Lesson 10 超高温涡轮发动机轴承

　　在下世纪初期用于航天动力的先进汽油涡轮发动机已经处于设计阶段。这些发动机将具有非常高的效率，而且在很多例子中，能使航天飞机的速度超过3马赫。这些发动机的主轴轴承的工作条件要求非常高。可以预测到，主轴转速超过30000r/min，而轴承的温度超过650°C。

　　在需要有较长的轴承寿命的用途中，对于采用液体润滑的钢制轴承来说，目前的温度极限是200°C。对于轴承寿命短的应用中，有可能达到450°C。即使使用在技术上最先进的液体润滑剂和金属合金，在轴承工作极限寿命中，轴承的工作温度是500°C。

　　越过常规轴承的设计理念，利用最新的研究成果应用到高温材料和固体润滑剂的新想法是需要的。在目前的温度极限下，预计极高的工作温度（800°C -900°C）是不可能达到的。陶瓷轴承带来了能提高工作温度达到相当于650°C的希望，但是发生在高速高温陶瓷滚动轴承中的摩擦的相互作用是复杂和变化的。轴承和润滑剂材料的有效选择取决于他们热量的、物理的、化学的和机械的特性，也包括应用的工作环境和工程技术约束。

　　滚动体和滚道的材料

　　对于高温轴承的滚动体和滚道，评价材料的最重要标准是高温强度（硬度），机械特性和氧化性。工具钢是目前制造航天发动机轴承的最常用材料，它的实际温度极限大约是400°C。在这种温度下，正常轴承用钢会快速失去硬度。

　　超高温轴承是一组高性能陶瓷材料。在温度高于1100°C时，这些陶瓷材料比常规的轴承工具钢具有更高的硬度。在过去的10年里，开发了一种具有高速高温的陶瓷材料制成的滚动轴承：热压的或热等静压的氮化硅。当有足够的润滑剂的时候，氮化硅是合用的，因为具有好的高温强度和硬度，在强度/重量关系上有优势，而且还能具有极好的防止滚动体发生疲劳性能。

　　然而，氮化硅有缺点，包括较低的抗拉强度，较低断裂韧度和非常低的热膨胀系数。由于具有这些性能，在陶瓷轴承的制造和应用方面需要做大量的开发工作。

　　其他的陶瓷材料，例如碳化硅和碳化钛，已经被评为合适的滚动体和滚圈的材料。尽管不像氮化硅那么普及和成熟，它们确实具有某些能够使其成为高温滚动轴承备选材料的性能。例如，在做40000r/min的轴承测试中，把碳化硅作为滚动体的材料，虽然温度没有达到极限，但是它已经超过了液体润滑剂的范围。润滑系统仅仅包含了一层固体润滑剂膜。

　　碳化硅有利于在高温轴承中应用的性能是其良好的导热率和热扩散率，抗氧化性和高纯度（性能几乎不受杂质的影响）。这种材料的一个缺点是它具有较高的弹性模量。它的弹性模量比热压氮化硅高出50%，

　　因为高赫兹接触应力的危险，使这一特性作为一个潜在的问题。

　　固体润滑剂

　　值得注意的是，对于大多数的合成润滑剂，它的温度极限几乎等于最先进的轴承用钢的温度。对于未来涡轮发动机，计算的工作温度是大大超过了这些材料的温度极限。唯一的解决办法就是利用非常规的润滑剂。

　　如果滚动轴承充分润滑剂和并且有良好的密封性，阻挡污染物进入，轴承的寿命一般取决于材料的疲劳极限。如果不能采用液体润滑剂，则有必要采用某种形式的边界润滑来减少摩擦热和磨损。轴承接触部分表面形成的氧化层可以提供有限周期的润滑。

　　当选择了固体润滑剂之后，发现困难在于找到一种复合物，它的耐热和抗氧化性都超过温度范围，例如，从-50°C到+980°C。在低温条件下工作良好的固态润滑剂经常会在高温情况下被损坏或变得有磨蚀性，反之亦然。

　　润滑膜的重要性怎么强调都不过分，即使采用陶瓷材料时也是这样。无润滑的氮化硅或碳化硅既没有固有的低摩擦性，也没有良好的抗磨损性。这些特性可以通过与材料相适宜的固态润滑剂的帮助而获得。用包含高温添加剂的石墨润滑氮化硅，可以形成一层减小摩擦系数的摩擦化学膜，因此，便减少了热量的产生。摩擦力的减小取决于：油膜与基体材料相比，它是否更容易被撕裂。

　　对于工作在超高温—--高于550℃情况下的轴承，更要考虑较之于石墨润滑剂更具热稳定性的固态润滑剂。在充分理解各式各样元件之间的摩擦学关系的前提下，来进行复杂润滑系统的开发，如：高温润滑剂，陶瓷制轴承，是绝对必要的。

Lesson 11机床构造

　　机架是机床的基本组成。大部分的机架是由铸铁、焊接钢、复合材料或者混凝土制成的。以下因素决定材料的选择：

　　这些材料必须抗变形和抗破裂。其刚性必须与弹性平衡。机架必须能够承受冲击，在载荷作用下不产生裂缝和永久变形。机架材料必须能消除或阻止振动的传递，从而减小使机床精度及寿命下降的摆动。机架必须能抵抗不利的车间环境，其中包括新的冷却液和润滑剂。机架材料不能产生过多的热，必须能在其额定寿命内不发生变形，必须拥有足够的密度使力分布均匀。

　　各种机架材料的利与弊

　　铸件或焊件都可用于大部分应用场合。要决定哪一个最好，还要看给定的设计环境下所用成本而定。 铸铁。几乎全部的机床架都由传统的铸铁来制造，因为任何其它方法都难以获得的特征都可通过铸造获得。铸铁拥有较好的刚度/重量比以及较好的阻尼特性。在有需要的地方改变铸件壁厚和添加其它金属，都是相当容易实现的。

　　尽管铸铁比较便宜，但铸件都需要有一个铸模。因为铸模的成本，想要获得更大尺寸的铸件则成为一个限制因素。螺栓接合问题，铸铁需要退火，这些都是难以满足的，而且随着铸件尺寸增加，制造成本也随之增加。小尺寸，大批量的机器通常产用铸铁机架，因为它们可以很容易地承担铸模成本。对于小批量的机器来说，焊接件机架会更便宜。

　　焊接钢。在不利于使用铸件的场合下，机器制造商则用焊接钢来制造机架。因为焊接钢拥有更高的弹性模量，通常会在焊接钢上使用加强筋以提高其刚度。确定要使用焊接钢的数量是一个设计权衡的过程：虽然使用焊接钢可以容易获得较大面积截面，甚至可以在原设计完成后再增加其它特征，但热量可导致其变形并且制造成本也随之增加。另外，焊接钢通过钢架也可以阻止振动的传递。机架制造商有时会通过向焊接钢结构通循环冷却水或向铸造型腔添加铅或沙的方法来增大阻尼。

　　复合材料。使用上述材料的改良材料，包括高分子材料，合金材料，以及陶瓷基体材料，都有可能使机床的设计发生巨大变化。可以使基体和增强材料在某一个指定的轴线方向上具有所需要的强度。

　　陶瓷。日本于20世纪80年代提出了试验性的陶瓷机架机器概念。陶瓷拥有较高的强度，刚度，尺寸稳定性及良好的抗腐蚀性和极好的表面粗糙度，但陶瓷易碎并且价格较高。其较弱的传导率既可能是其优势也可能是其劣势。复合材料及陶瓷的使用都是有限的。

　　钢筋混凝土。尽管用于简单截面的常规钢筋混凝土增加了质量并减小了振动，但另一种形式的钢筋混凝土，它际上是由被粉碎的混凝土或花岗岩粘合在高分子基体上形成的高分子基体复合材料更受欢迎。这种复合材料拥有比铸铁更好的阻尼特性，它几乎可以被铸成任何形状，而不需要释放应力，如果使用镶嵌件，它还可以容纳紧固件及轨道。然而，它的强度及热扩散率都不及金属材料。

　　设计者必须考虑与复合材料及金属材料相连接的材料的不同膨胀系数。这类材料最常用于高精度机床及磨床中。

　　基础

　　基础应该保证机器的刚度，减震和隔离是次要的考虑事项。如果机床刚度不足，基础必须要能提供必要的刚度支持。在选择基础的时候，设计者必须考虑机床的重量，它所产生的力，精确度要求，以及向与机器毗邻的地面传递的载荷。地面土壤环境是一个问题，因为，长时间的改变会影响机床稳定性。

　　机架设计

　　在机架设计中考虑的主要问题是：载荷，阻尼，检测孔的数量，热变形和噪音。

　　载荷。了解机床产生的动态及静态载荷是最基本的。基本载荷是静态力：包括机床及工件的质量。动态载荷指的是，机床一经运转就产生的各种载荷。它们包括：产生加速度和减速度的载荷，刀具作用载荷，由于不平衡所产生的载荷，由载荷和振动之间引起的自激载荷。

　　阻尼。

　　尽管机架材料及其设计方案应能使其阻尼减小，然而有时候也需要安装阻尼器来解决某个具体问题。减振器只有在机器动态力很小的地方才会工作良好并且仅当设计者完全了解系统所涉及的所有载荷情况下才会有效率的工作。例如，当在静态条件下工作良好的减振器，工作在动态力条件下，它的影响是弊大于利。

　　检测孔。虽然每个机架应该是实心的，但是，机器都需要一定的开口以便组装和维修。设计人员应该综合考虑检测孔的数量和尺寸与刚度和强度之间的关系。

　　热力学方面的考量.如果机架发生变形，那么内部热源或者外部热源都是一个造成错误的主要因素。外部热源包括车间的环境条件，冷却剂与润滑剂和阳光。机床本身也有热源：电动机，机器运动带来的摩擦以及刀具在工件上的切削运动。理想情况下，应使机架产生的热量减小到最小并保持一定。

　　噪音.鉴于健康和安全方面的因素考虑，如何减小噪音成为近年来比较受关注的话题。工件飞速转动引起的空气湍流以及飞速旋转的卡盘，都是值得注意的问题。给机床加上防护罩阻止噪音传递及使用阻尼衰减材料，都可以减小噪音。