隔熱涂層對(duì)磨床主軸動(dòng)靜壓軸承熱變形的影響研究

張華　郭力　許怡赦　胡靖

摘要：為了減少熱變形，提高高速精密磨床砂輪主軸系統(tǒng)的精度，將隔熱涂層應(yīng)用于深淺油腔動(dòng)靜壓軸承.應(yīng)用FLUENT和ANSYS兩個(gè)有限元軟件聯(lián)合仿真分析了不同厚度與不同熱導(dǎo)率的隔熱涂層在不同的動(dòng)靜壓軸承供油壓力、主軸轉(zhuǎn)速等因素下的軸承熱結(jié)構(gòu)特性.結(jié)果表明：動(dòng)靜壓軸承的溫度和熱變形以及它們的均布程度，都隨著隔熱涂層厚度的增大逐漸降低，隨著隔熱涂層熱導(dǎo)率的減小而減小，隨著軸承供油壓力的增加而減小，隨著軸承主軸轉(zhuǎn)速的減小而減?。桓魺嵬繉舆€具有均化軸承溫度場(chǎng)和熱變形分布的作用.高性能隔熱涂層將明顯降低軸承主軸熱變形并且使其熱變形均布，最終明顯提高高速精密磨床砂輪主軸系統(tǒng)的加工精度.

關(guān)鍵詞：高速精密磨床；主軸；液體動(dòng)靜壓軸承；隔熱涂層；溫度場(chǎng)；熱變形

中圖分類號(hào)：TH133.37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

熱誤差是數(shù)控機(jī)床的主要誤差源之一，由溫度升高以及分布不均引起的誤差占機(jī)床總誤差的40%～70%，對(duì)于磨床這樣的超精密機(jī)床影響尤其重大，熱問(wèn)題已經(jīng)成為了影響精密磨削機(jī)床精度的關(guān)鍵因素.熱誤差是指機(jī)床部件在加工過(guò)程中因溫度變化而發(fā)生熱變形，導(dǎo)致工件和刀具之間產(chǎn)生的相對(duì)位移。其對(duì)工件加工精度產(chǎn)生不利影響。

對(duì)于高速精密磨床而言，砂輪主軸系統(tǒng)性能至關(guān)重要，而決定主軸性能的關(guān)鍵部件就是軸承。目前廣泛應(yīng)用在高速精密磨床上的軸承為液體動(dòng)靜壓軸承，它綜合了靜、動(dòng)壓軸承的特點(diǎn)，具有精度高、剛性好、磨損小、承載能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)特性好等突出優(yōu)點(diǎn)。

動(dòng)靜壓軸承在高轉(zhuǎn)速、大載荷等工況下，存在較高溫升以及溫度分布不均等問(wèn)題，進(jìn)而使軸承產(chǎn)生較大的和不均勻的熱變形，最終影響到磨床砂輪主軸的磨削加工精度。怎樣降低軸承的溫升和使溫升均布，從而減小軸承的熱變形和其對(duì)主軸系統(tǒng)精度的不利影響，已成為當(dāng)下高速精密磨削機(jī)床主軸系統(tǒng)研究領(lǐng)域里一項(xiàng)非常重要的課題。在降低溫升的措施中，有較多的文獻(xiàn)提到了在內(nèi)燃機(jī)、飛行器以及許多重要裝備上涂上隔熱涂層來(lái)進(jìn)行降低溫升和熱變形，并且取得了較好的效果。但目前隔熱涂層用到高速精密機(jī)床主軸軸承系統(tǒng)中來(lái)降低溫升和減少熱變形還沒(méi)有報(bào)道。

本文首次提出將隔熱涂層應(yīng)用于高速精密磨床砂輪主軸液體動(dòng)靜壓軸承，并建立油膜涂層軸承流固耦合計(jì)算分析模型，應(yīng)用FLUENT-ANSYS兩個(gè)有限元軟件聯(lián)合仿真分析了不同厚度與不同熱導(dǎo)率的隔熱涂層在不同的軸承供油壓力、主軸轉(zhuǎn)速等因素下的軸承熱結(jié)構(gòu)特性，為隔熱涂層在高速精密磨床動(dòng)靜壓砂輪主軸上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 油膜涂層軸承流固耦合模型

1.1 軸承三維建模

本文中的高速精密磨床砂輪主軸深淺腔動(dòng)靜壓軸承兼具靜壓和動(dòng)壓的優(yōu)點(diǎn)，其外部毛細(xì)管節(jié)流器的深油腔具有較高靜壓承載能力，同時(shí)在階梯淺油腔及封油面上產(chǎn)生較強(qiáng)的流體動(dòng)壓承載能力。工作原理就是主軸啟動(dòng)時(shí)以深腔靜壓效應(yīng)和淺腔階梯靜壓效應(yīng)將主軸托起；主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的淺腔階梯效應(yīng)以及淺腔動(dòng)壓楔形效應(yīng)會(huì)使軸承的動(dòng)靜壓承載能力大大增強(qiáng)，參數(shù)匹配得當(dāng)就可以有效地對(duì)軸承的承載能力、剛度以及溫升進(jìn)行控制，是一種綜合性能較優(yōu)的高速精密磨床砂輪主軸動(dòng)靜壓軸承。軸承的結(jié)構(gòu)和三維模型如圖1所示（因模型沿O-XY平面對(duì)稱（即軸承是軸向?qū)ΨQ的），故可以只取一半模型來(lái)提高計(jì)算效率）。軸承的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

首先在FLUENT流體分析軟件GAMBIT中建立油膜涂層軸承流固耦合分析模型，如圖1中Z軸為軸承軸向方向，X，Y軸為軸承徑向方向。其次，對(duì)耦合模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量過(guò)少則網(wǎng)格質(zhì)量及計(jì)算精度較低，網(wǎng)格數(shù)量過(guò)多則計(jì)算效率低，最終劃分了300106個(gè)六面體網(wǎng)格單元，如圖2（a）所示，圖2（b）為模型局部放大圖。

計(jì)算時(shí)假設(shè)條件如下：

1）不考慮主軸變形；

2）動(dòng)靜壓軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油不可壓縮且不考慮潤(rùn)滑油的粘溫特性；

3）軸頸與潤(rùn)滑油之間無(wú)相對(duì)滑移；

4）潤(rùn)滑油與軸頸的接觸面無(wú)熱量交換，與隔熱涂層接觸面有熱量交換；隔熱涂層與軸承體有熱量交換；

5）忽略軸承內(nèi)孔半徑的微小增大（增大部分為隔熱涂層厚度）。

1.2 在FLUENT中計(jì)算油膜涂層軸承的溫度場(chǎng)

1.2.1 材料參數(shù)的設(shè)定

本文采用的動(dòng)靜壓軸承材料為鑄錫青銅，其密度為8780kg/m³，比熱容為396J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為71w/（m·K），熱膨脹系數(shù)為1.84×10^-5m/K，彈性模量為97GPa，泊松比為0.3。軸承中潤(rùn)滑油牌號(hào)為L(zhǎng)-FD10，其性能見(jiàn)表2。

阻隔型隔熱涂層通常以內(nèi)部結(jié)構(gòu)較疏松、含水率較小、氣孔率高以及表觀密度較小的材料來(lái)作為輕骨料，再依靠粘結(jié)劑使它們粘結(jié)在一起，最后直接涂抹于設(shè)備表面而形成一定厚度的涂層，從而達(dá)到隔熱的效果。研究表明隔熱涂層導(dǎo)熱系數(shù)、涂層厚度以及涂層工作溫度等參數(shù)對(duì)隔熱涂層的隔熱效果而言，涂層導(dǎo)熱系數(shù)是影響隔熱效果的最主要因素。因此選取聚碳酸酯涂層和硅酸鋁保溫涂層兩種不同導(dǎo)熱系數(shù)的隔熱涂層涂附在動(dòng)靜壓軸承內(nèi)表面。聚碳酸酯涂層具有很好的物理化學(xué)性能，耐熱性很好，導(dǎo)熱系數(shù)較小，性能見(jiàn)表3；硅酸鋁保溫涂層成型穩(wěn)固，粘結(jié)力強(qiáng)，尤其是其導(dǎo)熱系數(shù)很小、隔熱性能非常好，其性能參數(shù)見(jiàn)表4。涂層厚度可取0（無(wú)涂層），0.3mm和0.5mm等三組涂層厚度值進(jìn)行計(jì)算分析。

1.2.2 確定邊界條件及計(jì)算求解

在FLUENT軟件中設(shè)定邊界條件為：

1）動(dòng)靜壓軸承節(jié)流器的人口環(huán)境溫度為295K，人口壓力為一定值；

2）軸承軸向邊界油膜的出口環(huán)境溫度為95K，出口壓力為0MPa（相對(duì)壓力）；

3）軸承與軸頸的重合面設(shè)為旋轉(zhuǎn)壁面，設(shè)定某個(gè)轉(zhuǎn)速；

4）隔熱涂層與軸承、隔熱涂層與軸承油膜的接觸面均設(shè)為傳熱耦合面；

5）軸承與隔熱涂層兩端面及外層壁面假定和空氣接觸，設(shè)定熱對(duì)流系數(shù)為9.7W/（m²·K）。

然后確定松弛因子和初始化流場(chǎng)，最后設(shè)置迭代步數(shù)進(jìn)行求解。

1.3 在ANSYS中求解軸承的熱變形

將FLUENT流體仿真軟件求解所得到的cas文件和dat文件等導(dǎo)人到有限元分析軟件ANSYSWorkbench的子模塊Fluid flow中；再將其另一子模塊Static Structural拖曳至Fluid flow模塊上；然后將油膜涂層軸承耦合模型導(dǎo)人到子模塊StaticStructural中劃分網(wǎng)格。之后設(shè)置邊界條件。最后加載進(jìn)行流固耦合軸承熱變形仿真分析。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 不同厚度涂層的軸承溫度場(chǎng)及熱變形

當(dāng)軸承偏心率為0.05，偏位角為15°，主軸轉(zhuǎn)速為1200r/min，供油壓力為3MPa，隔熱涂層為聚碳酸酯涂層、涂層厚度分別取d_t=0mm（無(wú)涂層，下同），d_t=0.3mm，d_t=0.5mm時(shí)，軸承的溫度分布及徑向熱變形（以x向?yàn)槔?，y向變形與x向基本一致，下同）如圖3和圖4所示。

由圖3可知：該動(dòng)靜壓軸承的溫度場(chǎng)在圓周向和軸向均不是對(duì)稱分布的。該軸承最高溫度位于軸向封油面處且在軸承油膜厚度最薄的區(qū)域附近，最低溫度位于軸承進(jìn)油孔的區(qū)域。由圖3和圖4可得到不同厚度隔熱涂層的軸承溫度及徑向最大熱變形，如表5所示。

由表5可知：1）軸承加了隔熱涂層后與沒(méi)有隔熱涂層相比，其最高溫度和熱變形有明顯的降低；而且隨著隔熱涂層厚度d_t的增大，軸承最高溫度T_max逐漸降低，軸承徑向最大熱變形逐漸減小，說(shuō)明較厚的涂層具有較好的隔熱效果；2）隨著涂層厚度d_t的增大，軸承最高溫度T_max和最低溫度T_min相差會(huì)越來(lái)越小，說(shuō)明隔熱涂層越厚則軸承溫度場(chǎng)和熱變形越均布。所以隔熱涂層越厚則動(dòng)靜壓軸承的溫度且熱變形越低且熱變形越均勻分布。

2.2 不同熱導(dǎo)率涂層的軸承溫度場(chǎng)及熱變形

當(dāng)軸承偏心率為0.05，偏位角為15°，供油壓力為3MPa，主軸轉(zhuǎn)速為1200r/min，涂層厚度為0.5mm，涂層種類分別為無(wú)涂層、聚碳酸酯涂層、硅酸鋁保溫涂層時(shí)，軸承的溫度分布及徑向熱變形如圖5和圖6所示。

由圖5可知：軸承最高溫度T_max位于軸向封油面上且在軸承油膜厚度最薄的區(qū)域附近，最小溫度T_min位于潤(rùn)滑油進(jìn)油通道的區(qū)域。當(dāng)軸承無(wú)涂層時(shí)T_max=35.89℃，T_min=27.17℃；當(dāng)采用聚碳酸酯涂層時(shí)T_max=30.291℃，T_min=29.024℃；當(dāng)采用硅酸鋁保溫涂層時(shí)T_max=27.713℃，T_min=270542℃。由此可得，隨著涂層熱導(dǎo)系數(shù)的降低，軸承最高溫度T_max逐漸降低；而且軸承最高溫度與最低溫度的差值也大大減小，即軸承溫度場(chǎng)溫度均布，這說(shuō)明低熱導(dǎo)率的隔熱涂層對(duì)軸承有很好的隔熱降溫效果，將明顯降低軸承熱變形和使熱變形均布。

由圖6可得：軸承X向最大熱變形隨著涂層熱導(dǎo)率的減小逐漸減小。從數(shù)值上來(lái)看，當(dāng)軸承無(wú)涂層時(shí)x向最大熱變形值為8.267μm，當(dāng)涂層為聚碳酸酯涂層時(shí)其值為5.866μm；當(dāng)涂層為硅酸鋁保溫涂層時(shí)其值為4.34μm。顯然隨著涂層熱導(dǎo)率的減小，軸承X向最大熱變形逐漸降低而且熱變形更加均布，這說(shuō)明較低熱導(dǎo)率隔熱涂層具有較好的隔熱和降低軸承熱變形效果。

3 隔熱涂層對(duì)軸承性能的影響分析

3.1 隔熱涂層厚度對(duì)軸承溫度及熱變形的影響

為分析不同隔熱涂層厚度下動(dòng)靜壓軸承供油壓力對(duì)軸承溫度及熱變形的影響規(guī)律，在主軸轉(zhuǎn)速取1200r/min，聚碳酸酯涂層厚度分別取0mm，0.3mm，0.5mm，供油壓力分別取2MPa，2.5MPa，3MPa，3.5MPa，4MPa，4.5MPa，5MPa及軸承其它參數(shù)不變的條件下對(duì)其性能進(jìn)行了仿真分析，并提取軸承的最高溫度值及徑向最大熱變形值，經(jīng)Matlab軟件數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7可知，當(dāng)隔熱涂層厚度d_t=0.5mm且主軸轉(zhuǎn)速為1200r/min時(shí)，軸承最高溫度T_max在軸承供油壓力P_s=2MPa時(shí)為最大值33.16℃，在P_s=5MPa時(shí)為最小值28.54℃。由圖8可知當(dāng)d_t=0.5mm且主軸轉(zhuǎn)速為1200r/min時(shí)，軸承X向即徑向最大熱變形在P_s=2MPa時(shí)為最大值7.859μm，在P_s=5MPa時(shí)為最小值4.745μm，差距明顯。

由圖7和圖8可得：隨著動(dòng)靜壓軸承供油壓力的增大，T_max逐漸減小，徑向最大熱變形逐漸減??；隨著隔熱涂層厚度的增加，T_max逐漸降低，徑向最大熱變形逐漸降低。所以提高動(dòng)靜壓軸承供油壓力有利于降低動(dòng)靜壓軸承的溫度和減小動(dòng)靜壓軸承的熱變形，同時(shí)使軸承的溫度場(chǎng)和熱變形均布。而提高動(dòng)靜壓軸承供油壓力即提高軸承的靜壓效應(yīng)。

為分析不同隔熱涂層厚度下主軸轉(zhuǎn)速對(duì)動(dòng)靜壓軸承溫度及熱變形的影響規(guī)律，在供油壓力為3MPa，聚碳酸酯涂層厚度分別取0mm，0.3mm，0.5mm，主軸轉(zhuǎn)速分別取1000r/min，1100r/min，1200r/min，1300r/min，1400r/min，1500r/min，1600r/min，軸承其它參數(shù)不變的條件下，對(duì)其性能進(jìn)行了數(shù)值仿真，結(jié)果如圖9和圖10所示。