高速无内圈式陶瓷电主轴设计开发与实验研究

利用高性能结构陶瓷作为高速主轴及轴承材料研制开发了一种无内圈式高速陶瓷电主轴单元,进行了陶瓷轴承失效机理的分析与内部结构参数的优化,确定了高速陶瓷电主轴-轴承的最佳预负荷及最佳润滑条件,实现了高速陶瓷电主轴单元样机的精密装配,并对其进行了综合性能测试与分析.结果表明,在最佳预负荷和油气润滑条件下,高速陶瓷电主轴可充分发挥结构陶瓷材料优良的综合性能,如高硬度、低热膨胀性、轻重量、高耐磨性和好的化学及热性能,极大地减小了主轴-轴承单元高速旋转的离心力和惯性力,并有效提高了电主轴系统的精度、刚度和使用寿命,且运行稳定可靠,精度保持性好.     

表面微织构对滑动轴承支撑主轴稳定性的影响

针对主轴表面微织构对轴承转子系统稳定性的影响问题,利用CFD仿真的方法,对一种轴承的动静特性进行了研究,使用APDL建立了该环槽轴承的模型。对仿真结果与实验进行了对比,验证了该模型下CFD仿真计算方法的正确性,并系统研究了深隙比、深宽比及径宽比等织构参数对轴承静动特性的影响。结果表明:添加表面微织构将会使轴承的承载力下降,但同时能够有效降低轴承的温升;在特定的织构参数下,微织构可明显改善轴承的动特性参数;相比于无织构的系统,有微织构的转子系统对数衰减率提高的幅度可达45.5%;对于滑动轴承支撑的主轴,在润滑表面添加合理参数的微织构后,能够有效提高转子系统的稳定性。     

表面织构对转子轴承系统稳定性影响的实验研究

为了研究表面织构对高速精密机床支撑滑动轴承系统振动的影响,利用一种在轴颈表面大规模加工表面织构的低成本、高效率的方法,设计并制备了带有表面织构的转子。采用无织构和有织构两种转子,在供水压力分别为0.16MPa、0.30MPa及工作转速分别为2 400r/min、4 200r/min和6 000r/min的工况下,采用在主轴上附加不平衡质量的方法施加同频激振力,分别对无织构转子和有织构转子的振动进行测试分析。实验结果表明:在一定供水压力和转速条件下,表面织构抑制转子轴承系统振动的作用变得非常明显,有织构转子较无织构转子的相对振动量下降幅度超过60%,即使在发生水膜振荡的情况下,表面织构依然可以显著减小转子的振动幅值。因此,合理的表面织构设计,可以有效提高径向滑动轴承支撑的转子系统的稳定性。     

高速主轴用陶瓷滚动轴承

根据近年来国外高速轴承的研究成果，对混合式陶瓷球轴承的特点、陶瓷球的材料与加工、轴承结构及润滑等进行了详细论述与分析     

陶瓷轴承电主轴单元的设计与研究

介绍了高速机床用电主轴优良特性及其应用现状·结合磨用电主轴单元的研制实践,探讨了高速电主轴单元设计制造中的结构布局型式设计,研究了电主轴轴承的选用,陶瓷轴承的力学性能分析和轴承轴向预负荷的确定,分析了电主轴单元的冷却与润滑系统的设置·高速电主轴的性能试验表明,该型电主轴设计合理,动、静态性能指标符合要求,为其在高速机床上的实际应用提供一定的技术依据·     

难溶气体对水润滑轴承特性影响分析

水润滑轴承相比传统油润滑轴承,凭借其独特的优势,在各类高速精密旋转机械中均有重要应用.在实际工况中,润滑水中不可避免的混入一定量的难溶气体,参与整个润滑过程.运用计算流体力学CFD软件Fluent,基于气液两相流理论,对考虑湍流及气穴效应的高速水润滑轴承特性进行求解分析,研究难溶气体的含量对轴承间隙气相分布、压力峰值、轴承性能等特性的影响.结果表明:在高速水润滑轴承间隙中,气相基本分布于发散楔中,且最大气体体积分数存在于轴表面;在较小偏心情况下,一定量的难溶气体使轴承间隙内气相分布发生偏移,轴承承载力有所降低,但是对压力峰值和摩擦功耗并无明显影响;随着轴承偏心的增加,影响逐渐消失.     

高速高轴用陶瓷滚动轴承

根据近年一国外高速轴承的研究成果，对混合式陶瓷球轴承的特点，陶瓷球的材料与加工，轴承结构及润滑等进行了详细论述与分析。     

激光加工凹坑织构对赛龙表面润湿性的影响

为探究凹坑织构对表面润湿性的影响以及表面形貌与润湿性之间的关系,提高水润滑轴承材料表面的润湿性,以赛龙材料为研究对象,使用激光雕刻机在试样表面加工不同凹坑织构.使用接触角测量仪测量表面接触角,运用三维形貌仪和扫描电子显微镜对加工后表面形貌分别进行宏观和微观的测量及表征.选取ISO25178中部分三维参数分析表面形貌与润湿性之间的关系.建立凹坑织构几何模型,基于过渡理论分析凹坑形貌变化对表面接触角的影响机理.研究结果表明:合适的织构设计可以有效提高表面润湿性,减小接触角;织构直径和深度越大,材料表面的接触角越小;ISO25178三维参数体系中峭度、偏斜度与表面润湿性之间有较强的关联性,峭度越小,偏斜度越大,表面润湿性越好;表面接触角余弦值与粗糙度率的变化趋势一致,接触角随粗糙度率增加而降低;通过过渡模型建立了织构参数和接触角之间的函数方程,并通过拟合法对其进行了优化.     

液压缸活塞微织构化表面动压润滑性能理论研究

为研究液压缸活塞微织构化表面的动压润滑性能,在液压缸活塞表面加工开口形状为圆形、椭圆形、正方形、正六边形的微织构,利用雷诺方程对活塞表面与液压缸缸筒内圆之间的流场进行数学建模,并采用MATLAB软件进行仿真计算,研究微织构开口形状、活塞运动速度及微织构深径比对活塞表面动压润滑性能的影响。结果表明,在活塞表面加工4种不同开口形状的微织构均可改善活塞表面的动压润滑性能,其中椭圆形微织构的改善效果略差;随着活塞运动速度的提高,不同形貌微织构表面的摩擦因数均增大,活塞表面动压润滑性能变差;圆形微织构的深径比为0.009时,活塞表面的动压润滑性能较佳。     

织构滑移表面对滑块轴承摩擦学性能的影响

为了揭示表面织构对轴承摩擦学性能的影响以指导轴承微织构的优化设计,采用速度滑移边界表征表面织构宏、微观相互作用的综合效果,并将其施加到有微织构的轴承表面,研究了织构的分布位置、面积等宏观参数对滑块轴承摩擦阻力和承载能力的影响规律.分析结果表明:表面织构可以降低轴承的摩擦阻力,且织构面积越大减阻效果越显著;低速时减阻能力与织构分布位置无关,高速时织构越靠近出口减阻效果越好;表面织构的分布位置对轴承承载能力的影响显著且复杂,特别是无量纲织构区域的起始点和终止点的位置;轴承表面完全织构化将显著降低承载能力;表面织构位于进口时可以提高承载能力,位于出口时将会降低承载能力.上述结果说明合理的表面织构设计可以有效提高轴承的摩擦学性能.     

织构化的铝合金表面摩擦学特性研究

本文利用精密加工方法在铝合金表面加工出不同的织构,通过摩擦磨损试验研究了表面织构形态对试样动压润滑、摩擦磨损特性的影响。结果表明,铝合金表面织构化可以有效地改善其摩擦学特性。条纹状织构深度越深,动压润滑效果越好,摩擦系数越小,磨损深度越浅;当网状织构夹角由小变大时,试件表面摩擦系数呈现抛物线变化,磨损深度随之增大。     

Compound machining of silicon carbide ceramics by high speed end electrical discharge milling and mechanical grinding

A compound process that integrates end electrical discharge (ED) milling and mechanical grinding to machine silicon carbide (SiC) ceramics is developed in this paper. The process employs a turntable with several uniformly-distributed cylindrical copper electrodes and abrasive sticks as the tool, and uses a water-based emulsion as the machining fluid. End electrical discharge milling and mechanical grinding happen alternately and are mutually beneficial, so the process is able to effectively machine a large surface area on SiC ceramic with a good surface quality. The machining principle and characteristics of the technique are introduced. The effects of polarity, pulse duration, pulse interval, open-circuit voltage, discharge current, diamond grit size, emulsion concentration, emulsion flux, milling depth and tool stick number on performance parameters such as the material removal rate, tool wear ratio, and surface roughness have been investigated. In addition, the microstructure of the machined surface under different machining conditions is examined with a scanning electron microscope and an energy dispersive spectrometer. The SiC ceramic was mainly removed by end ED milling during the initial rough machining mode, whereas it is mainly removed by mechanical grinding during the later finer machining mode; moreover, the tool material can transfer to the workpiece surface during the compound process.     

水润滑条件对UHMWPE复合材料的摩擦行为影响研究

为研究不同水润滑条件对超高分子量聚乙烯/橡胶复合材料摩擦过程的影响,通过高温混炼和热压成型制备不同橡胶填充不同UHMWPE复合材料.利用Mrh-3型环块摩擦实验机,通过控制变量法定量研究不同组分复合材料的摩擦磨损性能,从而优选出最终UHMWPE复合材料.针对选定材料研究3种水润滑工况对摩擦过程的影响,同时利用SEM分析磨损表面,从微观层面探究摩擦机理.实验结果表明,水润滑条件对UHMWPE复合材料摩擦磨损性能指标影响显著,对应的磨损机理迥异,润滑条件的改善可使磨合期变短,稳定磨损期变长.从微观和定量方面综合评估了舰艇水润滑轴承材料在不同水润滑条件下的磨损状况,可为工况规划与实际应用提供理论指导.     

氧化锆陶瓷微尺度磨削表面质量试验研究

为提高氧化锆陶瓷零件微细加工过程中的加工表面质量,改善氧化锆陶瓷零件的使用寿命,采用0.9 mm磨头直径、500#磨粒的微磨棒对氧化锆陶瓷进行微尺度磨削三因素五水平正交试验.首先通过极差和方差分析,研究了磨削参数影响氧化锆陶瓷表面质量主次因素;其次优化出获得较低表面粗糙度值的工艺参数组合;最后通过单因素试验研究氧化锆陶瓷磨削表面粗糙度随磨削参数的变化规律.结果表明,磨削参数对表面粗糙度影响顺序依次为:磨削深度、进给速度、主轴转速;当主轴转速v_s=40 000 r/min,进给速度v_w=20μm/s,磨削深度a_p=3μm时,表面粗糙度最小;表面粗糙度随主轴转速增大呈先下降后上升的趋势,随进给速度和磨削深度的增大而增大.     

混合陶瓷球轴承油气润滑与预紧力的实验研究

对混合陶瓷球轴承的油气润滑和预紧进行了试验研究。具体测试了轴承预紧力、油气润滑供油量以及主轴转速对主轴温升的影响关系，确定了混合陶瓷球轴承合理的油气润滑参数和预紧力，并与钢轴承进行了试验对比。     

椭圆形截面织构的最优参数设计模型

为建立流体润滑状态下表面织构的最优参数设计模型,采用求解表面织构润滑计算模型的方法研究织构参数和工况参数对摩擦因数的影响规律.研究结果表明:最优织构直径越大,其对应的最优织构深度也越大;深径比参数不能作为织构尺寸参数对摩擦因数影响的唯一表征,即织构直径和深度2个参数应分别进行研究,但当深径比在0.005～0.01之间时,不论织构直径和深度如何,其对应的摩擦因数均较小;最优织构面积比与织构尺寸参数及工况参数无关;载荷越大,速度越小,对应的最优织构深度越小,而最优织构直径越大.在仿真结果的基础上,建立椭圆形截面织构的最优参数设计模型,并对模型进行试验验证和应用分析.     

基于水基MQL的DD5单晶合金铣削表面粗糙度研究

为探究DD5单晶镍基高温合金铣削表面质量,基于响应曲面法及水基微量润滑技术,采用四刃整体立铣刀在(001)晶面上沿［110］晶向进行槽铣实验.以主轴线速度、每齿进给量、切削液流速、空气压强及水油流量比为变量,表面粗糙度R_○a为评价指标,基于极差和方差分析,找出显著影响铣削表面质量的冷却和铣削参数,并对其交互效应机理进行深入分析.进而采用逐步回归方法和粒子群优化算法对铣削表面粗糙度进行预测和优化,并基于均匀化设计对预测和优化结果进行评价.     

陶瓷磨削的表面/亚表面损伤

磨削是目前工程陶瓷的主要加工方法，本文主要对国内外在陶瓷磨削后工件表面／亚表面损伤（主要是微裂纹和表面残余应力）方面所作的研究成果进行了总结、分析和讨论，提出了一些有待研究的问题及其研究思路。同时就作者所承担项目“纳米结构材料精密磨削及其预报”研究中的临界砂轮磨粒切深（dc)和被磨工件临界损伤深度Cr(临界中位裂纹长度）的预测模型进行了分析，并建立了临界砂轮磨粒切深（dc)理论模型。     

混合陶瓷球轴承的选型研究

混合陶瓷球轴承是支承高速电主轴的主要轴承类型之一,其运转状况直接影响到电主轴的可靠性,为此必须选择合适的混合陶瓷球轴承。系统地阐述了混合陶瓷球轴承的选型依据,包括类型选择、尺寸选择以及对极限转速的验算等,其中重点推导了混合陶瓷球轴承中的陶瓷球及轴承外圈的寿命估算公式及其在不同可靠度要求下寿命修正系数的计算式,进而得到陶瓷球及轴承外圈的基本额定动载荷,提出所选取的陶瓷球轴承需符合的要求。