動靜壓軸承油膜流態可視化試驗軸瓦的制備

梁存真 夏伯乾 郭紅

（鄭州大學機械工程學院，河南 鄭州 450001）

動靜壓軸承油膜流態可視化試驗軸瓦的制備

梁存真 夏伯乾 郭紅

（鄭州大學機械工程學院，河南 鄭州 450001）

滑動軸承油膜流態可視化研究中軸瓦試件的制備直接關系到試驗結果的精確度。通過對影響試件加工質量的工藝要素進行討論，分析加工過程中產生誤差的原因，提出誤差均化的加工方法，并制定試件制作的工藝流程，確定工藝要素的具體參數，采用反復水浴時效的工藝措施，提高試件材料的穩定性，設計用于裝夾的止口法蘭以降低切削變形。本文實現了滑動軸承可視化研究有機玻璃軸瓦制作，為同類試驗研究提供可借鑒的經驗數據。

工藝路線；有機玻璃；切削用量；油膜流態；可視化

1 研究背景

動靜壓軸承因具有較寬的速度范圍和無摩損工作區，較高的支承剛度和回轉精度，較好的工作穩定性等特點［1］而被廣泛應用。針對軸承油膜完全層流和完全紊流已有成熟的理論，但由于在不同工況下潤滑油膜流態并不相同［2］，僅采用單一流態研究動靜壓軸承不能代表軸承內部油膜流動全部內涵，因此，研究油膜在軸承內部的流態并對其所處區域的理論公式進行修正有利于提高計算結果的精準度。目前研究流態的方法除理論分析外，主要是數值模擬和實驗，且以無油腔光板滑動軸承為主［3-4］，對帶有深淺（階梯）腔的滑動軸承，利用可視化技術對其內部油膜流態進行觀察、記錄和分析是研究油膜流態的主要手段。

采用可視化手段進行實驗觀察，需制作高透光度的軸瓦試件，由于透明材料的加工精度直接關系到其透光度，進而影響可視化影像的可信度，因此，保證制件加工精度是試驗制備工作的重要一環。有機玻璃具有高透光率（92%），并可進行切削加工［5］，是制作該類試件較為經濟、理想的材料。為保證加工幾何精度，需采用熱變形較小的加工手段，故試件的外形加工采用鏜削的方法進行。

2 試驗軸瓦設計

試驗軸瓦使用有機玻璃管做為桶身基材，用有機玻璃板做為桶底基材，管和底之間用三氯甲烷粘接。對于軸瓦的加工主要是對有機玻璃管內壁及內壁上設置軸承腔的加工。

動靜壓軸承由封油邊、淺腔、深腔及在深腔正中設置的供油孔組成。其中，深淺腔和封油邊在同心圓上，淺腔深度為0.02mm，深腔深度為0.3mm。具體結構如圖1所示。

圖1 軸瓦試件結構示意圖

3 加工工藝要素分析

3.1 加工設備

試件加工選在V600立式加工中心進行，采用模塊化刀片進行試件切削。

3.2 工藝要素分析

滑動軸承油膜流態可視化研究中，由于試驗軸頸和軸瓦之間的間隙很小（0.015mm），且兩者之間有高速相對運動，所以對試件加工幾何精度要求較高。由于試件加工中采用的數控機床存在多種誤差源，制約著零件精度的提升；常規定位和機加精度較難滿足加工要求；特殊加工材料需采用合適的加工方式等，因此，為加工出合格的試件，必須加入相應人工干預及輔助手段，以保障加工質量。需考慮的影響因素除常規因素外，還需考慮以下幾方面。

①環境溫度變化及加工過程中產生的熱量對機床加工精度的影響。大量研究表明，熱誤差是數控機床等精密加工機械的最大誤差源，占總誤差的40%～70%［6］。為減小機床熱誤差，采用加強工作過程中的冷卻與潤滑、控制加工環境溫度等措施予以抑制［7］。

②控制機床開機零點重定位誤差。V600加工中心在開機后需要回零操作，使機床工作臺和刀架回復到機床坐標系原點位置。每次進行回零操作，機床坐標系原點位置均會出現極小偏差。為此，要求試件從裝夾、切削加工、進行可視化試驗一次完成。

③機床加工定位誤差對試件加工精度的影響。機床在加工過程中，運動定位也會由于溫度、變形等因素引起刀具定位誤差。為減小定位誤差，在進行數控程序編制時，將工件坐標系零點設置在試件加工區域中心，使誤差均化，每個工序完成后，回試件坐標系零點，再進行下一工序，以減小零點累積誤差，即減小誤差絕對值。

④有機玻璃材料熔點較低（160～200℃），導熱性差，對切削熱較為敏感，在切削位置容易聚集較高的切削熱［8］。因此，必須將熱量快速有效地進行發散，方法主要有提高外部熱傳導效率和控制切削量兩種。

⑤刀具的耐用度也會因切削熱的聚集受到影響。加工過程中，需安排多次中間暫停環節。在暫停加工時，手工量取刀具磨損量作為刀補，將刀補數據輸入機床，對后續加工進行及時修正。

⑥試件在機床上受夾具的作用力，外力釋放后會引起試件變形。為減小裝夾應力對工件加工精度產生的影響，采用壓緊裝夾方式，將壓緊力分散，避免應力集中造成某幾個部位變形量過大，從而影響最終加工效果。

4 裝夾方式

裝夾方式導致的試件變形不僅影響試件的切削加工，還將影響油膜流態可視化試驗的研究。試件采用止口式法蘭盤配合雙壓板的方式裝夾，在不干涉刀具加工的前提下，減少應力集中。止口法蘭除用于試件的安裝定位外，還能有效限制桶口的變形。具體裝夾方式如圖2所示。

圖2 裝夾方式示意圖

5 工藝路線研究

試件采用行切法進行加工。按照先加工內壁再加工軸承腔的順序進行，經過數次摸索嘗試，優化出加工工藝路線為：下料→水浴定性時效→內壁粗加工→水浴定性時效→內壁精加工→封油邊粗加工→封油邊精加工→深、淺腔精加工→封油邊、深腔、淺腔精細加工→鉆供油孔→供油孔攻絲→供油孔除毛刺。

上述工藝路線在下料和內壁粗加工工序后加入定性時效，用以消除試件熱誤差及內應力［9］，保證試件材質的穩定性。由于有機玻璃材料熱變形溫度為90～100℃［10］且本身導熱性差，所以采用低溫水浴法去除應力時效，能夠改善常規時效方法不均勻、時間長、應力去除效果差的現象。

表1 各加工階段工藝參數選擇表

把加工供油孔工序放在工藝路線終部，可有效保證前期深淺腔加工的連續性，避免斷續切削沖擊造成粗糙度值升高。

封油邊、深腔、淺腔精細加工工序，將加工表面在同一工序中一次完成，有效消除加工過程中各工序產生的累計誤差，更好地保證了其同心度。

6 刀具及切削用量的選取

6.1 刀具的選取

6.1.1 刀具材料。依據前述分析，對有機玻璃材料進行切削加工時，所選用刀具的材料應符合硬度大、導熱率高、耐熱性能好的要求。通過查詢手冊數據及試切實驗，最終選定涂層專用刀具對試件進行切削加工。

6.1.2 刀具形狀參數。經多種形狀刀具的試切實驗，選用前角25°、后角5°的30°尖刀進行試件的切削加工，主刀面與切削平面夾角15°左右，可有效降低殘留量，主刀面經拋光處理能有效減少熔結、脆裂等現象［8］。

6.2 切削用量的選取

6.2.1 切削用量影響分析

6.2.1.1 走刀行距。切削用量的選取直接關系到被加工表面的質量，其粗糙度值主要取決于切削殘留面積的高度［11］。試件采用行切法加工，影響表面質量的殘留主要可分為縱向殘留和橫向殘留。

圖3 殘留高度h示意圖

由圖3可知，在加工時，走刀行距T與殘留高度h成正相關。為加工出更為光滑的表面，應使h較小，故應盡量減小T，但若T過小，則可能使加工效率降低。

6.2.1.2 背吃刀量。背吃刀量直接影響縱向殘留高度，還關系到加工過程中切削熱的產生。如果選擇較小的背吃刀量，則產生的切削熱較少，但降低加工效率；若選擇的背吃刀量偏大，則將產生較大切削熱，且切削應力也較大，容易在加工表面產生振紋，因此，應按照不同加工階段的不同要求，選用不同的背吃刀量。

6.2.2 參數選擇。試件切削分為粗加工、精加工和精細加工三個加工階段，每個加工階段的參數選擇亦有不同。

6.2.2.1 粗加工參數選擇。粗加工工序的主要目的是在不影響后續工序的前提下有效去除試件切削余量。故對粗加工參數的選擇遵循較大背吃刀量，較小切削線速度和較大走刀行距。

6.2.2.2 精加工參數選擇。精加工工序為粗加工和精細加工工序的中間過渡工序，主要目的是進一步去除試件切削余量并平整加工表面，為接下來進行最終的精細加工做好準備。

6.2.2.3 精細加工參數選擇。精細加工工序是保證最終制作出粗糙度、幾何精度、形狀精度符合精度要求試件的關鍵工序。通過試切發現：在走刀行距及背吃刀量減小、主軸轉速增大時對試件透光度的提高有直接作用。以此為依據確定精細加工工藝參數。

通過上述分析并結合切削試驗，總結出各階段的加工工藝參數（見表1）。

7 潤滑與冷卻

為控制溫升保障加工精度，加工過程中充分的潤滑與冷卻必不可少。

試件加工過程中的冷卻可分為內、外兩部分。內部冷卻是為了將切削熱通過冷卻液進行發散，避免熱量聚集，從而提升加工質量，同時還起到潤滑的作用，減輕刀具磨損，獲得理想的表面質量；外部冷卻主要是為了使機床工作臺、導軌、絲杠等傳動及運動部件溫度保持基本恒定，抑制機床熱變形影響。試件內外壁同時冷卻，可以保證加工中試件溫度恒定在某溫度范圍內，有利于減少因溫度變化產生的試件形變。

為在保證加工效果的前提下簡化操作，經試驗，可使用同一種切削液完成冷卻及潤滑。可選擇的切削液主要有有機玻璃水性切削液、乳化液和油（煤油、柴油、主軸油），結合對比與試驗需求，應用N5號主軸油作為加工切削液。

8 效果

按前述工藝路線及工參數制作的試驗軸瓦尺寸公差及形位公差符合試驗要求，制件由內向外的透光率可達80%以上，能夠清晰地觀察記錄到軸瓦內部油膜中直徑約0.1mm氣泡的運動情況，試驗效果如圖4所示。

圖4 試驗效果圖

9 結語

通過對滑動軸承可視化研究使用的有機玻璃軸瓦加工工藝路線及加工要素的分析和探討，工藝過程中加入兩次定性時效有利于被加工件材料的穩定性；提出了數控機床加工中相對零點位于加工區域中心可使機床重復定位誤差均化的方法；針對裝夾產生的試件變形設計了壓緊力與切削力方向垂直的裝夾方式；總結了精細加工的具體工藝參數，對高精度有機玻璃軸承的制作進行了有益嘗試，為后續滑動軸承油膜流態可視化模擬試驗完成了試驗試件的基礎準備。

［1］ 郭紅，岑少起，張紹林.圓柱、圓錐動靜壓滑動軸承設計［M］.鄭州：鄭州大學出版社，2003.

［2］ 張紹林，于冰.圓柱滑動軸承油膜流態影像采集與分析［J］.機械設計與制造，2013（10）：194-196.

［3］ 諸文俊，張言羊.滑動軸承油膜從層流到紊流過渡區域的研究［J］.西安交通大學學報，1991（3）：28-35.

［4］ 諸文俊，胡浩川，張言羊.滑動軸承油膜從層流到紊流過渡區域的試驗研究［J］.西安交通大學學報，1992（3）：17-24.

［5］ 尚長林.有機玻璃類工件的加工方法［J］.現代制造工程，2004（9）：95-96.

［6］ 傅建中，姚鑫驊.數控機床熱誤差補償技術的發展狀況［J］.航空制造技術，2010（4）：64-66.

［7］ 李小彭，劉春時.數控機床加工精度提高技術的進展及其存在的問題［J］.組合機床與自動化加工技術，2010（11）：1-4.

［8］ 萬枝銘.淺談對有機玻璃零件的切削加工［J］.機械制造，2007（8）：40-41.

［9］ 馮家樣，宋德勛.殘余應力與力處理［J］.礦山機械，1987（9）：13-15.

［10］ 程軍，扶名福.有機玻璃的力學與光塑性性能［J］.天津大學學報，2000（1）：85-87.

［11］ 王先奎.機械制造工藝學［M］.2版.北京：機械工業出版社，2006.

The Preparation of Hybrid Bearing Shell for Testing Study of Visualization Film Flow State

Liang CunzhenXia BoqianGuo Hong
（College of Mechanical Engineering,ZhengZhou University，ZhengZhou Henan 450001）

In the visualization research of sliding bearing oil-film flow state,the production of bearing shell specimen is directly related to the error of the result.Discusses the process factors which affect the quality of machining,analyzes the causes of error in machining process,and put forward error averaging solutions.Develops the specimen making process,determines the specific parameters of the process elements and im?proves the stability of the specimen materialby using water bath aging,designsclamping rabbet flangeto re?duce cutting deformation,realizes the organic glass bearing shell preparation in the visualization research of sliding bearing,which provides valuable experience and data for the similar experimental study.

process route；plexiglass；cutting parameters；oil-film flow state；visualization

TH162；TH117.2

A

1003-5168（2017）11-0059-04

2017-10-09

國家自然科學基金項目（51075373）；河南省教育廳科學技術研究重點項目（12A460009）。

梁存真（1978-），男，碩士，講師，研究方向：機械設計、滑動軸承技術。