摘　要: 为了减少热变形,提高高速精密磨床砂轮主轴系统的精度,将隔热涂层应用于深浅油腔动静压轴承.应用FLUENT 和ANSYS 两个有限元软件联合仿真分析了不同厚度与不同热导率的隔热涂层在不同的动静压轴承供油压力、主轴转速等因素下的轴承热结构特性.结果表明:动静压轴承的温度和热变形以及它们的均布程度,都随着隔热涂层厚度的增大逐渐降低,随着隔热涂层热导率的减小而减小,随着轴承供油压力的增加而减小,随着轴承主轴转速的减小而减小;隔热涂层还具有均化轴承温度场和热变形分布的作用.高性能隔热涂层将明显降低轴承主轴热变形并且使其热变形均布,最终明显提高高速精密磨床砂轮主轴系统的加工精度.

　　关键词:　高速精密磨床;主轴;液体动静压轴承;隔热涂层;温度场;热变形热误差是数控机床的主要误差源之一,由温度升高以及分布不均引起的误差占机床总误差的40%——70%,对于磨床这样的超精密机床影响尤其重大,热问题已经成为了影响精密磨削机床精度的关键因素[1-2].热误差是指机床部件在加工过程中因温度变化而发生热变形,导致工件和刀具之间产生的相对位移.其对工件加工精度产生不利影响.对于高速精密磨床而言,砂轮主轴系统性能至关重要,而决定主轴性能的关键部件就是轴承.目前广泛应用在高速精密磨床上的轴承为液体动静压轴承,它综合了静、动压轴承的特点,具有精度高、刚性好、磨损小、承载能力强、使用寿命长、动态特性好等突出优点.

　　动静压轴承在高转速、大载荷等工况下,存在较高温升以及温度分布不均等问题,进而使轴承产生较大的和不均匀的热变形,最终影响到磨床砂轮主轴的磨削加工精度.怎样降低轴承的温升和使温升均布,从而减小轴承的热变形和其对主轴系统精度的不利影响,已成为当下高速精密磨削机床主轴系统研究领域里一项非常重要的课题[3].在降低温升的措施中,有较多的文献提到了在内燃机、飞行器以及许多重要装备上涂上隔热涂层来进行降低温升和热变形[4 - 5 ],并且取得了较好的效果.但目前隔热涂层用到高速精密机床主轴轴承系统中来降低温升和减少热变形还没有报道.

　　本文首次提出将隔热涂层应用于高速精密磨床砂轮主轴液体动静压轴承,并建立油膜涂层轴承流固耦合计算分析模型,应用FLUENT-ANSYS 两个有限元软件联合仿真分析了不同厚度与不同热导率的隔热涂层在不同的轴承供油压力、主轴转速等因素下的轴承热结构特性,为隔热涂层在高速精密磨床动静压砂轮主轴上的应用提供理论依据.

　　1 、油膜涂层轴承流固耦合模型

　　1 .1 　轴承三维建模

　　本文中的高速精密磨床砂轮主轴深浅腔动静压轴承兼具静压和动压的优点,其外部毛细管节流器的深油腔具有较高静压承载能力,同时在阶梯浅油腔及封油面上产生较强的流体动压承载能力.工作原理就是主轴启动时以深腔静压效应和浅腔阶梯静压效应将主轴托起;主轴高速运转时产生的浅腔阶梯效应以及浅腔动压楔形效应会使轴承的动静压承载能力大大增强,参数匹配得当就可以有效地对轴承的承载能力、刚度以及温升进行控制,是一种综合性能较优的高速精密磨床砂轮主轴动静压轴承.轴承的结构和三维模型如图1 所示(因模型沿O-XY 平面对称(即轴承是轴向对称的),故可以只取一半模型来提高计算效率).轴承的相关结构参数如表1 所示.

轴承展-2017年广州国际轴承及其装备展览会-2017 China(Guangzhou) Int’l Bearing and Equipment Exhibition