1.3 高速精密軋輥磨床動靜壓軸承的研發意義與現狀

通常，磨削按砂輪線速度 v 的高低分為普通磨削（v<45m/s）、高速磨削（45m/s≤v＜150m/s）和超高速磨削（v≥150m/s）^[1，15]。如上所述，圖1-5所示的液體動靜壓軸承目前在國產軋輥磨床上應用極為廣泛，但其只能應用于砂輪線速度在45m/s以下的普通低速軋輥磨床。為了設計出能應用于45m/s以上的高速精密軋輥磨床中的液體動靜壓軸承，需要分析當砂輪線速度提高后，如果繼續使用圖1-5所示的普通軋輥磨床上的液體動靜壓軸承，將會產生哪些不良反應。通過理論分析和工程實際調試，這些不良反應主要為：砂輪線速度提高時，液體動靜壓軸承及其主軸的溫度因線速度的提高而迅速升高，溫度的升高會迅速影響軸承的油膜性能，從而嚴重破壞軸承油膜的溫度場、壓力場和流動性能，進而導致軸承的動壓承載能力和油膜動壓剛性不足以承受高速精密軋輥磨床主軸的運行，嚴重時會出現“燒瓦”現象^[16]。為此，在參考傳統低速液體動靜壓軸承設計方法的基礎上，應突破傳統軸承的結構局限，根據高速精密軋輥磨床液體動靜壓軸承的運行特點，設計一種新型的液體動靜壓軸承。

由于受各種條件的限制，軋輥磨削與其他磨削加工一樣，其磨削速度一直處于較低水平。直到20世紀30年代，德國切削專家Carl J. Salomon提出了磨削溫度與其速度兩者之間關系的假設，高速磨削才有了確定的發展方向^[17]。自此，高速軋輥磨削也有了廣闊的發展空間。目前，德國、日本和美國等發達國家尤其重視高速、超高速磨削技術。據報道，在這些國家的實驗室里已完成了砂輪線速度為250m/s、350m/s、400m/s的實驗研究^[1]。據亞琛工業大學的 Koeing和 Ferlemann宣稱，他們所在的實驗室已經采用了線速度達500m/s的超高速砂輪，這一速度突破了當前機床與砂輪的工作極限^[17-19]。在實際生產使用方面，日本已有砂輪線速度為200m/s的磨床在工業中使用；德國的砂輪線速度為80m/s和120m/s的磨床已廣泛應用于工業生產中^[1]。我國高速磨削起步較晚，1958年才開始研究高速磨削技術。至1977年，全國已有17個省市770臺磨床采用50m/s高速磨削技術^[18]。1982年，湖南大學進行了60m/s高速強力凸輪磨削工藝試驗研究，且于2000年中國數控機床展覽會上推出了線速度達120m/s的數控凸輪軸磨床^[18，19]；20世紀80年代初，以東北大學為主開發的 YLM-1型雙面立式半自動修磨生產線，磨削速度達80m/s^[18，19]；廣西大學于1997年前后開展了80m/s高速低表面粗糙度的磨削試驗研究^[18，19]。盡管如此，與國外高速磨床已大規模用于工業生產的現狀不同，國內在高速磨削方面的技術還不是很成熟。

高速磨削技術發展的同時亦促進了軋輥磨削技術的發展。近些年，國內軋鋼、冶金、有色金屬加工、造紙、橡膠、印染等行業發展迅猛，尤其在國家產業結構升級調整的政策下，國內鋼鐵行業對新材料、新功能和新技術應用的需求越來越強烈，傳統的鑄鐵軋輥和合金鋼軋輥正在逐漸被高速鋼軋輥所替代。高速鋼軋輥目前已在一些主要鋼鐵企業得到推廣應用，其節能降耗效果非常顯著，特別是在熱軋行業顯得尤為突出。高速鋼材質的軋輥盡管具有良好的韌性、淬透性和熱穩定性等諸多優良的特性，但是，相對于國內目前常用的鑄鐵軋輥和合金鋼軋輥來說難磨得多，采用目前國產的軋輥磨床來磨削效率很低，難以滿足現代鋼鐵行業的需求。因此，研發國產高速精密軋輥磨床的呼聲越來越高。然而，目前現實的情況是：國產軋輥磨床的砂輪線速度大多數還只停留在45m/s左右，其磨削效率和磨削質量與國外已廣泛用于工業生產的砂輪線速度為80m/s以上的軋輥磨床差距較大，究其原因，其中最為根本的就是目前我國在高速精密軋輥磨床的軸承方面的技術不過關。軋輥磨削作為一種高精度磨削加工方式，對支承主軸旋轉的軸承要求較高。如前所述，軋輥磨床一般采用液體滑動軸承，而其中液體動靜壓軸承代表著發展方向，是高速精密軋輥磨床的首選軸承。我國在液體動靜壓軸承方面的研究起步較晚，其大致的研究歷程如下：

20世紀70年代，我國一些科研工作者積極投身于液體動靜壓技術的研究之中，并在金屬切削機床、冷軋機、水輪發電動機等機械裝置上推廣使用^[20]。1976年，上海機床廠研制出兩種多油楔動靜壓軸承，經過實踐驗證，這兩種軸承的性能明顯超過靜壓軸承，曾作為機密技術被大量用在磨床新產品上，均取得了良好的成效^[21]。隨著我國體制改革的深入和動靜壓技術的成熟，設備改造的需求促使我國液體動靜壓軸承主軸部件出現專業化生產^[21]：北京中航設備改造研制廠從航空系統企業中的舊設備技術改造入手，逐步形成磨床、金剛鏜床主軸軸承和主軸單元的商品化；上海機床廠在20世紀70年代末起對各類磨床進行改造，效果顯著；上海市引進設備維修中心、得寶機床（北京）有限公司對軋輥磨床等各類磨床及多軸鏜頭等進口設備進行改造，收效良好；廣州機床研究所針對一些機床廠的需求也供應部分主軸部件商品。90年代以來，岑少起教授課題組先后提出了圓錐浮環、徑向推力聯合浮環等動靜壓軸承的結構，對促進國內動靜壓軸承技術的進步做出了貢獻^[22，23]；中航設備改造研制廠和北京航空航天大學等單位在WMB型液體動靜壓混合軸承方面取得了突出成果，目前，該軸承廣泛應用于舊精密磨削設備的改造^[20，24]。在軋輥磨床動靜壓軸承方面，廣州機床研究所研發的動靜壓軸承（見圖1-5）目前占據著軋輥磨床動靜壓軸承的半壁江山，為國產軋輥磨床由純靜壓和純動壓軸承向動靜壓軸承的轉變做出了杰出貢獻。

隨著高速鋼軋輥的逐漸普及，國產45m/s的普通軋輥磨床必然要進行升級換代，高速精密軋輥磨床必然應市場需求而生，在此過程中，國內首先要攻克的就是高速精密軋輥磨床的動靜壓軸承技術。高速和重載是液體動靜壓軸承技術發展的原動力。隨著對軸承理論研究的深入，各類適合高速精密軋輥磨削的高性能動靜壓軸承將不斷出現，這必將成為一種不可改變的趨勢。