液体滑动轴承便是其中的一种，这当中又可分为静压轴承， 动压轴承和动静压轴承这三种类型。液体静压轴承最早是在1 8 6 2 年，法国的l d 吉拉 尔发明的，他指出摩擦系数可小至1 5 0 0 ，但是直到2 0 世纪5 0 年代它才被广泛的应用 在工业上。动压轴承同样拥有着很长的历史，其研究和应用已经有1 0 0 多年的历史了， 完全的液体摩擦动压轴承被称为“动压油膜轴承”也有近一个世纪。液体动静压轴承是 静压轴承发展到一定程度的必然结果。其最早的应用可追溯到1 8 5 1 年托儿对火车轨道 的滑动轴承试验，这可以看作是对动静压轴承的初步探索，而1 8 8 6 年，r e y n o l d s 方程 的问世奠定了动静压轴承的理论研究基础【1 2 - 15 1 。 托尔于1 8 8 3 年发现了滑动轴承原理的关键因素，著名的油楔效应，即润滑油在流 体动力润滑状态下的滑动轴承，能自己建立承载油膜。随后，r e y n o l d s 发现了，在滑动 轴承中，由于轴颈的转动而在油膜中产生了剪切应力，将油带入轴承润滑间隙的收敛部 位，从而产生了油膜压力。但是直到1 9 1 4 年，居姆贝尔才明确指出，雷诺方程可应用 于滑动轴承的计算和设计。1 9 2 6 年，法尔茨将上述结果表达成具有实用价值的形式，被 广大工程技术人员所接受1 1 6 j 。 最简单的动压轴承就是圆柱型动压轴承，它依靠主轴的转动将润滑油带入轴承与轴 的间隙之间。主轴顺着转动方向偏离了轴承中心时，就会出现一个楔形的i 日j 隙，润滑油 在不断进入楔形问隙时受到挤压，便形成了一个压力油膜。当这个沿动压轴承周向和轴 第1 章绪论 向分布的油膜能足够承受外部载荷时，主轴便浮在这层极薄的油膜之上，这时轴承就在 液体摩擦条件下工作。但是这层油膜的厚度和稳定性受到许多因素的影响，例如轴承材 料，轴承尺寸，轴承表面的光洁度，润滑油的黏度和黏温特性的特征等等，特别受轴承 的工作范围如主轴转动速度和载荷变动的影响【r 7 1 。 液体静压支承载大约在1 5 0 年前就在法国出现，但直到上个世纪5 0 年代才逐渐引 起人们的重视。1 9 3 8 年，美国加利福尼亚州p o l o m a r 观测站的直径5 米的h a l e 天文望 远镜的一个大型转台采用了液体静压轴承，在重达5 0 0 吨和转速l 转天( 0 2 5 。分) 情况下，只需要1 1 2 马力即可驱动，使液体静压轴承第一次在低速重载的工作情况下显 示出其无与伦比的优越性。1 9 5 3 年，瑞士e s t h e r w g s s 公司生产的组合立式车床，工件 最大直径为1 6 米，重为1 6 0 吨，工作台的最大转速为1 0 转分，使用静压轴承驱动时功 率仅需1 4 0 马力，若使用动压滑动轴承，同等工况下驱动功率则需要3 6 0 马力【1 8 之o 】。 静压轴承不需要转动就能产生承载油膜，它是依靠外界泵提供的压力油来承受载荷。 如图1 1 所示为普通的静压轴承油腔的原理图，压力油从油腔泵入轴承内部的油腔中， 产生承载力，从而托起轴承。静压轴承的油膜厚度与速度关系不大，但是和其他一些因 素有关，不过这些可以通过改变供油系统的参数来补偿。液体静压轴承的最大缺陷是浪 费了油膜的动压效应，这在重载使用场合尤其突出【2 1 1 。 厂 、j f 弧? 2 山j 阶、 ，一一、7 ) f 勿钐 t 乃 1 轴；2 油膜压力分布；3 油腔 图1 1静压轴承原理图 液体动压轴承的结构简单，对油也没有其他的附加要求，能承受较大的载荷，使用 4 浙江工业大学硕士学位论文 范围广泛，能承受较大的载荷，已经使用了上百年的时间【2 2 1 。但是液体动压轴承只有在 一定的转速以上才能顺利地形成压力油膜。这意味着，在主轴开始转动的低速运动时间 里，轴与轴承是直接接触的，处于一种干摩擦状态，这样就造成了磨损，这是由动压轴 承的原理造成的，是一种不可避免的缺陷。而液体动压轴承为了能产生较大的承载油膜， 轴和轴承的间隙往往较小，轴和轴承的表面加工质量对油膜的质量产生直接的影响，这 增加了加工的难度。另外油膜的形成和载荷的变动以及速度的快慢有关系，受到的影响 因素较多，稳定性受到限制。图1 2 为典型的动压轴承原理结构图。 l 一油腔；2 轴承；3 轴；4 油膜压力区 图1 2 动压轴承原理图 液体静压轴承摩擦阻力很小，抗振性能力好，转速范围广，主轴回转精度高，使用 寿命长，适应性佳【2 3 】。主轴和轴承之间存在着油膜，它具有阻尼作用，具有很好的减震 性能，在很广的工作速度范围和载荷范围内可无磨损的工作，由于它的运动副之间完全 被油膜隔开，减少了表面加工质量的影响，使它具有极高的运动精度。但是静压轴承需 要有一套可靠的供油系统，与动压轴承相比，静压轴承的形式变化多，维护保养成本比 较高，实现标准化难度大，而且液体静压轴承的电主轴技术和高速性能还有待改善。 1 9 6 1 年，a d a m s 最早提出了液体动静压轴承的概念，它是在液体静压轴承的原理 上，进一步利用了油楔的动压效应，使其比液体静压轴承具有更好的阻尼减振性能和动 态刚度。在利用了液体静压轴承的原理基础上，压力油通过节流器进入油腔产生承载油 第1 章绪 论 膜，从而避免了主轴在刚开始启动的时候与运转结束的时候由于润滑不良而造成轴瓦和 轴颈的摩擦损耗，在主轴正常旋转时，它利用油腔和封油面的收敛间隙产生动压效应， 提高轴承的运动刚性和承载能力。由于动静压轴承的这些优点，特别适合应用与大型机 械和负载大的情况下，其轴承结构多样化，工作状态复杂，刚度高，目前已形成了一套 完整的动静压轴承的设计方法。按照原理动静压轴承大致可分为三类： ( 1 ) 动静压混合工作 这是利用静压和动压混合作用的轴承，这类轴承在禁止、启动、和轴颈速度低于某 一临界值时能够在静压系统下工作，而且主轴正常运行时同时利用静压效应和动压效应 的作用。其承载能力是由动压效应和静压效应共同组成的，所以承载能力较高，工作时 最小油膜厚度较大。这类轴承基本用在轻载，但刚度要求大的场合，比如精密，超精密 金属切削机床的主轴。 ( 2 ) 静压托举，动压工作 液体动压轴承是靠主轴和轴承做相对运动，利用润滑油的黏性剪切应力产生压力油 膜，当主轴的速度低于一个特定值的时候，润滑油的黏性剪切应力所产生的压力油膜就 不能形成足够的承载力，使轴承处于半干摩擦甚至是干摩擦状态。但是如果这时有静压 作用，在静压效应下，轴承就会有足够的承载能力，并保持轴承处于液体摩擦状态。 静压托举指的是轴承在停止、启动的过程或者主轴的转动低于某一临界值时采用静 压效应的原理；动压工作指的是轴承在正常转速工作时使用的动压效应的原理，静压供 油系统停止工作。这种动静压轴承多用在重载场合，如轧钢机，球磨机，发电机等。 ( 3 ) 静压工作，动压辅助 这种轴承以静压工作为主，动压工作为辅助，这样就可以在工作时充分利用油膜的 动压作用来增大轴承的承载能力。并且当静压万一失效时，轴承也会有动压效应，这样 就会有一定的保护作用。 如图1 3 所示为动静压轴承的原理图【2 4 2 5 1 。这类轴承的设计原理是按照静压轴承， 但是它保留了较大的动压滑动面，这样轴承在工作时，不仅刚度大，旋转精度高，而且 又具有较大的安全系数，可以保证轴承在发生意外情况时不受损害。这类轴承多应用于 主轴旋转系数要求较高和安全系数的精密机械。 在这3 种的动静压轴承中，都有一些共同点，由于轴颈和轴承被外界供给的压力油 完全隔开，从而减降低了轴颈和轴承间相对摩擦，油膜的形成不受相对滑动速度的影响， 在各种速度( 包括零速度) 下，均有较大承载能力。液体动静压轴承的主要特点是摩擦 6 浙江工业大学硕士学位论文 系数极小，承载能力高并且与转速无关，转盘的启动转矩小，使用寿命长，而且由于液 体油膜有非常好的阻尼特性，使得切削时产生的震动较小，主轴回转精度较高。动静压 轴承由于具有上述一系列优点，得到人们的普遍重视和应用。 ， w 1眵 q p 2 、夕3 、 1 动压油腔；2 轴；3 静压油腔；4 静压供油系统 图1 3 动静压轴承原理图 1 3 动静压技术在机床主轴上的应用 机床在工业生产加工中起到关键性的作用，机床性能的好坏直接影响加工零件的精 度和表面质量。主轴作为机床的主要部件，其性能的优劣直接影响到机床的性能。随着 科学技术的进步和工业技术的提到，人们对机床主轴的要求也越来越高，主轴性能主要 体现在高回转精度，高稳定性，高刚性和高线速度，结构紧凑，调速范围宽，寿命长， 磨损小和启停灵活等方面上【2 6 | 。 在过去，高速主轴很多采用的是陶瓷滚动轴承，尤其是小型，微型机床皆采用高速 陶瓷滚动轴承。但是滚动轴承在高速重载的工作条件下，磨损严重，以至于每隔几个月 就要更换一次轴承，滚动体在高速旋转时离心力很大，这就会导致轴承的失效，并且由 于轴承磨损的影响，轴承的振动和刚性以及回转精度很难控制。在润滑方面，高速滚动 轴承普遍采用油雾润滑，需要外配起雾器，在体积方面并无优势。 动静压轴承主轴出现后，由于其轴与轴承没有直接接触摩擦，大大提高主轴的承载 能力和刚度，以及回转精度和使用寿命。同时油具有不可压缩性和相对较高的粘滞性， 所以液体静压轴承的减震性能很好，能够相当程度地吸收转动中产生的震动【27 1 ，虽然先 7 第1 章绪论 期投入较大，但是维修保养却大大降低了。 日本冈本工作机械推出了平面研磨机u p g l 6 3 2 n c g r i n d x ，采用了可变静压轴承 移送加工台，可以高精度移送工件。可变静压轴承的特点是通过改变流体供应量，从而 在移送加工台时可自始至终保持平衡。例如，当研磨4 m 长的工件时垂直度可达到1 5 微米。动静压混合轴承研究方面，也得到了广泛应用，例如日本、美国在2 0 0 m s 高速 磨床中均使用动静压轴承。美国的机床业巨头英格索尔( i n g r s o l l ) 公司拥有专利的动 静压轴承，转速已在4 0 0 0 0 r p m 以上【2 9 】。 1 9 7 6 年，我国上海机床厂成功研制两类动静压轴承，即h s d b r 和h s d b i 。前者 为带外节流的动静压轴承，将原来的静压深油腔改为阶梯或者阿基米德螺线浅油楔的动 静压轴，具有良好的动静压综合效应；后者为利用阶梯节流及阶梯油楔的无外节流的自 节流动静压轴承，具有良好的工艺性，但静压效应较差，适用于中小型精密机床。这两 种轴承的性能明显超过静压轴承而曾作为机密技术，迄今为止在五、六十种产品上应用， 并且取得了良好成效。 液体动静压主轴是在动压主轴和液体静压主轴的基础上发展起来的新型轴承，在动 压的基础上，在合适的位置开设一定数量和大小的静压腔，并给这些静压油腔配备了静 压供油系统，当主轴静止或者转速较低时，可以利用静压供油系统提供压力油，在各静 压油腔之间形成压力差，使主轴浮升，承受一定的外部载荷，使轴承处于全液体摩擦状 态，从而避免了在启动，停车过程或者在低速运动时的干摩擦，减少启动扭矩和轴承磨 损。 当轴承正常工作时，如果动压效应产生的油膜承载力不足以支撑外载荷，则可采用 动静压混合作用，在供应动压润滑油的同时，开启静压供油系统，向静压油腔提供足够 高压力的润滑油，使轴承同时具备动压效应和静压效应，提高轴承的承载力。 液体动静压轴承有以下特点： ( 1 ) 与静压轴承相比，它具有很大的动压封油面； ( 2 ) 与动压轴承相比，它具有静压油腔； ( 3 ) 静压油腔的个数和位置配备较灵活，以应对不同的应用场合，有良好的适应性； ( 4 )同时具有动压的轴瓦形貌和静压的油路系统； 8 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国外研究现状 r o w e 3 0 是最先发现了封油面较宽的腔式静压轴承的动压效应，在d e e 等采用 隙缝式进气结构解决小孔节流气静压轴承进气弥散问题后，r o w e 将该隙缝式结构应用 于油膜轴承中，并针对此类轴承静动态性能的试验手段、优化技术和计算方法进行了系 统研究，最后提出了隙缝式动静压轴承的概念，接着根据k o s h a l 等提出了小孔式动 静压轴承的基础上结合缝隙式结构，总结了小孔式和隙缝式动静压轴承动态特性系数计 算的有限扰动法和偏导数法，为动静压轴承设计提供了理论的基础f 3 卜3 4 1 。 进入2 0 世纪9 0 年代，液体动静压轴承的高速性能研究的重要性日益突显。s o 等研究了非对称静压供油单油腔结构动静压轴承在等粘度假设和绝热假设情况下的轴 承静动态性能【3 5 1 。g h o s h 等研究了浅油腔动静压轴承动特性系数的频率特性及惯性效 应的影响【3 6 1 。s h a r m a 等针对轴瓦变形、粘温效应、节流参数等因素对动静压轴承静 动态性能的综合影响进行了研列3 7 1 。j o h n s o n 和m a n r i n g 在设计静压推力轴承时 采用浅油腔，而不是传统的深油腔，并找出了它们之间的细微差别。通过使用几何形状 的二维模型，能提取封闭形状的浅油腔不同深度的作用【3 8 4 0 1 。 埃及学者t a 等通过自行设计的测试装置，分析油腔尺寸和位置对静压推力轴承性 能的影响，随后又研究动载荷情况下静压推力轴承环形槽油腔的设计，并且分析了半径 率，油腔数和倾斜参数对轴承能力、轴承刚度、阻尼系数和流量的影响【4 1 卅】。埃及学者 z e i n a b s s a f e r 利用有限微分法在绝热条件下研究热对静压推力轴承性能的影响，结 果表明在油腔较多、倾斜较大时，热的影响非常显著【4 5 1 。 英国学者j d j a c k s o n 和g r s y m m o 考虑惯性流和离心力影响方面，对平行平 扳径向流压力分布进行了理论研究【4 6 1 ，并且得出惯性力对轴承性能的影响是不可忽略。 t i n g 和m a y e r 研究离心力和热对平行平板静压推力轴承性能影响，发现离心力和热 对推力轴承性能影响非常明显【4 7 ，4 8 1 。 美国学者j f 和w f 通过研究发现，高速时惯性力对静压推力轴承性能的影响不容 忽略，他们又对静压推力轴承在极速旋转时由惯性力引起的气穴现象进行了研究。 g h o s h 和m u j n m d a r 通过研究发现流体惯性力和油腔中的流体的可压缩性对静压推 力轴承性能有一定的影响【4 9 1 。 台湾学者j a w r e n “n 考虑粗糙度影响方面【5 0 】，基于c h r i s t e n s e n 随机性理论分析表 9 第1 章绪论 面粗糙度对静压推力轴承动刚度和阻尼性能的影响，总结出圆周方向的粗糙度使动刚度 和阻尼有所提高，而径向的粗糙度对动刚度和阻尼的影响正好相反的结论速度、高精度 及高可靠性的方向发展。 1 4 2 国内研究现状 国内动静压轴承的研究与西方发达国家几乎同步，水平也不相上下。广州机床研究 所早在1 9 6 2 年就已经开始了对动静压轴承的试验和设计研制。1 9 7 0 年后，上海磨床研 究所开发了两种新型动静压轴承，h s b d r 和h s b f 1 5 1 - 5 3 】。1 9 7 4 年，广州机床研究所 通过实验研究和计算机辅助设计，获得了一种较好的动静压轴承的设计方法，并在以后 几年时间里逐步完善了设计方法，解决了各种工作状态下的动静压轴承计算方法问题， 并完成了一套成系列的参数设计。广州机床研究所已将动静压轴承应用到了各种金属切 削机床，轧钢机，水泥磨机，球磨机和各种发电机，汽轮机等上。1 9 8 0 年以后，许尚贤 对液体动静压轴承的优化设计进行了进一步研究，孙恭寿建立了在偏心工况下，阶梯腔 动静压轴承的工程算法【8 , 5 4 】。1 9 9 1 年，武弘毅等提出了w m b 型动静压轴承。在动静压 轴承的实际工程应用领域，国内外的情况差距并不大，并且在深浅腔动静压轴承和反馈 节流动静压轴承等方面有着自己的特点和优势。液体动静压主轴是我国最有希望发展自 主知识产权的领域。近几十年来，上海磨床厂，北京第二机床厂，北京航空航天大学， 湖南大学，东北大学，东南大学等许多家院校和研究机构，都开发出了具有各自不同特 点的动静压轴承技术并投入应用。但是国内产品在主轴的线速度速度，各项指标精度和 制造工艺精细度等方面还需要进一步的改进【5 5 ”】。 由于国内对小型动静压机床主轴的研究较少，国外进口的小型动静压主轴轴颈直径 基本都在6 0 r a m 以上，对于直径在2 5 m m 的微小型动静压主轴的温升研究领域还是空白。 因此，对现阶段微小型动静主轴温度对动态特性的研究具有很好的意义。 1 5 研究内容和研究目标 传统的油润滑动静压主轴由于油的黏性，在高速回转时发热量大，而油温升高后， 出现温升效应，使承载力变弱，这在小直径的动静压主轴上更明显。另外由于要获得更 好的动压效应，轴承的间隙要求越来越小，而有比较大的黏性的润滑油决定了油润滑动 静压主轴的间隙不可能太小，影响了主轴的承载能【加l 。 油膜温升是影响动静压轴承极限转速提高的主要因素。在轴颈高速运转带动下，油 浙江工业大学硕士学位论文 膜流动的粘滞剪切作用将机械能通过摩擦功耗转化为热能，使油质点温度升高。国内外， 对动静压主轴的温升控制一般都控制在2 0 内，而且，润滑油的温度也基本控制在4 2 以内。本文通过对油温的控制和分析，确定温度对小型动静压主轴动态特性的影响。 本文主要的研究内容如下： ( 1 ) 分析小型动静压主轴的工作原理，并且通过理论研究，进行内部轴承温度的理论 分析，对温度影响主轴动态特性进行研究； ( 2 ) 通过对微型动静压主轴的建模，应用计算机软件模拟和计算静态和动态时温度场； ( 3 ) 微型动静压主轴工作时，通过实验研究不同加工参数对主轴温度的影响，对主轴 温升进行测量，并对参数进行优化； 本文研究内容与技术路线图： 收集资料 研究动静压卡轴_ 【作原理以 及动态性能分析 进行温度对动特性 影响研究 国内外对动静压主 轴研究现状 l 兰竺 夕 图1 - 2 技术路线图 第1 章绪论 1 6 本章小结 液体动静压轴承以其特有的优势将成为未来超精密加工的必须技术，而微型磨床需 要动静压轴承来配合其主轴系统达到精度要求。但是小轴径的液体动静压轴承存在着温 升影响。本文从理论研究开始，对微型动静压主轴进行温度场的计算和计算机模拟仿真， 并结合实际检测，得出温度对微型动静压主轴的影响。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章微型液体动静压主轴温度的理论研究 2 1 微型动静压主轴技术研究 2 1 1微型动静压主轴的基本结构和工作原理 微型动静压主轴主要有动静压轴承、主轴、电机系统组成，如图2 1 所示，电机转 子与主轴末端连接一起，通过螺栓的固定，可以使电机带动主轴转动。在前端和中间端， 用两个动静压轴承支撑主轴，通过注入液压油，能够使主轴产生一定的液压浮力，从而 支撑起主轴。由于轴承和轴之间有油膜的存在，减小了轴承和轴的摩擦，轴在高速或者 低速时，都能很好的运转。主轴前段装载刀具( 或砂轮) 或工件，主轴在转动时就可以 来加工零件。一般来说，动静压主轴在机床上的应用体现在高承载能力、高刚性、高回 转精度、高阻尼抗振性、磨损小、使用寿命长及高转速等特点，能够实现零件的高速超 精密加工。 1 轴承端盖2 止推轴承3 动静压前轴承4 轴承套5 主轴6 动静压后轴承7 一电机定子8 电机套筒 9 电机转子1 0 固定螺栓1 1 垫片1 2 电机挡圈 图2 1微犁动静压主轴结构图 2 1 2 液体动静压轴承的静压基本原理 如图2 2 所示的是扇形多腔止推轴承，液压油以压力p s ，从中心供油，如果忽略周 向扇形浅腔间断的影响，润滑油沿径向浅腔和外环封油边流出。流经浅腔的流量为： 第2 章微型液体动静压主轴温度的理论研究 卵一 而流经封油边外的流量： ，、 丌 3 p p l 如= 磊 根据流量的守恒条件，可以得到q 1 = q 2 ，化简得： ( 1 + 鲁) 3 = 击罐 止推板 图2 2 扇形多腔止推轴承 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 1 + 熹) 3 _ 罐矗 m4 ) 三 要棚d p 1 ( 2 一s ) m p l 风一p 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 图2 3 a 表示止推轴承设计状态时的承载能力【1 9 1 ，然而，工作状态时由于间隙的变小， 浅腔边缘处的压力会增大，图2 3 b 中的阴影面积即表示的是支承的承载能力变化量。 浅腔节流使轴承具有静压效应的承载性能，它的物理意义是：支承中浅腔处的间隙大于 封油边处的间隙，当支承间隙发生变化时，浅腔处的节流液阻变化率小于封油边处的液 阻变化率，前者近似于固定液阻节流器，对于浅腔压力的调节补偿起着静压支承中节流 器的作用，所不同的是浅腔节流液阻是变化的，与固定液阻节流相比，对支承中压力的 调节带有一定的正反馈成分。因此，如果浅腔的深度大一些，有利于提高支承的静压承 载性能。 p 3 l 夕矿、弋l i ! 心心 l ( a )设计状态压力分布( b ) 工作状态压力分布 图2 3 浅腔节流的静压轴承补偿原理 p ( a ) 浅腔一次节流 p ( b ) 浅腔二次节流 图2 _ 4 有节流器的浅腔静压轴承补偿原理 节流器是起到自动调节油腔压力的作用，如果在进油口处再增加节流器，浅腔二次 第2 章微型液体动静压主轴温度的理论研究 节流对轴承中压力的补偿过程和前面一样，但是中心的供油压力由原来的p 。改变为p o ， 这主要是节流器的作用，由此可见，当止推轴承的间隙由h 变为h - e 时，它的出油流量 减少，润滑油流经节流器前后压差也会相应的减少。也就是说，止推轴承的中心压力会 增加，因此轴承压力分布曲线的包容面积大于只有浅腔节流的面积，如图2 4 所示，有 节流器的浅腔二次节流静压轴承的静压承载性能要优于单纯浅腔节流的动静压混合轴 承。 2 1 3 液体动静压轴承的动压效应 由于各种形状的浅腔动静压混合轴承都是由雷利阶梯滑块演变而来的，所以阶梯浅 腔的动压效应与雷利阶梯滑块的原理基本一致，所不同的是在轴承上游浅腔中速度流的 入口处增加了上游周向的封油边。由于上游封油边的存在，导致支承间隙在浅腔上游局 部形成发散油楔，有可能导致局部压力降低，甚至会产生“空化现象。在下游速度流 的出口处封油边宽度对动压效应有较大影响。通常下游封油边的宽度和深腔宽度比存在 最佳值，而且根据其结构形状不同最佳值也不相同。在浅腔结构设计上，经过反复多次 试验计算和验证，能够较好地解决动静压轴承的“空化”现象，使液体动静压轴承的动 压效应其性能提高。 2 1 4 动静压轴承的结构和特点 动静压轴承采用了静压轴承和动压轴承的工作优点，消除了这两种轴承的不足之处。 其主要特点是采用整体式的轴承和表面深浅腔结构的油腔。在外部压力油的供应下，轴 承系统工作时，主轴被一层压力油膜浮起。主轴在没有经电机驱动已悬浮，在轴承中有 效的避免了因停车、启动和低转速的情况时由于润滑不良而使轴颈与轴承之间发生机械 摩擦与磨损，从而提高轴承使用寿命和保证了主轴具有良好的精度。当电机驱动主轴高 速旋转时，轴承油腔内由于阶梯效应自然形成动压承载油膜，使轴承成为具有静压压力 场的动压滑动轴承。与三块、五块瓦相比，动静压轴承为整体式结构，轴承与箱体孔接 触面积大且为刚性连接。使油膜刚度得得到充分的发挥和利用。主轴工作时，油膜刚度 是轴承静态刚度和动态刚度的叠加，有很强的承载能力。压力油膜的“均化”作用可使 主轴回转精度高于轴颈和轴承的j 口- r 精度。 一般而言，在静压轴承中所应用的节流器类型有固定节流器和可变节流器这两类， 其中固定节流器有“毛细管”、“小孔”等，可变节流器有“滑阀反馈”、“内部反馈”及 浙江工业大学硕士学位论文 “薄膜反馈 等。上述节流器由于油流截面太小，容易发生因油液杂质堆积而堵塞，并 且结构复杂，大多设置在轴承外部的静止部位【9 】。 与静压轴承相比，动静压轴承所采用的节流器和油腔结构均不相同。早期设计的动 静压轴承为深腔和浅腔结合的结构，可以分有节流器和无节流器两种。图2 5 为无节流 器的动静压轴承结构简图，深腔与浅腔形成轴承的静压腔。浅腔具有节流功能，压力油 p 。有中间环槽进入，然后流进深腔和浅腔，最后压力油经两端的轴向封油面排出。当主 轴在轴承中高速旋转时，主轴中心和轴承中心存在着微小的偏心，浅腔同轴向封油面的 台阶也会有偏心作用，自然而然的形成楔形油膜而产生动压承载油膜。但是主轴只能按 图2 4 所示方向旋转。 i 图2 5无节流器动静压轴承 图2 - 6 为纯浅腔结构的动静压轴承。压力油直接通过环形槽进入两侧的若干浅腔。 该轴承结构简单，但是静压情况下承载力较低，可以双向旋转。一般用于高速轻载的机 床中。 浅腔 i 进油 图2 - 6 纯浅腔结构的动静压轴承 1 7 第2 章微型液体动静压主轴温度的理论研究 图2 7 为径向止推动静压轴承的结构简图。它在工作时可以同时承受径向力和一个 水平方向的轴向力。径向止推动静压轴承是在径向动静压轴承的基础上一端增加一个平 面止推动静压轴承所组成的联合轴承。动静压止推轴承的节流器采用孔式环面，在止推 面上设有动静压油腔和动压油腔，油腔由深腔和浅腔两部分组成。主轴的轴肩止推面上 被一层静压力油膜隔开，主轴在旋转时即可形成动压承载油膜来承受轴向载荷。根据主 轴结构及工作性能要求，可在主轴端各用一个联合轴承，或在主轴一端用联合轴承，另 一端用平面动静压止推轴承来实现。 动压腔 氐 、_ 衫衫夕矿 钐哆夕 进妒 y j j 绷拗深腔誉沙 ，_ 图2 7 径向止推动静压轴承 严 缮缫 b 固 - 文- _ 净奄一 蓊庶 l 图2 8 锥型动静压轴承 锥型动静压轴承与径向止推动静压轴承一样，可同时承受径向力和轴向力，但是结 构