摘　要:為了減少熱變形（xíng）,提（tí）高高（gāo）速精密磨床砂輪主軸係統的精度,將隔熱塗層應用於深淺油腔（qiāng）動靜壓軸承.應用FLUENT 和ANSYS 兩個有限元軟件聯合（hé）仿真分析了（le）不同厚度與不（bú）同熱導率的隔熱塗層（céng）在不（bú）同的動靜壓軸承供油壓力、主軸轉速等因素下（xià）的軸承熱結構特性.結果表明:動靜壓軸承的（de）溫度和熱（rè）變形以及它們的均布程度,都隨著隔熱塗層厚度的增（zēng）大逐漸降低,隨著（zhe）隔熱（rè）塗層（céng）熱導率的減（jiǎn）小而減小,隨著軸承供油壓力的增加而減小,隨著軸承主軸轉速的減小而（ér）減小;隔（gé）熱塗層（céng）還具（jù）有均化軸承溫度場和熱變形分布的作用.高性能（néng）隔熱塗（tú）層將明顯降低軸承主（zhǔ）軸熱變形（xíng）並且使其熱變形均布,最終明顯提高高速（sù）精（jīng）密磨床砂輪主軸係統的加工（gōng）精度.

     關鍵詞:高速精密磨（mó）床;主軸;液體動靜壓軸承;隔熱塗層（céng）;溫度場;熱變形
   
     熱誤差是（shì）數控機床的（de）主（zhǔ）要誤差源之一,由溫度升高以及分（fèn）布不均引起的誤（wù）差占機床總誤差的40%~70%,對於（yú）磨床這樣的超精（jīng）密機床影響尤其重（chóng）大,熱問題已（yǐ）經成為了影響（xiǎng）精密磨削機床精（jīng）度的關鍵因素[1-2].熱誤差是指機床部件在加工過程中因溫度變化而發生熱變形,導致工件和刀具之間產生的相對位移.其對工件加（jiā）工精度產生不利影響（xiǎng）.對於高速精密（mì）磨床而言,砂輪主軸係統性能至關重要（yào）,而決定主（zhǔ）軸性能的關鍵部件就是軸承.目前廣泛應用在高速精密磨床上的軸（zhóu）承為液體動靜壓軸承,它（tā）綜合了靜、動壓軸承（chéng）的特點,具有精度高、剛性好、磨損小、承載能力強、使用壽命長、動態特性好等突（tū）出優點.
 
     動靜壓軸承在高轉速、大載荷等工況下,存（cún）在較高溫升以及溫度分布（bù）不均等問題,進而使軸承產生較大的和不均勻的熱變形,最終影響到磨（mó）床砂輪主軸的磨削加（jiā）工（gōng）精（jīng）度.怎樣降低軸承的溫升和使溫升均布,從而減小軸（zhóu）承的熱變形（xíng）和其對主軸係統精（jīng）度的（de）不利影響,已成為當下高速精密磨削（xuē）機床主軸係（xì）統研究領域裏一（yī）項非常（cháng）重要的課題[3].在降低溫升的（de）措施中,有較多的文獻提到了在內燃機、飛行（háng）器以及許多重要裝（zhuāng）備上塗上隔熱塗層來（lái）進行降低溫升和熱變形[4 - 5 ],並（bìng）且取得了較好的效（xiào）果.但目前隔熱塗（tú）層用到高速精密機床（chuáng）主軸軸承係統中來（lái）降低溫升和減少熱變形還沒有報道.
 
     本文首次提（tí）出將隔熱塗層（céng）應用於高速精密磨床砂輪主軸液體動靜壓軸承,並建（jiàn）立油（yóu）膜塗層軸承流固耦合計算分析模型,應用FLUENT-ANSYS 兩個有（yǒu）限元軟件（jiàn）聯合仿真分析了不同厚度與不同熱導率（lǜ）的隔熱塗層在不同的軸承供油壓（yā）力、主軸轉速等因素下的（de）軸承熱結（jié）構特性,為隔熱塗層在高（gāo）速精密磨床動靜壓砂輪主軸上的應用提供理（lǐ）論依（yī）據.
 
     1 、油膜塗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（lún）主軸深淺腔（qiāng）動靜壓軸承兼具靜壓和動壓的優點（diǎn）,其外部毛細管節流器的（de）深油腔具有較高（gāo）靜壓承載能（néng）力,同時在階梯（tī）淺油腔及（jí）封油麵上產生較強的流體動（dòng）壓（yā）承載能力.工作原理就是主軸啟動時以深腔靜壓效應和淺腔階（jiē）梯靜（jìng）壓（yā）效應將主軸托起;主軸高速運轉時產生的（de）淺腔階梯效應以及淺腔動壓楔形效應會（huì）使軸承的動靜壓承載能力大大增強,參數（shù）匹配得當就可以有效地對軸承的承載能（néng）力、剛（gāng）度以及溫升進行控製（zhì）,是一種綜合性能較優的高速精密磨床砂輪主軸動（dòng）靜壓軸（zhóu）承.軸承的結構和三維模型如圖1 所示(因模型沿O-XY 平麵對稱(即軸承是軸向對（duì）稱的),故可以（yǐ）隻取一半模型來提高計算效率).軸承的相關結構參數（shù）如表1 所示.
  

                 
  
                       
                                     表（biǎo）1 　軸承結構參（cān）數
  
     
   
      首（shǒu）先在FLUENT 流體分析軟件GAMBIT 中建立油膜塗層軸承流固耦（ǒu）合分析模型,如圖（tú）1 中Z 軸為（wéi）軸承軸向方（fāng）向,X ,Y 軸為（wéi）軸承徑向方向.其次,對耦合模型劃分（fèn）網（wǎng）格,網格（gé）數量過少則網格（gé）質及計算精度較低,網格數量過多則計算效率低,最（zuì）終劃分了300 106 個六（liù）麵（miàn）體網格單元,如圖2(a)所示,圖2(b)為模型局部放大圖.
      
      

      
                            圖2　油膜塗層軸承模型網格圖

        
     圖3　不（bú）同厚度塗層的軸承溫度場分布
    
     

     
     圖4　不同厚度塗（tú）層的軸承徑向熱變形分布
     
    由圖3 可知:該動靜壓軸承的溫（wēn）度場在圓周向和軸向均不是對稱分布的（de）.該軸承最高溫度位於軸向封油麵處且在（zài）軸承油膜厚度最薄的區域附近,最低（dī）溫（wēn）度（dù）位於軸承進油孔（kǒng）的區域.由圖3 和圖4 可得到不同厚度隔熱（rè）塗層的軸（zhóu）承溫度及徑向最大熱變（biàn）形,如表5 所示.
 
                  表（biǎo）5　不同厚度塗層下的軸承溫度及徑（jìng）向最大熱變形（xíng）
  
    
  
     由表5 可知:1)軸承加了隔熱塗層後與沒（méi）有隔熱塗層相比,其最高溫度和熱變形有明（míng）顯的降低;而且隨著隔熱塗層（céng）厚（hòu）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（xíng）逐漸減小,說明較厚的塗層（céng）具有較好的隔熱效果;2)隨著塗層厚（hòu）度d t 的增大,軸承最高溫度T max 和最低溫度T min 相差會越（yuè）來越小,說明隔熱塗層越厚則軸（zhóu）承溫度（dù）場和（hé）熱變形（xíng）
越均布.所以（yǐ）隔（gé）熱塗（tú）層越（yuè）厚則動靜（jìng）壓軸承的溫度且熱變形越低且熱變形越均勻分布.
 
     2.2　不同熱導率（lǜ）塗層的軸承（chéng）溫度場及熱變形當（dāng）軸承偏（piān）心（xīn）率為0.05,偏位角為15°,供油壓力為3MPa,主軸轉速為1 200 r/min,塗層厚度為0.5 mm,塗（tú）層種類分別為（wéi）無塗層、聚碳酸酯（zhǐ）塗層、矽酸鋁保溫塗層時,軸承的溫度分布（bù）及徑向熱變形如圖5 和（hé）圖6 所示.
  

    
  
     圖5　不（bú）同熱導率塗層的軸承（chéng）溫度場分布
     
     由圖5 可知:軸承最（zuì）高溫（wēn）度T max 位於軸向封油麵上且在軸承油膜厚度最薄的區域附近,最小溫度T min 位（wèi）於潤滑油進（jìn）油通道的區域.當軸承無（wú）塗層時T max =35.89 ℃,T min =27.17 ℃;當采用聚碳酸酯塗層時T max =30.291 ℃,T min =29.024 ℃;當采用矽酸鋁保溫塗層時T max =27.713 ℃,T min =27.542℃.由此可得,隨著塗層熱導係數的降低,軸承最高溫度T max 逐漸降低;而且軸承最（zuì）高溫度與最低溫度的差值也大（dà）大減小（xiǎo）,即軸承溫度場溫度均布,這說明低熱導率的隔熱塗層對軸承有很好的隔熱降溫（wēn）效果,將明顯降低軸承熱變形和（hé）使熱變形均布.
  

    
  
     圖（tú）6　不（bú）同種類塗層（céng）下的軸承徑向（xiàng）熱變（biàn）形分布
 
    由圖（tú）6 可得:軸承X 向最大熱變形隨著（zhe）塗層熱導率的減小逐漸減小.從數值（zhí）上（shàng）來看,當軸承無塗層時X 向最大熱變形值為8.267 μm,當塗層為聚碳酸酯塗層時其值為5.866 μm;當塗層為（wéi）矽酸鋁保溫塗層時（shí）其值為4.34 μm.顯（xiǎn）然隨著塗層熱導率的減小,軸承X 向最大熱變形逐漸降低而且熱變形更加均布,這說明較（jiào）低熱導率（lǜ）隔熱塗層具有較好的隔熱和降低軸承熱變形效果.
   
     3　、隔（gé）熱塗層對軸（zhóu）承性能的影響分析
   
    3.1 　隔熱塗層厚度對軸承溫（wēn）度（dù）及熱變形的影響為分析不同隔（gé）熱塗層厚度下動靜壓軸承供油（yóu）壓（yā）力對軸承溫度及熱（rè）變形的影響規律,在（zài）主軸轉速取1 200 r/min,聚碳酸酯塗層厚度分別取0 mm,0.3mm,0.5 mm,供油壓力（lì）分別取2 MPa,2.5 MPa,3MPa,3.5 MPa,4 MPa,4.5 MPa,5 MPa 及軸承其它（tā）參數不變的條件下對其性能進行了仿真（zhēn）分析,並提取軸承的最高溫度值及徑（jìng）向最大熱變形值,經Matlab 軟件數據擬合,結果（guǒ）如圖7 和圖8 所示.
 

                          圖7　塗層厚度供油壓力最高溫度關係
  

    
  
                       圖8　塗層厚度供油壓力徑向最大變形關係
     
   由圖（tú）7 可知（zhī）,當隔熱塗層厚度d t =0.5 mm 且（qiě）主軸轉速為（wéi）1 200 r/min 時（shí）,軸承最高溫度T max 在（zài）軸承供油壓力P s =2 MPa 時為最大值33.16 ℃,在P s =5 MPa 時為最小值28.54 ℃.由圖8 可知當d t=0.5 mm 且（qiě）主軸轉速（sù）為1 200 r/min 時,軸承X 向即徑向最（zuì）大熱變形在P s =2 MPa 時為最大值7.859μm,在P s = 5 MPa 時（shí）為最小（xiǎo）值4.745 μm,差距（jù）明顯.
 
    由 圖7 和圖（tú）8 可得:隨著動靜壓軸承供油壓力的增大,T max 逐漸減小,徑（jìng）向最大熱變形逐漸（jiàn）減小;隨著隔熱（rè）塗層厚度的增加,T max 逐（zhú）漸降低,徑向最大熱變形逐漸降低.所以提高動靜壓軸承供油壓力有利於降低動靜壓軸承的溫（wēn）度和減小動靜壓軸承的熱變形,同（tóng）時（shí）使軸承的溫度場和（hé）熱變形均布（bù）.而提高動靜壓軸（zhóu）承供油壓力（lì）即提高（gāo）軸承的靜壓效應.
 
    為分析不同隔熱塗層厚度下主（zhǔ）軸轉速對動靜壓軸承溫度及熱變形的影響規律,在供油（yóu）壓力為3 MPa,聚（jù）碳酸酯（zhǐ）塗層厚度分別取（qǔ）0 mm,0.3 mm,0.5 mm,主軸轉速分別（bié）取1 000 r/min,1 100 r/min,1 200 r/min,1 300 r/min,1 400 r/min,1 500 r/min,1 600 r/min,軸承其它參數不變的條件下,對其性能進行了數值仿真,結果（guǒ）如圖9 和圖10 所示.
 

                          圖9　塗層厚度主軸轉速（sù）最高溫度關係
    

     
  
                         圖（tú）10　塗層（céng）厚度主（zhǔ）軸轉速徑向最大變形關係
     
     由圖9 可知（zhī）,當塗層厚度d t =0.5 mm 且供油壓力為3 MPa 時,軸承最高溫度T max 在主軸轉速1 000 r/min 時為（wéi）最小值28.1 ℃,主軸轉速增加而軸承最高溫度增加,在主軸轉速1 600 r/min 時為最（zuì）大值35.82 ℃.當軸承供油壓力為（wéi）3 MPa 且主軸轉速為1 200 r/min,T max 在軸承無塗層（céng）即d t =0 mm時最高溫度T max 為最大值35.89 ℃,在（zài）塗層厚度d t=0.5 mm 時最高溫度（dù）T max 為最小值30.3 ℃.由圖10 可知,當塗層厚度d t =0.5 mm 且軸（zhóu）承供油壓力（lì）為3 MPa 時,軸承X 向即徑向最大熱變形在主（zhǔ）軸轉速為1 000 r/min 時為最小值4.346 μm,主軸轉速增加而軸（zhóu）承徑（jìng）向最大熱變形增（zēng）加,在主（zhǔ）軸轉速為1 600 r/min 時（shí）達到（dào）最大值9.730 μm.當軸承供油壓（yā）力為（wéi）3 MPa 且主（zhǔ）軸轉速為1 200 r/min,軸承X 向最大熱變（biàn）形在塗層厚度d t =0 mm 時為最大值8.267 μm,在塗層厚度d t =0.5 mm 時為最小值5.866 μm.
 
     由圖9 和圖10 可得:隨著主軸轉速的增大,軸承最高溫度T max 逐漸增大,軸承徑向最大熱變（biàn）形會逐漸增（zēng）大;同時軸承的溫升和熱變形分布（bù）不均程度加大.主軸轉速增加即動靜壓軸承中流體動（dòng）壓效應（yīng）加強,軸承中潤滑油的剪切摩擦發熱增加.
 
     3.2　塗層導熱率對軸承溫度及熱變形的影（yǐng）響為分析在不同塗層導熱率下（xià）動靜壓軸（zhóu）承供油壓力對軸（zhóu）承溫度（dù）及熱變形（xíng）的影響規（guī）律,在（zài）主軸轉速取1 200 r/min,隔熱塗層分別取矽酸鋁保溫塗層、聚碳酸酯（zhǐ）塗層、無塗層,軸承供油壓力分別取2 MPa,2.5 MPa,3 MPa,3.5 MPa,4 MPa,4.5 MPa,5MPa,軸承其它參數不變的條件下,對其性能進（jìn）行（háng）了數值仿真,如圖11~圖12 所示.
  

     
  
                         圖11　塗層種類供（gòng）油壓力最高溫度（dù）關係
   

      
  
                  12　塗層種類-供油壓力（lì）-徑向最大熱變形關係
     
     圖11 為軸承在具有相同厚度(d t =0.5 mm)的隔熱塗層下,軸承最大溫度（dù）T max 與不同種類隔熱塗層、軸承供油壓力P s 的關係.當塗層為聚碳酸酯塗層,T max 在P s =2 MPa 時為最大值33.16 ℃,在（zài）P s=5 MPa 時為最小值28.54 ℃;當P s =3 MPa,T max在無塗層時為最大值35.89 ℃,在矽酸（suān）鋁保溫塗層時為（wéi）最小值27.71 ℃.由圖12 可知,當塗層為聚碳（tàn）
酸酯塗層（céng）且主軸轉速為（wéi）1 200 r/min 時,軸承X 向最大（dà）熱變形在P s =2 MPa 時為最大值7.859 μm,在P s = 5 MPa 時為最小值4.745 μm;當P s = 3MPa 且主軸轉速為1 200 r/min 時,軸承（chéng）X 向最大熱變形在無塗層時為最大（dà）值8.267 μm,有矽酸鋁保溫塗層時為最小值4.34 μm.可以（yǐ）得（dé）出:有隔熱塗層軸承的最高溫度（dù）比沒有隔熱塗層的軸承有明顯降（jiàng）低;隨著塗層熱導率的減小即隔（gé）熱性能的（de）提高和動靜壓軸承供油（yóu）壓力的提高,軸承最高溫度（dù）T max 逐漸降低並（bìng）且溫升更加均布（bù）.
 
     為（wéi）分析不同隔熱塗層導熱率下主軸轉速對軸承溫升及熱變（biàn）形的影響情況,在軸承供油壓力（lì）3 MPa,隔熱塗層分別取矽酸鋁保溫塗層、聚碳（tàn）酸酯塗層、無塗層,主（zhǔ）軸轉速分別取1 000 r/min,1 100 r/min,1 200 r/min,1 300 r/min,1 400 r/min,1 500 r/min,1 600 r/min,軸承其它參數不變的條件下,對其性能進行數值仿真,結果（guǒ）如圖13 和圖14 所（suǒ）示.
    

                           圖13　塗層種類主軸轉（zhuǎn）速最高溫度關係
  

    
   
                     圖14　塗層種類主軸轉速徑向最大熱變形關係
 

     圖13 為軸承在相同（tóng）厚度(d t =0.5 mm)的隔熱（rè）塗層下,軸承X 向最大熱變形值與不同種類塗層、主軸轉速的關係.當塗層為聚碳酸酯塗層且軸承供油壓力為3 MPa 時,軸承最高溫度T max 在主軸（zhóu）轉（zhuǎn）速1 000 r/min 時為最小值28.11 ℃,在主軸（zhóu）轉速1 600 r/min時為最大值35.82 ℃.由圖14 可知,當塗層為聚碳酸（suān）酯塗層（céng）且軸承供油壓力為3 MPa 時,軸承X 向最大熱變形在主軸（zhóu）轉速為1 000 r/min 時為最小值4.346 μm,而在主軸轉速為1 600 r/min時為最大值9.730 μm.可以得出:隨著（zhe）主軸轉速的增大,動靜壓軸承的最高溫（wēn）度值和（hé）軸承X 向即（jí）徑向最大熱變形值（zhí）逐漸增大;同時研究表明軸承中溫度（dù）和熱變形分布不均勻程度（dù）加大.
 
     4　、實　驗

     為了驗（yàn）證隔熱塗層降低磨床砂輪主軸液（yè）體動靜壓軸承溫升的效果（guǒ）,對有和無隔熱（rè）塗（tú）層的動靜（jìng）壓軸承體中的溫度進（jìn）行了實驗測量.動靜（jìng）壓軸承試驗（yàn）台如圖15 所示,軸承試驗（yàn）台是倒置式的,即電機直接帶動主（zhǔ）軸旋轉而動靜壓軸承不轉動.在動靜壓軸承體中埋入一個（gè）熱電偶（ǒu）溫度傳感器,熱電偶溫度傳感器是標定好（hǎo）的.先對一個沒有隔熱塗（tú）層的動靜壓軸承體測（cè）量（liàng）了（le）實驗溫（wēn）度;再換一個在軸承內表麵塗（tú）加了聚碳酸酯隔熱（rè）塗層的動靜壓軸承,也在相同位置埋（mái）入熱（rè）電偶溫度傳（chuán）感器進行了溫度測量;最後對測量結果進行比較.
 

                                  圖15　軸承實驗台
   
     該實驗中（zhōng）,用轉（zhuǎn）速計測量主軸轉速為1 195 r/min,用油壓表測量動靜壓軸承供油壓力為3 MPa,軸承中潤滑油牌號為L-FD10,軸承結（jié）構及材料（liào）與文章中理論（lùn）分（fèn）析是一致的.實驗測量結果是（shì）:沒（méi）有隔熱塗層的動靜壓軸承的溫度為44 ℃,而（ér）加了隔熱（rè）塗層的動靜壓軸承的溫度為36 ℃,可見差距明顯.所以隔熱塗層（céng）對動靜壓軸承溫（wēn）度的（de）降低作用明顯.
 
     5　、結　論
 
     1)提出了將隔熱塗層（céng）應用於高速（sù）精密磨床砂輪主軸液體動靜壓軸承上來降低軸承（chéng）溫升及熱變形（xíng）的新技術,高性能隔熱塗層將明顯（xiǎn）降低軸承主軸熱變形和使熱變（biàn）形均布,最終提高主軸係統磨削加工精（jīng）度,為超精密磨削機床的設計打下基（jī）礎.
 
      2)對一種高（gāo）速精密磨（mó）床砂輪動靜壓主軸係（xì）統中（zhōng）的深淺腔液（yè）體動靜壓軸承建立了油膜塗層軸承（chéng）耦（ǒu）合（hé）分析模型,應用FLUENT 流體分析軟件（jiàn）精（jīng）確地計算了軸承（chéng）中油膜溫度場,並聯合（hé）ANSYS 有限元軟件分析了軸承的熱變（biàn）形.為具有隔熱塗層的動（dòng）靜壓主軸係統的熱變形分析打下了堅實的基礎.
 
      3)液體動靜壓軸（zhóu）承的最高溫度及熱變形都隨著其上隔熱塗層（céng）厚度的增大逐漸降低,隨著隔熱塗層熱導率的（de）減小而減小.隔熱性能越好（hǎo）,則隔熱塗層就越能夠均化軸（zhóu）承的（de）溫度場和（hé）熱變形分布.
 
     4)在有隔熱塗層（céng）的條件下,液體（tǐ）動（dòng）靜壓（yā）軸承的最高溫度和熱變形以（yǐ）及其不均布程度隨著軸承供油壓力的（de）增大（dà）而（ér）減小（xiǎo）、隨著（zhe）主軸轉速的增（zēng）大而增大.