油氣潤滑技術在加工中心主軸潤滑中的應用

□ 賈冀青

青海一機數控機床有限責任公司 西寧 810018

現代制造技術中，機床主軸的高速化已成為一個不可阻擋的發展潮流，高速主軸單元是實現高速切削的關鍵部件，是高速機床的心臟部件。與傳統的傳動方式相比，高速主軸單元采用電主軸形式，即為內裝式電機，取消了諸如齒輪、皮帶等中間傳動環節，實現機床的“零傳動”。內裝式電機軸承的摩擦發熱不可忽視，在高速加工中，電主軸的熱變形已成為影響機床加工精度的主要因素，機床熱變形造成加工誤差達到零件總加工誤差的60%～80%。電主軸軸承在高速下的劇烈摩擦發熱使主軸產生熱變形，甚至引起主軸系統失效，大大阻礙了新技術的發展。因此，油氣潤滑技術在高速機床研究和發展中有重要意義，電主軸軸承系統發熱分析及控制措施在高速主軸系統中至關重要，是高速、高精度機床必須考慮和解決的關鍵技術問題之一。

1 高速電主軸系統及潤滑方法

1.1 高速電主軸系統

電主軸是將機床主軸與電機融為一體的新技術，它是一套組件，電動機內置于主軸部件內，通過變頻器類的驅動器，以實現主軸轉速的變換，電主軸系統見圖1所示。目前，電主軸在不斷地向高速化方向發展，而電主軸軸承的潤滑冷卻對實現電主軸的高速化具有極其重要的作用。

圖1 電主軸系統示意圖

1.2 高速電主軸的潤滑方法

電主軸軸承的潤滑可以采用脂潤滑和油霧潤滑，但效果不太理想。一般采用定時、定量油氣潤滑方式，油氣潤滑系統結構如圖2所示。根據受潤滑點的需油量和事先設定的工作程序接通氣動泵，潤滑油經遞進式分配器分配后被輸送到與壓縮空氣網絡相連接的油氣混合裝置中，并在油氣混合裝置中與壓縮空氣混合形成油氣流，再進入油氣管道。在油氣管道中，由于壓縮空氣的作用，使潤滑油沿著管道內壁波浪形地向前移動，并逐漸形成一層薄薄的連續油膜。再通過油氣分配器的分配，最后以一股極其精細的連續油滴流噴射到潤滑點，如圖3所示。

圖2 油氣潤滑系統結構示意圖

圖3 高速電主軸油氣潤滑簡圖

2 高速主軸的油氣潤滑技術

油氣潤滑是一種先進的定時定量潤滑方法。定時，就是每隔一定時間間隔注一次油；定量，就是通過一個定量閥，精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑是指潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉時會因油的阻力而發熱。油氣潤滑需在具備一定的油嘴直徑及空氣壓力等條件才能實現。

圖4是供油量Q、軸承溫度T和軸承摩擦NR三者之間的關系曲線，從圖中可以看出，當供油量增大到一定程度時，軸承溫度呈下降趨勢，在這條溫度曲線的中部，軸承溫度是最高的，因為此時的供油量還沒有大到足以降低軸承溫度的程度，相反，多余的液體摩擦會產生熱量。隨著供油量的增大，軸承摩擦也增大，但是，在這兩條曲線的最低點恰恰是供油量非常小的時候。由此可以得知，為什么油氣潤滑只需要極其微小的油量就能達到降低軸承溫度和減少軸承摩擦的極佳效果。

潤滑油量一直是軸承使用者非常關心的問題，FAG公司給出摩擦轉矩和雙列圓柱滾子軸承的溫升與所需潤滑油量的定性關系，如圖4所示。從圖中可以看出，使摩擦轉矩和軸承溫度達到最佳數值時所需的油量是比較少的，過多的潤滑油只能增加軸承的攪油損耗而使軸承溫升增大，主軸軸承B7001CY外圈溫升與供油量的關系曲線如圖5所示，該曲線與圖4的曲線非常相似，這說明對于不同的軸承來說，該趨勢具有共性。

圖5 B7001C軸承在100 000 r/min下供油量與溫升關系

近似計算軸承所需要的潤滑油用量：

式中：Q 為供油量，mm3／h；W 為系數， 取 0.01 mm／h；d為軸承內徑，mm；B為軸承寬度，mm。

實際供油量可在此數值基礎上擴大4～20倍，但式(1）中沒有考慮軸承的類型和轉速的影響，顯然，軸承在速度因數高時所需的油氣量應該比速度因數低時要多。在電主軸的實際應用中，所用電主軸軸承主要是角接觸球軸承，而且所用軸承的軸徑線速度DN值在1.3～1.8 km／min，加上此類軸承具有油液自動傳輸功能，所需油量遠大于不具有油液自動傳輸功能的軸承(如雙列圓柱滾子軸承）所需油量。在試驗中根據軸承的潤滑油膜電阻和軸承外圈溫升調節供油間隔，在油膜電阻和軸承外圈溫升均較為理想時，根據油氣潤滑系統特性計算出耗油量為式（1）計算值的100倍以上。因此，對于高速、超高速電主軸軸承來說，所需的潤滑油量需根據油路設計狀況、軸承形式和油品特性由經驗和試驗確定。

3 油氣潤滑系統設計

油氣潤滑系統是利用了圖4中兩條曲線的最低點區域，也就是給油量最小的地方，一方面此時的給油量可以滿足潤滑點的潤滑需要，足以在摩擦表面形成潤滑油膜；圖中可見只要極少量的潤滑油就可以使潤滑點處于溫度和摩擦最小的狀態，因此實現潤滑劑的100%被利用，效率極高。

圖4 供油量Q、軸承溫度T和軸承摩擦NR之間關系曲線

設計一套油氣潤滑系統，一般按照以下步驟進行設計計算：

1）確定所有軸承需油量。對于高速轉動軸承的潤滑需油量LE值，通常情況下取值為0.1～0.2 mL/h，而一般工況下的軸承應選取0.1 mL/h。所謂高速轉動軸承，其定義是按照軸徑線速度DN值來區分，當DN值大于1.25 km/min時，可以視為高速轉動。

2）根據所有軸承的給油情況，確定每個分配器給油點規格。單線式潤滑系統的工作特點是由給油階段和卸荷階段構成，給油時間一般設置在30～60 s之間，根據系統潤滑點數量的多少不同，在現場通過PLC調節；間隔時間的確定也可以現場通過PLC進行調節，但是要注意的一點是：對于潤滑工作而言，最佳的工作制度應該是“少食多餐”制，即每次減少給油量，適當增加給油次數。一般間隔時間在1～2 min之間。

3）根據主機軸承分布情況，確定潤滑點分組方案。軸承分組就是確定如何在現場配管中確定分配器的安裝情況以及每件分配器的潤滑點數量，以便后續設計以及安裝階段能順利進行。

4）壓縮空氣耗氣量的計算。準確計算一套油氣潤滑系統所需要的壓縮空氣量是十分必要的，油氣潤滑系統壓縮空氣量的計算按照以下方式計算：

以HMC63系列產品為例，潤滑系統中所有潤滑點總數為32點，每點壓縮空氣消耗量為30 L/min，則潤滑系統總耗氣量為32×30 L/min＝960 L/min。由此可見，潤滑系統所需氣源為960 L/min。

5）油路系統的總體設計。確定系統管路通徑、壓力等級及泵裝置規格。

4 油氣潤滑技術優越特性

1）提高軸承承載能力；2）提高軸承的運轉速度；3）提高軸承對惡劣工作環境的適應能力；4）提高軸承的使用壽命；5）極大地降低潤滑劑的消耗。

5 結束語

隨著人們環保意識的增強和對該技術認識的進一步深化，油氣潤滑會逐步替代脂潤滑、油霧潤滑。相對脂潤滑、油霧潤滑而言，油氣潤滑更適應于高速主軸軸承的潤滑要求，油氣潤滑技術在高速加工中心主軸潤滑中應用，勢必取得理想的潤滑冷卻效果。

［1］ 浙江流遍機械潤滑有限公司.油氣潤滑系統的設計與計算［Z］.2008.