水潤滑陶瓷主軸研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

閆帥 林彬 張曉峰

摘 要：介紹了水潤滑陶瓷主軸的概念和特點，概述了水潤滑陶瓷主軸在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢和工業(yè)應(yīng)用，對水潤滑陶瓷主軸的關(guān)鍵技術(shù)和急需解決的問題從4個方面進(jìn)行了評述，主要包括：1）材料摩擦學(xué)方面，需加強對低成本、高性能水基潤滑添加劑、高韌性硅基陶瓷材料、長壽命陶瓷涂層的研究;2）軸承潤滑建模與分析方面，需綜合考慮陶瓷零件加工精度、水基潤滑劑非牛頓效應(yīng)、高速湍流效應(yīng)、溫黏效應(yīng)等因素，實現(xiàn)精確建模與分析;3）高速主軸軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力學(xué)方面，需借助降階分析理論的最新成果，實現(xiàn)系統(tǒng)非線性行為的精準(zhǔn)預(yù)測與調(diào)控;4）表面織構(gòu)在水潤滑陶瓷主軸上的應(yīng)用方面，需加強對表面織構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)、表面織構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化，以及陶瓷表面織構(gòu)的低成本高效加工方法的研究。

關(guān)鍵詞：金屬切削機(jī)床;水潤滑;主軸;陶瓷摩擦學(xué);轉(zhuǎn)子動力學(xué);降階方法;表面織構(gòu)

中圖分類號：TG50?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-1542（2018）06-0477-10

高速加工技術(shù)源于1931年德國學(xué)者SALOMON提出的假設(shè)，即當(dāng)切削速度超過某閾值時切削溫度反而會下降。在此理論基礎(chǔ)上，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，高速加工技術(shù)因高切削效率、高加工精度、低切削力、低刀具磨損等優(yōu)異特性，已成為先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域一種不可缺少的加工方式。對于航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、精密模具等行業(yè)，高速加工已成為世界各大裝備制造商的首選[1-2]。高速加工機(jī)床是實現(xiàn)高速加工的載體，而機(jī)床主軸作為核心基礎(chǔ)部件決定了機(jī)床的性能水平。機(jī)床領(lǐng)域的3位權(quán)威專家ABELE，ALTINTAS和BRECHER[3]對下一代高速、高性能機(jī)床主軸提出了以下要求：1）主軸需同時具備高扭矩和高轉(zhuǎn)速特性，從而勝任磨削、銑削和鉆削多種工藝;2）降低主軸功耗，包括驅(qū)動、軸承和冷卻等方面;3）具備加工鈦合金等難加工材料的能力。

高速機(jī)床主軸常用的軸承形式包括滾動軸承、氣浮軸承、液浮軸承、磁懸浮軸承等，其中液浮動靜壓軸承具有支撐剛度大、阻尼減震性強、回轉(zhuǎn)精度高、理論壽命無限大等突出優(yōu)勢，尤其適用于大負(fù)載、高功率加工[3]。但是，液浮動靜壓主軸通常采用潤滑油作為潤滑介質(zhì)，高速工況下潤滑油受剪切作用溫升嚴(yán)重，導(dǎo)致芯軸和軸瓦膨脹，輕則會引起加工精度下降，重則會導(dǎo)致主軸出現(xiàn)抱死事故。為了解決此問題，主軸領(lǐng)域的研究者開始探索用水作為潤滑劑替代潤滑油，由于水的比熱容大且黏度低，因而在相同主軸轉(zhuǎn)速下，水潤滑主軸的溫升會遠(yuǎn)低于油潤滑主軸[4-5]。金屬材料在水潤滑下易于腐蝕，而工程陶瓷材料因具有高耐腐蝕性而受到青睞;同時，陶瓷材料兼具耐磨性好、剛性高和熱膨脹系數(shù)低等特性[6]，尤其是硅基陶瓷材料，在水潤滑條件下，其摩擦系數(shù)在短暫磨合后下降至0.001量級，呈現(xiàn)出“超滑”狀態(tài)[7-10]。因此，水潤滑陶瓷軸承完全契合了下一代高速、高性能機(jī)床主軸的苛刻要求，多家世界頂級研究機(jī)構(gòu)已將其作為重點研發(fā)對象。

1?水潤滑陶瓷主軸發(fā)展趨勢

20世紀(jì)90年代，美國麻省理工學(xué)院的SLOCUM等[11]首次將水潤滑陶瓷軸承應(yīng)用于精密機(jī)床，但是此時的應(yīng)用場合不是機(jī)床主軸而是機(jī)床導(dǎo)軌。當(dāng)時，由于陶瓷工件磨屑的侵入，陶瓷加工機(jī)床金屬導(dǎo)軌的使用壽命并不能滿足要求。為解決此問題，麻省理工學(xué)院和CoorsTek公司合作開發(fā)了世界上首臺采用水潤滑陶瓷靜壓導(dǎo)軌的磨床（如圖1所示），此磨床的靜壓導(dǎo)軌采用氧化鋁陶瓷材料制造，以水作為潤滑劑，此磨床經(jīng)過全負(fù)荷運轉(zhuǎn)10年時間，在無任何維護(hù)的情況下始終保持亞微米級精度[12]。1998年，英國克蘭菲爾德大學(xué)的CORBETT等[13]首次闡述了水潤滑陶瓷軸承在高速精密機(jī)床主軸上應(yīng)用的前景，總結(jié)了水潤滑陶瓷軸承的優(yōu)勢，包括：1）與常規(guī)軸承材料相比，陶瓷材料具有更高的耐磨性和耐腐蝕性，且其高剛度和低膨脹特性使機(jī)床主軸的精度保持性更佳;2）與油相比，水的高比熱和低黏度特性使主軸溫升更低，更具有環(huán)保性。2001年，在精密加工領(lǐng)域具有統(tǒng)治地位的美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室開始創(chuàng)辦下一代超精密磨削車削復(fù)合加工中心——POGAL，主軸采用與英國克蘭菲爾德大學(xué)合作開發(fā)的水潤滑多孔陶瓷靜壓軸承，圖2所示為POGAL機(jī)床示意圖及其水潤滑陶瓷軸承主軸[14]。值得一提的是，負(fù)責(zé)POGAL機(jī)床設(shè)計的HALE博士[15]畢業(yè)于麻省理工學(xué)院，其導(dǎo)師正是SLOCUM教授。2010年，克蘭菲爾德大學(xué)首次介紹了多孔質(zhì)氧化鋁陶瓷靜壓軸承的燒結(jié)方法[16]，并對單個水潤滑多孔陶瓷軸承開展了臺架實驗測試[17]，結(jié)果顯示其剛度、溫升、流量、功耗等各項指標(biāo)均比傳統(tǒng)軸承提升50%以上。但是，由于此軸承所采用的多孔質(zhì)氧化鋁陶瓷需經(jīng)專門燒結(jié)制備，工藝流程復(fù)雜，目前克蘭菲爾德大學(xué)的研究僅完成了單軸承臺架試驗，水潤滑陶瓷主軸整機(jī)的研制工作尚待開展。世界著名的主軸制造商均將高轉(zhuǎn)速、高扭矩、高剛度的水潤滑主軸作為重點研發(fā)對象，IBAG公司開發(fā)的40 000 r/min主軸功率達(dá)到50 kW，F(xiàn)ischer公司提出的40 000 r/min主軸功率高達(dá)80 kW，由于技術(shù)保密原因，尚未公開主軸的具體結(jié)構(gòu)[5]。

東南大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)等機(jī)構(gòu)在水潤滑陶瓷主軸的研究方面開展了各具特色的工作。東南大學(xué)在水潤滑主軸方面開展了全面研究工作，包括抗空蝕軸承材料、水潤滑軸承主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、高速水潤滑主軸的靜動態(tài)特性和水潤滑主軸轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性等[18-21]。針對高速水潤滑軸承材料易空蝕失效這一問題，提出把陶瓷涂層技術(shù)運用到主軸上，具體包括將氧化鋁陶瓷涂層沉積到鋁合金軸瓦上、將類金剛石（DLC）涂層制備到不銹鋼軸瓦上和將鈦基陶瓷涂層沉積到合金軸徑上等，并開展了高速水軸承材料抗空蝕的臺架試驗研究[19-21]。西安交通大學(xué)在水潤滑軸承領(lǐng)域的研究極大推動了中國在此方向的發(fā)展，研究內(nèi)容包括節(jié)流器節(jié)流系數(shù)、流固耦合傳熱計算、密封結(jié)構(gòu)、陶瓷軸瓦熱特性、主軸動力學(xué)、水潤滑軸承試驗等各個方面[22-25]。近期，西安交通大學(xué)針對動靜壓陶瓷軸承的熱特性開展了系統(tǒng)性研究工作，采用氧化鋁陶瓷制造了動靜壓軸承的軸瓦，通過實驗對比了氧化鋁陶瓷和傳統(tǒng)錫青銅軸瓦的性能，經(jīng)數(shù)值計算方法計算了3種陶瓷材料的極限工作溫度。計算結(jié)果表明：相對于錫青銅材料，氮化硅、氧化鋁和碳化硅3種陶瓷材料分別能夠使水潤滑軸承的極限工作溫度提高21.7%，27.2%和30.7%。沈陽建筑大學(xué)在全陶瓷主軸領(lǐng)域開展了開創(chuàng)性的工作，將傳統(tǒng)陶瓷球軸承的內(nèi)圈與主軸融為一體，提出了一種無內(nèi)圈式高速陶瓷電主軸單元，并針對陶瓷軸承、主軸電機(jī)、精密加工和裝配等陶瓷電主軸關(guān)鍵技術(shù)開展了系統(tǒng)性研究[26-27]。天津大學(xué)從2003年起開展水潤滑陶瓷軸承主軸的研究工作，提出了一種基于黏度可調(diào)水基潤滑劑的水潤滑陶瓷軸承主軸，主要研究內(nèi)容包括：1）為解決純水黏度過低的問題，提出了在水中加入增黏劑，形成黏度可控的綠色水基潤滑劑[28-29];2）開展了各種工程陶瓷材料摩擦磨損試驗，發(fā)現(xiàn)硅基陶瓷水基潤滑下摩擦系數(shù)能夠低至0001量級[7，30-31];3）開展了軸承的熱彈性流體動力潤滑計算[32];4）針對高速軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學(xué)開展研究，包括潤滑劑非牛頓效應(yīng)[33]、非線性阻尼支撐的影響[34]等;5）針對陶瓷材料斷裂韌性較低這一難題，設(shè)計了全包容性的陶瓷軸承結(jié)構(gòu)和主軸結(jié)構(gòu)，已獲得多項國家發(fā)明專利授權(quán)[35-36];6）研制了完全采用水潤滑陶瓷軸承的電主軸樣機(jī)，并開展了樣機(jī)試驗[37]。

綜上，水潤滑陶瓷主軸是水潤滑技術(shù)和陶瓷軸承技術(shù)相結(jié)合的一種高速高性能機(jī)床主軸形式，無論在學(xué)術(shù)界還是在工業(yè)界均受到廣泛關(guān)注。但是水潤滑陶瓷主軸涉及到材料摩擦學(xué)、軸承潤滑理論、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、軸承設(shè)計與精密加工等多方面的關(guān)鍵技術(shù)，尚存在一系列問題需要突破。

2?關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

2.1?水潤滑陶瓷摩擦副的“超滑效應(yīng)”及其摩擦學(xué)研究

“超滑效應(yīng)”通常指2個物體表面之間的滑動摩擦系數(shù)在0.001量級或者更小的潤滑狀態(tài)[38]。1987年，TOMIZAWA和FISCHER[8]首次發(fā)現(xiàn)：在水潤滑條件下，自配副硅基陶瓷材料能夠在6.5 cm/s的相對滑動速度、4.91 N的載荷下，實現(xiàn)低于0.002的摩擦系數(shù)，此現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)開啟了陶瓷材料水潤滑摩擦學(xué)的研究。常用的工程陶瓷材料主要包括碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯等[6]，為探究在水潤滑條件下具有最佳摩擦磨損特性的陶瓷摩擦副材料，研究者對常用陶瓷材料開展了比較全面的摩擦學(xué)實驗研究。

芬蘭國家技術(shù)研究院的ANDERSSON等[39-43]對各種陶瓷材料進(jìn)行了自配副和互配副的摩擦磨損試驗，試驗形式包括球-盤試驗、軸-軸套試驗，試驗條件涵蓋了干摩擦、水潤滑等多種工況。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）陶瓷材料自配副相對于互配副表現(xiàn)更優(yōu);2）自配副碳化硅陶瓷在水潤滑下具有最高的承載能力;3）自配副碳化硅在水潤滑10 000次重復(fù)啟停試驗后磨損量最低;4）自配副氮化硅具有最低的摩擦系數(shù)。在國際摩擦學(xué)領(lǐng)域負(fù)有盛名的日本東北大學(xué)KATO課題組對水潤滑陶瓷摩擦學(xué)研究做出了巨大貢獻(xiàn)（參見圖3），包括如下研究內(nèi)容：1）解釋了硅基陶瓷材料超滑效應(yīng)的機(jī)理，由于雙電層效應(yīng)形成極低的摩擦系數(shù)[44]，陶瓷表面的摩擦化學(xué)反應(yīng)使其表面生成膠狀二氧化硅膜;2）系統(tǒng)分析了自配副氮化硅和碳化硅的摩擦磨損機(jī)理[45-47];3）將水潤滑/碳化硅摩擦副與油潤滑/金屬摩擦副進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)水潤滑/碳化硅摩擦副在承載能力、動壓潤滑臨界條件、耐磨性方面具有較大優(yōu)勢[10]。美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院的學(xué)者對硅基陶瓷材料在水潤滑下的摩擦化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了深入探討，并對各種醇類添加劑的作用開展了研究[48-50]。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的學(xué)者通過在水中加入高分子刷狀添加劑，有效降低了自配副氮化硅和碳化硅摩擦副的摩擦系數(shù)，提高了承載能力[51]。

清華大學(xué)通過在水中加入丙三醇、硼酸、磷酸等添加劑，使氮化硅/藍(lán)寶石玻璃摩擦副在高達(dá)1.5 GPa的載荷下，實現(xiàn)了低至0.003的摩擦系數(shù)[9，52]。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所在水潤滑陶瓷材料摩擦學(xué)方面進(jìn)行了多年研究，近期研究了水潤滑條件下硅基陶瓷材料與Ti3AlC2陶瓷配對后的摩擦磨損特性[53-54]。南京航空航天大學(xué)近期在離子注入、陶瓷涂層對摩擦學(xué)特性的影響方面也取得一系列進(jìn)展[55-57]。天津大學(xué)在水潤滑陶瓷摩擦學(xué)方向的研究內(nèi)容主要包括各種工程陶瓷材料的自配副與互配副摩擦磨損性能、水基綠色潤滑劑下氮化硅與碳化硅摩擦學(xué)性能對比[31]、硅基陶瓷材料在低元醇水溶液中的超滑效應(yīng)[7，30]等。

水潤滑硅基陶瓷材料“超滑效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)，以及自配副碳化硅高承載、低磨損機(jī)理的探明，為實現(xiàn)低摩擦高耐磨水潤滑主軸提供了有力的技術(shù)支撐。但是，在以下幾個方面的研究還需要深入：在水基潤滑添加劑方面，仍然存在添加劑成本高、壽命短等問題;在陶瓷軸承材料方面，雖然目前已通過結(jié)構(gòu)設(shè)計提高了陶瓷軸承的可靠性，但是如果能夠開發(fā)出斷裂韌性更高的耐沖擊陶瓷材料，將極大簡化陶瓷主軸結(jié)構(gòu)，降低成本;在陶瓷涂層方面，需要開發(fā)適用于主軸的耐磨損、耐腐蝕涂層。

2.2?高速水潤滑主軸軸承潤滑建模與分析研究

高速水潤滑主軸軸承潤滑建模與分析需考慮軸承結(jié)構(gòu)、高速湍流、熱效應(yīng)、彈性變形等多方面因素，目前國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已開展了一系列研究。

美國德克薩斯A&M大學(xué)在水潤滑主軸靜動態(tài)特性分析與試驗方面的研究比較深入，包括：1）基于湍流理論分析了水潤滑靜壓軸承不對中的影響[58];2）針對小孔節(jié)流動靜壓水潤滑軸承的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性進(jìn)行了研究[59];3）開展了基于Moody湍流模型的靜壓軸承熱動力學(xué)研究，結(jié)果表明：水潤滑靜壓軸承雖然有外部高壓供給，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速超過臨界值時同樣會出現(xiàn)劇烈的“半頻渦動”[60]。日本東京理科大學(xué)在水潤滑主軸的研究方面對帶有螺旋槽的水潤滑靜壓圓錐軸承主軸的穩(wěn)定性開展了研究[61]，并對薄膜節(jié)流水潤滑靜壓推力軸承開展了研究[62]。

西安交通大學(xué)的相關(guān)研究主要包括：1）基于bulk-flow熱流體模型分析了深淺腔動靜壓軸承的性能[25];2）考慮湍流效應(yīng)和熱效應(yīng)分析了主軸的特性，發(fā)現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速下動壓效應(yīng)對動靜壓軸承性能起主導(dǎo)作用[24];3）對水潤滑主軸開展了試驗（徑向軸承采用水潤滑軸承、止推軸承采用滾動軸承），DN值達(dá)到120萬mm·r/min[22]。東南大學(xué)的研究主要包括：1）針對深淺腔軸承的湍流效應(yīng)，基于bulk-flow模型修正湍流雷諾方程和能量方程，求解得到主軸特性[20];2）針對高速離心力問題開展研究，結(jié)果顯示離心力會降低軸承剛度[18];3）針對軸承傾斜效應(yīng)開展研究[63]。北京科技大學(xué)針對燃料電池汽車增壓器研制了超高速水潤滑主軸，主要研究包括：1）針對高速穩(wěn)定性問題，對比了2種軸承液腔形式的動力學(xué)特性和臨界轉(zhuǎn)速[64];2）研究了抗振性能，DN值到達(dá)155萬mm·r/min[65]。天津大學(xué)針對水潤滑陶瓷軸承的動態(tài)特性開展了一系列研究工作，包括：1）針對水基潤滑多孔質(zhì)節(jié)流器的陶瓷動靜壓軸承，采用求解修正Reynolds方程并調(diào)用有限元分析軟件的方法，完成了軸承的TEHD數(shù)值理論計算與黏度、結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[66];2）開展了基于非牛頓流體潤滑的軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力學(xué)分析[33];3）對非線性阻尼支撐及軸承參數(shù)對系統(tǒng)非線性行為的影響進(jìn)行了討論[34]。

當(dāng)前在水潤滑主軸軸承潤滑建模與分析方面已取得一定進(jìn)展。但是，針對高速水潤滑陶瓷主軸的特點，需要綜合考慮陶瓷軸承加工精度及表面粗糙度、水基潤滑劑的非牛頓流體效應(yīng)、高速湍流效應(yīng)、溫黏效應(yīng)等因素，建立水潤滑陶瓷軸承潤滑理論精確模型，進(jìn)而開展主軸靜動態(tài)特性分析。

2.3?降階分析方法在高速軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)分析中的應(yīng)用研究

在復(fù)雜力學(xué)系統(tǒng)、流體機(jī)械等系統(tǒng)設(shè)計中，都涉及到復(fù)雜動力系統(tǒng)的設(shè)計、仿真、優(yōu)化與控制，這些系統(tǒng)一般采用微分方程描述，方程的維數(shù)通常比較高，給設(shè)計和仿真帶來了巨大挑戰(zhàn)。研究者一直致力于尋找能夠在降低系統(tǒng)規(guī)模的同時，還能夠保持固有性質(zhì)或結(jié)構(gòu)的有效方法，模型降階分析方法就是處理大型系統(tǒng)近似過程的一類有效方法[67]，主要包括：本征正交分解技術(shù)（proper orthogonal decomposition，POD）方法、特征模態(tài)法、諧波平衡法、系統(tǒng)辨識法、基于中心流形的降階方法、Lyapunov-Schmidt（L-S）方法、非線性Galerkin方法等[68-69]。超高速水潤滑陶瓷主軸系統(tǒng)是典型的復(fù)雜流固耦合系統(tǒng)，其軸承-轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性的建模與求解急需最新的降階分析理論作支撐。

美國德克薩斯A&M大學(xué)針對高速渦輪轉(zhuǎn)子與定子的耦合作用，基于Galerkin法對系統(tǒng)進(jìn)行了降維建模，取得了很好的效果[70]。伊利諾伊大學(xué)對受碰摩影響的懸臂軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了降維分析數(shù)值計算及試驗驗證[71]。美國杜克大學(xué)的研究人員在復(fù)雜流固耦合系統(tǒng)的降階理論和試驗方面開展深入研究，最新成果包括：1）針對高超音速飛行器壁板的非線性顫振問題，提出了高效POD降階方法，計算效率比傳統(tǒng)投影POD方法提高2個數(shù)量級[72];2）針對非穩(wěn)態(tài)空氣動力學(xué)響應(yīng)的簡化建模問題，提出了一種非線性狀態(tài)空間基識別方法，具有良好的穩(wěn)定性[73];3）近期具有突破性的進(jìn)展是針對N-S方程的降階研究，基于POD方法構(gòu)建了具有穩(wěn)定性的低階N-S方程。與傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗湍流模型或修正模型所不同的是，此方法給出了不同于傳統(tǒng)POD基函數(shù)的空間基函數(shù)，在高雷諾數(shù)湍流模擬（如圖4所示）中計算效率比傳統(tǒng)方法提高2個數(shù)量級以上[74-76]。

中國高校在復(fù)雜軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的降階分析研究方面取得了一系列進(jìn)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究主要包括：1）針對高維非線性軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的降階與動特性問題，提出了預(yù)估校正Galerkin法[77];2）針對油膜失穩(wěn)、裂紋、碰摩等故障，提出了非線性瞬態(tài)POD方法[78];3）基于慣性流形方法與本征正交分解方法提出一種改進(jìn)的POD降維方法[79]。東北大學(xué)采用固定界面模態(tài)綜合降維法，將原高維系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為低維系統(tǒng)，采用Newmark-β法求解[80]。天津大學(xué)將非線性Galerkin方法用于連續(xù)轉(zhuǎn)子-軸承-密封系統(tǒng)的非線性動力學(xué)演化規(guī)律分析[81]，并應(yīng)用于滾動軸承不對中、碰摩故障引起的復(fù)雜非線性問題[82]。

上述降階方法目前主要應(yīng)用于常規(guī)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的分析，對于水潤滑陶瓷主軸需要根據(jù)主軸特征開展降階分析方法的適用性研究。綜上，流固耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性降階理論和軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性降階理論的最新進(jìn)展，為開展高速水潤滑陶瓷主軸的非線性動力學(xué)分析提供了嶄新的理論工具，有望在極高的計算效率下精確反映系統(tǒng)的非線性特征，從而實現(xiàn)對主軸非線性動力學(xué)行為的精準(zhǔn)預(yù)測與調(diào)控。

2.4?表面織構(gòu)在水潤滑陶瓷主軸上的應(yīng)用研究

表面織構(gòu)是在物體表面通過主動設(shè)計和加工，制備出按照預(yù)設(shè)規(guī)則排布的微細(xì)結(jié)構(gòu)[83]。近10年來，表面織構(gòu)作為一種可以顯著提高界面性能的方法，成為界面科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點[84]。目前，表面織構(gòu)已被成功應(yīng)用于減摩、抗磨、減振等領(lǐng)域。激光加工工藝的成熟使不同類型、尺寸表面織構(gòu)的低成本加工逐漸成為可能。圖5所示為楊成娟等[85]通過納秒激光制備的鈦表面織構(gòu)。在傳統(tǒng)動靜壓軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通常采用優(yōu)化液腔結(jié)構(gòu)、尺寸和數(shù)量等方式提高軸承的承載能力和動態(tài)穩(wěn)定性。將表面織構(gòu)引入軸承設(shè)計中，通過對軸承表面宏觀結(jié)構(gòu)和微觀織構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化，形成功能化多尺度界面，將極大改善水潤滑軸承的承載能力和動態(tài)穩(wěn)定性。

表面織構(gòu)能夠有效提高水潤滑陶瓷摩擦副的承載能力。最為著名的是日本東北大學(xué)的WANG等[10]將織構(gòu)化的水潤滑碳化硅摩擦副和油潤滑錫青銅摩擦副進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)水潤滑碳化硅摩擦副形成動壓潤滑所需的臨界值僅為后者的1/15，而且織構(gòu)化后摩擦系數(shù)降至驚人的0.000 6，研究人員還對碳化硅表面單一及混合織構(gòu)的承載力進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)混合織構(gòu)高于單一大或小單元織構(gòu)表面的承載力[86]。

表面織構(gòu)還能夠提高水潤滑轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。西安交通大學(xué)對水潤滑無織構(gòu)轉(zhuǎn)子和有織構(gòu)轉(zhuǎn)子的振動進(jìn)行測試，實驗結(jié)果表明，在相同供水壓力和轉(zhuǎn)速條件下，有織構(gòu)轉(zhuǎn)子較無織構(gòu)轉(zhuǎn)子的相對振動量下降幅度超過60%，即使在發(fā)生水膜振蕩的情況下，表面織構(gòu)依然可以顯著減小轉(zhuǎn)子的振動[87]。2018年，英國南安普頓大學(xué)[88]、德國卡爾斯魯厄工業(yè)大學(xué)[89]、美國路易斯安那州立大學(xué)[90]相繼發(fā)表了表面織構(gòu)對軸承性能優(yōu)化的研究成果。

綜上，通過表面織構(gòu)提高軸承承載能力、改善軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性已成為研究熱點。但是，在高速水潤滑陶瓷主軸上成功運用表面織構(gòu)提高主軸性能，還需要在以下幾個方面開展深入研究：1）表面織構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng);2）表面織構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化;3）表面織構(gòu)的低成本、高效加工方法。

3?結(jié)論與展望

高速高性能機(jī)床是世界各國先進(jìn)制造業(yè)競爭的制高點，水潤滑陶瓷主軸因具有高轉(zhuǎn)速、高精度、高負(fù)載、低能耗等特性，被視為下一代高性能機(jī)床的核心部件。國內(nèi)外學(xué)術(shù)和工業(yè)界對水潤滑陶瓷主軸已開展了十幾年的研究，研究結(jié)果已初步展示出其優(yōu)異性能。但是，水潤滑陶瓷主軸涉及摩擦學(xué)、潤滑理論、計算方法、表面工程等多領(lǐng)域內(nèi)容，在以下4個方面還需開展更為深入的研究工作。