水潤滑陶瓷主軸研究現(xiàn)狀與關鍵技術
2020-4-18 來源：天津大學先進陶瓷與加工技術教育部重點實驗 作者：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外的發(fā)展趨勢和工業(yè)應用，對水潤滑陶瓷主軸的關鍵技術和急需解決的問題從４個方面進行了評述，主要包括：１）材料摩擦學方面，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、高速湍流效應、溫黏效應等因素，實現(xiàn)精確建模與分析；３）高速主軸軸承－轉子系統(tǒng)非線性動力學方面，需借助降階分析理論的最新成果，實現(xiàn)系統(tǒng)非線性行為的精準預測與調控；４）表面織構在水潤滑陶瓷主軸上的應用方面，需加強對表面織構和宏觀結構的協(xié)同效應、表面織構的設計與優(yōu)化，以及陶瓷表面織構的低成本高效加工方法的研究。
關鍵詞：金屬切削機床；水潤滑；主軸；陶瓷摩擦學；轉子動力學；降階方法；表面織構
高速加工技術源于１９３１年德國學者ＳＡＬＯＭＯＮ 提出的假設，即當切削速度超過某閾值時切削溫度反而會下降。在此理論基礎上，經過幾十年的發(fā)展，高速加工技術因高切削效率、高加工精度、低切削力、低刀具磨損等優(yōu)異特性，已成為先進制造技術領域一種不可缺少的加工方式。對于航空發(fā)動機、燃氣輪機、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］。高速加工機床是實現(xiàn)高速加工的載體，而機床主軸作為核心基礎部件決定了機床的性能水平。機床領域的3位權威專家ＡＢＥＬＥ，ＡＬＴＩＮＴＡＳ 和ＢＲＥＣＨＥＲ［３］對下一代高速、高性能機床主軸提出了以下要求：１）主軸需同時具備高扭矩和高轉速特性，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、回轉精度高、理論壽命無限大等突出優(yōu)勢，尤其適用于大負載、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，高速工況下潤滑油受剪切作用溫升嚴重，導致芯軸和軸瓦膨脹，輕則會引起加工精度下降，重則會導致主軸出現(xiàn)抱死事故。為了解決此問題，主軸領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，因而在相同主軸轉速下，水潤滑主軸的溫升會遠低于油潤滑主軸［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、高性能機床主軸的苛刻要求，多家世界頂級研究機構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９０年代，美國麻省理工學院的ＳＬＯＣＵＭ 等［１１］首次將水潤滑陶瓷軸承應用于精密機床，但是此時的應用場合不是機床主軸而是機床導軌。當時，由于陶瓷工件磨屑的侵入，陶瓷加工機床金屬導軌的使用壽命并不能滿足要求。為解決此問題，麻省理工學院和 ＣｏｏｒｓＴｅｋ公司合作開發(fā)了世界上首臺采用水潤滑陶瓷靜壓導軌的磨床（如圖１所示），此磨床的靜壓導軌采用氧化鋁陶瓷材料制造，以水作為潤滑劑，此磨床經過全負荷運轉１０年時間，在無任何維護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的 ＣＯＲＢＥＴＴ 等［１３］首次闡述了水潤滑陶瓷軸承在高速精密機床主軸上應用的前景，總結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合加工中心———ＰＯＧＡＬ，主軸采用與英國克蘭菲爾德大學合作開發(fā)的水潤滑多孔陶瓷靜壓軸承，圖２所示為 ＰＯＧＡＬ機床示意圖及其水潤滑陶瓷軸承主軸［１４］。值得一提的是，負責ＰＯＧＡＬ機床設計的 ＨＡＬＥ博士［１５］畢業(yè)于麻省理工學院，其導師正是 ＳＬＯＣＵＭ 教授。２０１０年，克蘭菲爾德大學首次介紹了多孔質氧化鋁陶瓷靜壓軸承的燒結方法［１６］，并對單個水潤滑多孔陶瓷軸承開展了臺架實驗測試［１７］，結果顯示其剛度、溫升、流量、功耗等各項指標均比傳統(tǒng)軸承提升５０％以上。但是，由于此軸承所采用的多孔質氧化鋁陶瓷需經專門燒結制備，工藝流程復雜，目前克蘭菲爾德大學的研究僅完成了單軸承臺架試驗，水潤滑陶瓷主軸整機的研制工作尚待開展。世界著名的主軸制造商均將高轉速、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?。埃埃埃颍恚椋钪鬏S功率達到５０ｋＷ，Ｆｉｓｃｈｅｒ公司提出的４０?。埃埃埃颍恚椋钪鬏S功率高達８０ｋＷ，由于技術保密原因，尚未公開主軸的具體結構［５］。
圖１ 麻省理工學院和 ＣｏｏｒｓＴｅｋ合作研制的采用水潤滑陶瓷靜壓導軌的磨床
圖２ 美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室下一代超精密磨削車削復合加工中心———ＰＯＧＡＬ
東南大學、西安交通大學、天津大學等機構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構設計與優(yōu)化、高速水潤滑主軸的靜動態(tài)特性和水潤滑主軸轉子動力學特性等［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］。西安交通大學在水潤滑軸承領域的研究極大推動了中國在此方向的發(fā)展，研究內容包括節(jié)流器節(jié)流系數(shù)、流固耦合傳熱計算、密封結構、陶瓷軸瓦熱特性、主軸動力學、水潤滑軸承試驗等各個方面［２２－２５］。近期，西安交通大學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％。沈陽建筑大學在全陶瓷主軸領域開展了開創(chuàng)性的工作，將傳統(tǒng)陶瓷球軸承的內圈與主軸融為一體，提出了一種無內圈式高速陶瓷電主軸單元，并針對陶瓷軸承、主軸電機、精密加工和裝配等陶瓷電主軸關鍵技術開展了系統(tǒng)性研究［２６－２７］。天津大學從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水基潤滑劑的水潤滑陶瓷軸承主軸，主要研究內容包括：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０．００１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－轉子系統(tǒng)的非線性動力學開展研究，包括潤滑劑非牛頓效應［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，設計了全包容性的陶瓷軸承結構和主軸結構，已獲得多項國家發(fā)明專利授權［３５－３６］；６）研制了完全采用水潤滑陶瓷軸承的電主軸樣機，并開展了樣機試驗［３７］。
綜上，水潤滑陶瓷主軸是水潤滑技術和陶瓷軸承技術相結合的一種高速高性能機床主軸形式，無論在學術界還是在工業(yè)界均受到廣泛關注。但是水潤滑陶瓷主軸涉及到材料摩擦學、軸承潤滑理論、轉子動力學、軸承設計與精密加工等多方面的關鍵技術，尚存在一系列問題需要突破。
２、關鍵技術研究進展
２．１ 水潤滑陶瓷摩擦副的“超滑效應”及其摩擦學研究
“超滑效應”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６．５ｃｍ／ｓ的相對滑動速度、４．９１Ｎ 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實驗研究。
芬蘭國家技術研究院的 ＡＮＤＥＲＳＳＯＮ 等［３９－４３］對各種陶瓷材料進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 領 域 負 有 盛 名 的 日 本 東 北 大 學ＫＡＴＯ 課題組對水潤滑陶瓷摩擦學研究做出了巨大貢獻（參見圖３），包括如下研究內容：１）解釋了硅基陶瓷材料超滑效應的機理，由于雙電層效應形成極低的摩擦系數(shù)［４４］，陶瓷表面的摩擦化學反應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理［４５－４７］；３）將水潤滑／碳化硅摩擦副與油潤滑／金屬摩擦副進行了對比，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］。美國國家標準和技術研究院的學者對硅基陶瓷材料在水潤滑下的摩擦化學反應進行了深入探討，并對各種醇類添加劑的作用開展了研究［４８－５０］。蘇黎世聯(lián)邦理工學院的學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］。
圖３ 日本東北大學發(fā)表的水潤滑碳化硅摩擦副與油潤滑金屬摩擦副的性能對比數(shù)據(jù)
清華大學通過在水中加入丙三醇、硼酸、磷酸等添加劑，使氮化硅／藍寶石玻璃摩擦副在高達１．５ＧＰａ的載荷下，實現(xiàn)了低至０．００３的摩擦系數(shù)［９，５２］。中國科學院蘭州化學物理研究所在水潤滑陶瓷材料摩擦學方面進行了多年研究，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］。南京航空航天大學近期在離子注入、陶瓷涂層對摩擦學特性的影響方面也取得一系列進展［５５－５７］。天津大學在水潤滑陶瓷摩擦學方向的研究內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性能對比［３１］、硅基陶瓷材料在低元醇水溶液中的超滑效應［７，３０］等。水潤滑硅基陶瓷材料“超滑效應”的發(fā)現(xiàn)，以及自配副碳化硅高承載、低磨損機理的探明，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，雖然目前已通過結構設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構，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構、高速湍流、熱效應、彈性變形等多方面因素，目前國內外研究機構已開展了一系列研究。美國德克薩斯 Ａ＆Ｍ 大學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子動力學特性進行了研究［５９］；３）開展了基于 Ｍｏｏｄｙ湍流模型的靜壓軸承熱動力學研究，結果表明：水潤滑靜壓軸承雖然有外部高壓供給，但是當轉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］。
西安交通大學的相關研究主要包括：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）考慮湍流效應和熱效應分析了主軸的特性，發(fā)現(xiàn)在高轉速下動壓效應對動靜壓軸承性能起主導作用［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 值達到１２０萬 ｍｍ·ｒ／ｍｉｎ［２２］。東南大學的研究主要包括：１）針對深淺腔軸承的湍流效應，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，結果顯示離心力會降低軸承剛度［１８］；３）針對軸承傾斜效應開展研究［６３］。北京科技大學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特性和臨界轉速［６４］；２）研究了抗振性能，ＤＮ 值到達１５５萬 ｍｍ·ｒ／ｍｉｎ［６５］。天津大學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節(jié)流器的陶瓷動靜壓軸承，采用求解修正 Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程并調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、結構優(yōu)化分析［６６］；２）開展了基于非牛頓流體潤滑的軸承－轉子系統(tǒng)非線性動力學分析［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行了討論［３４］。
當前在水潤滑主軸軸承潤滑建模與分析方面已取得一定進展。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、高速湍流效應、溫黏效應等因素，建立水潤滑陶瓷軸承潤滑理論精確模型，進而開展主軸靜動態(tài)特性分析。
２．３ 降階分析方法在高速軸承－轉子系統(tǒng)分析中的應用研究
在復雜力學系統(tǒng)、流體機械等系統(tǒng)設計中，都涉及到復雜動力系統(tǒng)的設計、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或結構的有效方法，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（ｐｒｏｐｅｒ?。铮颍簦瑁铮纾铮睿幔臁。洌澹悖铮恚穑铮螅椋簦椋铮?，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 Ｇａｌｅｒ－ｋｉｎ方法等［６８－６９］。超高速水潤滑陶瓷主軸系統(tǒng)是典型的復雜流固耦合系統(tǒng)，其軸承－轉子非線性動力學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 大學針對高速渦輪轉子與定子的耦合作用，基于 Ｇａｌｅｒｋｉｎ法對系統(tǒng)進行了降維建模，取得了很好的效果［７０］。伊利諾伊大學對受碰摩影響的懸臂軸承－轉子系統(tǒng)進行了降維分析數(shù)值計算及試驗驗證［７１］。美國杜克大學的研究人員在復雜流固耦合系統(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)空氣動力學響應的簡化建模問題，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展是針對 Ｎ－Ｓ方程的降階研究，基于 ＰＯＤ 方法構建了具有穩(wěn)定性的低階 Ｎ－Ｓ方程。與傳統(tǒng)的基于經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］。
圖４ 杜克大學用降階方法對高雷諾數(shù)湍流開展精確模擬
２．４ 表面織構在水潤滑陶瓷主軸上的應用研究
表面織構是在物體表面通過主動設計和加工，制備出按照預設規(guī)則排布的微細結構［８３］。近１０年來，表面織構作為一種可以顯著提高界面性能的方法，成為界面科學領域的研究熱點［８４］。目前，表面織構已被成功應用于減摩、抗磨、減振等領域。激光加工工藝的成熟使不同類型、尺寸表面織構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。在傳統(tǒng)動靜壓軸承結構設計中，通常采用優(yōu)化液腔結構、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。將表面織構引入軸承設計中，通過對軸承表面宏觀結構和微觀織構的協(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。中國高校在復雜軸承－轉子系統(tǒng)的降階分析研究方面取得了一系列進展。哈爾濱工業(yè)大學的研究主要包括：１）針對高維非線性軸承－轉子系統(tǒng)的降階與動特性問題，提出了預估校正 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的 ＰＯＤ 降維方法［７９］。東北大學采用固定界面模態(tài)綜合降維法，將原高維系統(tǒng)轉換為低維系統(tǒng)，采用Ｎｅｗｍａｒｋ－β法求解［８０］。天津大學將非線性 Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法用于連續(xù)轉子－軸承－密封系統(tǒng)的非線性動力學演化規(guī)律分析［８１］，并應用于滾動軸承不對中、碰摩故障引起的復雜非線性問題［８２］。
上述降階方法目前主要應用于常規(guī)軸承－轉子系統(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－轉子系統(tǒng)非線性降階理論的最新進展，為開展高速水潤滑陶瓷主軸的非線性動力學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行為的精準預測與調控。
圖５ 通過納秒激光制備的鈦表面織構
表面織構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的 ＷＡＮＧ 等［１０］將織構化的水潤滑碳化硅摩擦副和油潤滑錫青銅摩擦副進行對比，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的承載力進行了對比，發(fā)現(xiàn)混合織構高于單一大或小單元織構表面的承載力［８６］。
表面織構還能夠提高水潤滑轉子的穩(wěn)定性。西安交通大學對水潤滑無織構轉子和有織構轉子的振動進行測試，實驗結果表明，在相同供水壓力和轉速條件下，有織構轉子較無織構轉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，表面織構依然可以顯著減小轉子的振動［８７］。２０１８年，英國南安普頓大學［８８］、德國卡爾斯魯厄工業(yè)大學［８９］、美國路易斯安那州立大學［９０］相繼發(fā)表了表面織構對軸承性能優(yōu)化的研究成果。
綜上，通過表面織構提高軸承承載能力、改善軸承轉子系統(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）表面織構和宏觀結構的協(xié)同效應；２）表面織構的設計與優(yōu)化；３）表面織構的低成本、高效加工方法。
３、結論與展望
高速高性能機床是世界各國先進制造業(yè)競爭的制高點，水潤滑陶瓷主軸因具有高轉速、高精度、高負載、低能耗等特性，被視為下一代高性能機床的核心部件。國內外學術和工業(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、潤滑理論、計算方法、表面工程等多領域內容，在以下４個方面還需開展更為深入的研究工作。
１）在水潤滑陶瓷材料摩擦學方面，主要包括低成本高性能水基潤滑添加劑、高韌性耐沖擊硅基陶瓷材料、長壽命陶瓷涂層等。
２）在水潤滑陶瓷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、高速湍流效應、溫黏效應等因素，建立更為精確的潤滑理論模型，進而開展主軸靜動態(tài)特性方面的分析。
３）在高速主軸軸承－轉子系統(tǒng)非線性動力學方面，需借助流固耦合降階理論和軸承－轉子非線性降階理論的最新成果，在更高的計算效率下精確求解系統(tǒng)的非線性特征，實現(xiàn)系統(tǒng)非線性行為的精準預測與調控。
４）表面織構在水潤滑陶瓷主軸上的應用方面，主要包括表面織構和宏觀結構的協(xié)同效應、表面織構的設計與優(yōu)化和表面織構的低成本高效加工方法。
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