精密磨削技术在推力轴承中的应用

李轶青

摘 要：文章简单介绍精密加工技术和液体动压推力轴承，从改善水电机组推力轴承性能入手，探讨将精密加工技术应用于液体动压推力轴承生产的可行性及对刀具、机床、工艺参数等方面提出的要求。

关键词：精密加工技术；磨削加工；液体动压推力轴承

精密加工技术，是现代机械制造业最主要的发展方向之一，在提高机电产品的性能、质量，及新产品、新技术的开发中起着至关重要的作用，是衡量国家制造技术水平高低的重要标志，广泛应用于电子、光学元件、仪器仪表、军工、能源、航空航天等领域。目前精密加工技术日趋成熟，已形成系列，它包括精密切削、精密磨削、精密研磨、精密特种加工等。要将精密加工技术应用到生产中，应从产品性能需求入手，探讨精密加工技术的必要性，并进一步从刀具、机床、工艺参数等方面研究精密加工技术的可行性。

1 精密磨削技术

精密磨削技术是精密加工技术的一个重要分支，是利用细粒度的磨粒或微粉对工件进行加工，从而获得高精度和低粗糙度的加工表面的技术。在上世纪80年代末由日本和欧美的众多公司和研究机构相继推出了两种精密磨削工艺：塑性磨削和镜面磨削。

镜面磨削，顾名思义，它关心的不是切屑形成的机理而是磨削后的工件表面的特性。当磨削后的工件表面反射光的能力达到一定程度时，该磨削过程被称为镜面磨削。镜面磨削是一种超微量切除加工，其技术关键是精密机床和砂轮磨粒材料的选择。

2 液体动压推力轴承

2.1 液体动压推力轴承原理

液体动压推力轴承支撑对着水轮发电机组的整个转动部件，是水轮发电机组的核心部件之一，也是加工质量要求最高的零部件之一。由于机组转动部件总重量大，大型水电机组的转动部件总重可超过1000吨，对推力轴承的性能有很高要求，对推力轴承的加工质量也提出了很高的要求，推力轴承的质量将直接影响机组的性能。

液体动压轴承是靠液体润滑剂动压力形成的液膜隔开两摩擦表面并承受载荷的滑动轴承。液体润滑剂是被两摩擦面的相对运动带入两摩擦面之间的。产生液体动压力的条件是：（1）两摩擦面有足够的相对运动速度；（2）润滑剂有适当的粘度；（3）两表面间的间隙是收敛的。

2.2 应用精密磨削技术的优势

机械加工后的两摩擦表面微观是凹凸不平的。在正常运行的液体动压轴承中，油膜最薄（即通称最小油膜厚度）处两表面的微观凸峰不接触，因而两表面没有磨损。这时的摩擦完全属于油的内摩擦，摩擦系数可小至0.001。油的粘度越低，摩擦系数越小，推力轴承性能越好，但最小油膜厚度也越薄。当最小油膜厚度处两表面的微观凸峰接触时，油膜破裂，摩擦和磨损都急剧增大，液压轴承无法正常工作，甚至损坏。因此，油的最低粘度受到最小油膜厚度的限制，而最小油膜厚度受两摩擦表面的微观凸峰大小影响，即受两摩擦表面尺寸精度及表面粗糙度影响。采用精密磨削技术加工推力轴承瓦及镜板的工作面，可以有效提高表面质量，提高轴承承载能力，减小磨损，延长轴承寿命。以镜板加工为例，传统加工方法采用精加工后珩磨，其表面精度约为平面度0.01-0.02mm，表面粗糙度Ra0.2-Ra0.4。采用精密磨削技术，加工精度可达0.1μm-1μm，表面粗糙度Ra0.01μm-0.2μm。

3 精密磨削技术的应用

要将精密磨削技术应用在液体动压推力轴承上，主要需解决刀具、机床及工艺参数三大技术问题。

3.1 刀具

磨削刀具选用超硬磨料砂轮。超硬磨料砂轮磨削能力强，加工效率高，耐磨耐用，容易控制加工尺寸及实现自动化，综合加工成本低；加工时磨削力小，温度低，不会造成工件表面烧伤裂纹和组织变化，加工表面质量高。超硬磨料主要有金刚石磨料和CBN（立方氮化硼）磨料两种。金刚石在加工过程中会与钢材发生反应造成刀具化学磨损甚至损坏，同时影响工件表面材质，不满足加工需要。砂轮磨料选用CBN磨料。砂轮用于加工推力轴承工作面，属于平面磨削，对砂轮性能要求相对较低，且由于工件尺寸较大，加工时间长，要求砂轮易于修整，砂轮结合剂可采用树脂结合剂以满足上述要求。

3.2 机床

精密磨削技术要求加工稳定性好、振动小、线速度高。因此，对机床有一定要求：

（1）砂轮主轴回转精度要高。

（2）机床刚度要好，一般要求比普通磨床高50%左右。

（3）磨床进给系统的精度要高，进给速度应均匀准确，以保证磨削的尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度。

（4）机床各运动件应有可靠的密封，以防超硬磨料进入，加速机件的磨损。

（5）要有比较完善的磨削液过滤和供给系统，过滤精度应小于0.5μm。

（6）机床各部分应有相应的防振和隔振措施，砂轮应作精细动平衡。

对于常规加工机床来说，以上六项要求很难全部满足。工件的尺寸和重量较大，现有精密加工机床的加工能力可能无法满足加工要求。而设计、购买专用的精密加工机床成本过高，经济性不好。对现有常规加工机床进行优化改造，使其能够满足精密加工的要求，是一个可行的方案。

3.3 工艺参数

精密磨削的磨削速度应根据砂轮类型、磨削方式和冷却等具体条件进行选择。提高砂轮工作速度，可显著提高磨削效率和磨削比（如砂轮的磨削速度提高40%，磨削比可增加一倍），降低磨削成本。80-125m/s的线速度已成为当前世界CBN砂轮磨削的主流。磨削深度一般为0.002-0.010mm，工件速度通常为10-30m/min，纵向进给速度可取0.3-1.5m/min。粗磨时取大值，精磨时取小值。

3.4 切削液

精密磨削加工采用湿磨方式，既可延长砂轮寿命，又可防止工件产生磨削烧伤。使用CBN砂轮湿磨时须注意，因为CBN材料在高温下会同空气中的水及氧气起反应，生成氨和硼酸，这种反应称为水解作用，会加速砂轮磨损，因此在使用中常用水溶性油或带有极压添加剂的水溶液以减弱水解作用。用不同磨削液湿磨时，CBN砂轮的相对寿命不同，在选用磨削液时应综合考虑加工效果及加工成本，选用适当的磨削液。

4 结束语

以上讨论了精密磨削技术应用于水轮发电机组推力轴承部件加工的可能。精密加工技术是现代机械制造业的重要发展方向。随着新产品、新技术的不断出现，对机械加工水平的要求将越来越高，应用精密加工技术生产的零件、产品也将越来越多。如何将精密加工技术借鉴、应用到日常的生产活动当中，提高产品性能、质量，也将成为机械制造企业发展壮大必然面临的一大课题。相信，随着精密加工技术在企业生产中更广泛、更熟练的应用，企业的加工质量、加工效率都将有长足的进步，产品的性能也将得到更好的保证，为企业开拓出更广阔的发展空间和未来。

参考文献

[1]赵恒华.精密和超精密磨削机理及磨削砂轮选择[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]袁哲俊.精密和超精密加工技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]徐少红.高速磨削加工工艺及应用[M].北京：机械工业出版社，2007.