臥式車床主軸箱噴油式潤滑系統設計與研究

藺用 張宏偉 黨波 郭宇飛

摘要：通過對臥式車床主軸箱潤滑系統進行深度分析研究，發現潤滑油流動分散、潤滑效率低。于是采用一種更加合理科學潤滑方式改進，以此來提高潤滑效率。采用結構設計與建模、油路規劃仿真、對管道內潤滑油流動情況力學分析、現場管道布置和安裝調試等方法，把現有飛濺式潤滑系統成功改為噴油式潤滑系統。同時對改進前后優缺點進行分析對比，體現出更高實用價值。改進后經過測試車床運行更加穩定，大幅降低運行噪音，長時間使用效果良好，充分證實這是一種更加高效、精準的潤滑方式。在提高工作效率同時延長車床使用壽命，研究成果值得機床廠家推廣使用。

Abstract： Through in-depth analysis and Research on the lubrication system of horizontal lathe headstock， it is found that the flow of lubricating oil is dispersed and the lubrication efficiency is low. Therefore， a more reasonable and scientific lubrication method is adopted to improve the lubrication efficiency. By means of structural design and modeling， oil path planning simulation， mechanical analysis of lubricating oil flow in pipeline， on-site pipeline layout， installation and commissioning， the existing splash lubrication system was successfully changed into oil injection lubrication system. At the same time， the advantages and disadvantages before and after the improvement are analyzed and compared， reflecting higher practical value. After the improvement， the lathe runs more stable， greatly reduces the running noise， and has good effect after long-term use， which fully proves that this is a more efficient and accurate lubrication method. In order to improve the working efficiency and prolong the service life of lathe， the research results are worthy of promotion and use by machine tool manufacturers.

關鍵詞：臥式車床主軸箱;噴油式;潤滑系統;設計與研究;實踐

Key words： headstock of horizontal lathe;oil injection type;lubrication system;design and research;practice

中圖分類號：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0026-03

0? 引言

機床是工業制造母機[1]，而車床加工是機械制造基礎，車床發展與制造對國民經濟有著重要支撐。一臺車床運行效率高低，主軸箱中潤滑系統起著關鍵作用。高效、精密、穩定一直是我國車床發展永恒目標。近年來隨著科學技術飛速發展，對機械零件加工精度和加工機床要求越來越高，促使機械制造產品也加快更新換代步伐。各車床廠家為適應形勢多變的市場需求，使機床制造業正朝著智能、高效、穩定、易維修的方向發展[2]。車床主軸箱處在傳動系統最關鍵核心部位，其承載著主動力傳遞和保證主軸運行精度的重要作用，它的潤滑效果直接決定了機床使用壽命。下面以車床加工中最常見臥式車床為例進行潤滑系統研究。

1? 臥式車床主軸箱特點

臥式車床主軸箱一般采用整體鑄造式結構，特點是剛性好，抗震性強，適合高速切削[3]。主軸箱主要作用是用來支承、固定主軸，將主電機傳遞來的旋轉運動經過齒輪變速得到需要轉速。經過主軸箱速度轉換之后主軸可以實現不同速度正轉與反轉，在帶動主軸旋轉同時分出一部分動力傳遞給進給箱。主軸是車床運行重要部件，其旋轉穩定性直接決定零件加工質量。車床主軸箱進行潤滑作用是減少摩擦振動，降低運行功耗，同時還要防止各傳動部件由于高速旋轉致使箱內升溫過快，因熱變形而損壞。

2? 傳統臥式車床主軸箱潤滑方式

傳統臥式車床主軸箱潤滑采用內部飛濺潤滑方式[4]。主要結構包括注油孔、高位油窗、低位油窗、放油孔等。每次注油要打開頂部箱蓋，有的為了方便注油，在頂部蓋板和密封板上留有注油孔，不但破壞了密封的完整性，還造成密封板無法發揮作用，在主軸高速旋轉帶動箱內部件飛濺潤滑時，很容易造成箱蓋頂部滲油。其結構圖如圖1所示。

傳統臥式車床主軸箱潤滑時油流動角度比較分散，主軸箱內各個部位都會被飛濺到，甚至不需要潤滑的部位也會被潤滑，因而需要油量比較大，是一種全覆蓋潤滑方式。潤滑過程全靠各個齒輪旋轉離心力來甩動潤滑油，潤滑油在重力和離心力雙重作用下與各部件產生強烈碰撞，因此噪音比較大。由于油粒甩出角度大且分布面廣，所以回流速度較慢。

3? 主軸箱噴油式潤滑系統設計

傳統飛濺潤滑方式不但潤滑效率低還存在很多弊端，需要對這種潤滑方式進行改進，以此來提高潤滑效率。經過分析研究，采用噴油管道潤滑方式可以對主軸箱各個部件起到更好的潤滑作用，同時還可以降低主軸箱噪音，使機床運行更加平穩，再配備導油管有針對性的導流，會使潤滑效果更好。

3.1 主軸箱噴油式潤滑系統結構設計

首先進行潤滑系統結構設計和3D建模，最終結構效果如圖2所示。主軸箱側殼內空間有限，油箱不宜占用過多空間，配備微型油泵即可。為防止飛濺不宜采用大流量和大揚程油泵，油泵流量在3.0～5.0L/min，揚程在1.5～3.0m范圍內最合適。其次為主軸箱潤滑系統配備小型油箱、微型油泵以及不同規格出油管、回油管、三通/五通等各類管件連接件。

3.2 主軸箱噴油式潤滑系統油路規劃

經過油路設計與規劃，潤滑油在管道流動路線如圖 3 所示。考慮到潤滑系統工作環境復雜性，確定全部采用金屬油管進行導流。對各個齒輪、軸承及滑移鍵部位進行精準全面潤滑、冷卻、清洗。主軸箱所有回油都從底部出油口流回油箱，再經過濾后循環使用。

3.3 潤滑油流動力學分析

潤滑油在流動過程中，各質點完全沿著管道方向直線運動，質點之間互不摻混、互不干擾的流動狀態稱為層流。若流動著的質點不僅沿著管軸方向做直線運動，還伴有橫向擾動，質點之間彼此混雜，流線雜亂無章，這種流動狀態稱為紊流。潤滑油的流動狀態，在不同場合會有不同的利與弊[5]。紊流狀態時，由于分子間擾動強烈，對增強散熱效果有利，但紊流狀態會增大流動應力而增加能量損失。紊流管道雷諾數Re>4000，層流管道雷諾數Re<2100。

潤滑油管道流動主要受到五個力影響（如圖4）：潤滑油本身粘滯性及與管壁間摩擦而產生的沿程摩擦阻力Ff;油泵施加于潤滑油本身流動壓力FN;潤滑油本身重力G;管道壁對其支撐力F1;潤滑油對管道壁壓力F2。由于管道壁對其支撐力F1和潤滑油對管道壁壓力F2兩個力大小相等且方向相反，可以互相抵消，所以：

F1-F2=0

若垂直方向合力為F′，水平方向合力為F″，則：

F′=FN×sinα+G-Ff×sinα=（FN-Ff）×sinα+G

F″=FN×cosα-Ff×cosα=（FN-Ff）×cosα

由于油泵施加給潤滑油本身流動壓力FN遠大于摩擦阻力Ff，即：

FN-Ff>0

所以，得出：

F>0，F″>0

因此，潤滑油在管道中流動受F′和F″兩個合力影響做拋物線運動。

3.4影響管道潤滑流速的因素

根據牛頓內摩擦力性質，管道流體運動時內摩擦力大小它與接觸面積和相對速度差成正比，而與垂直距離成反比。大量實驗證明，當流體流經一段管道時，在流量不變的條件下，流體的流速與管道截面面積成反比，截面面積越小，流速越大[6]。潤滑油管道中內摩擦力大小與其油品性質有直接關系，如粘度等。

根據機床種類、使用環境、及精度要求，對潤滑油各項性能有不同要求。潤滑油溫度和粘度成反比關系，溫度升高粘度下降，溫度降低粘度上升。但潤滑油都有一定耐溫范圍，主軸箱噴油式潤滑通常采用抗壓耐磨性粘度等級（按GB/T3141）為L-HM 32/46/68牌號的普通潤滑油就可以。

4? 實施過程及使用效果

經過對箱體打孔、管道布置、潤滑管道安裝調試之后，再進行24小時不間斷運行測試。經過實踐發現車床運行很穩定，傳動部位潤滑很全面，主軸箱運行噪音大幅降低，改進效果良好。充分證實這是一種更加高效、精準潤滑方式。管道噴油式潤滑方式在提高車床工作效率同時減小傳動部件磨損，延長機床使用壽命，還更加節省潤滑油。

5? 改進前后兩種潤滑方式比較

改進后噴油式潤滑方式更先進。主軸箱正面油窗采用可視化設計，可以直觀地看見油流動狀態（如圖5）。采用可拆卸外置油箱、油泵，主軸箱側門打開就可以給油箱注油，若有故障維修也很方便。

與傳統飛濺潤滑方式相比較，管道噴油式潤滑具有以下特點：需要的油量少;油體流動速度快，回流及時;可以有選擇性調節潤滑部位;沖洗箱內傳動部件，通過回流將雜質及時帶出箱外進行過濾處理，使機床運行更加平穩，免去主軸傳動部件定期保養清洗的步驟;油溫基本恒定不會大幅升高;各個潤滑點有針對性不做無用功;可以減小機床運行噪音;油泵外置檢修方便;主軸箱蓋邊緣有回流孔，散油可以及時回收;可以安裝無孔的完整密封板防止滲油。

管道噴油式潤滑不足之處：車床主軸箱各部件在主軸電機驅動下經過變速機構做各種速度旋轉運動，箱內噪音只能減小，但還是無法完全消除;需要在主軸箱側面適當位置開孔作為油管進出口，一定程度上會影響主軸箱完整性;改進過程會增加一定經濟成本，花費約500～800元;油泵需要定期清洗過濾網。

6? 總結

車床作為復雜而精密的機械加工設備，主軸箱內部會采用多種多樣的傳動裝置，所以車床主軸箱潤滑對車床運行至關重要。臥式車床工作中主軸箱需要潤滑的點多而復雜，而且需要不同部位同時進行，因而適宜采用這種點對點的多點式、自動式潤滑方式。經過對主軸箱潤滑方式改進后，該噴油式潤滑系統將會利用電泵和噴油管進行強制循環潤滑，可以節省人力并保證潤滑的精準性、可靠性，也可以大幅延長設備使用壽命，增強設備運行平穩性[7]，這次改進取得了圓滿成功。

參考文獻：

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[3]劉本剛，吳天馳，金光云.高速加工刀具最小量潤滑控制策略與PLC實現[J].制造技術與機床，2020（12）：27-31.

[4]童寶宏，桂長林.潤滑油在內燃機管道內的流動特性研究[J].潤滑與密封，2009，34（05）：22-26.

[5]張靜，劉英豪.風力發電機集中自動潤滑遠程監控系統的開發[J].機械設計與制造，2020（10）：166-170.

[6]胡勇，吳偉明.真空高壓氣淬爐冷卻風機的選配[J].熱處理技術與裝備，2016，37（04）：66-69.

[7]藺用，陳功移.GZ4240臥式金屬帶鋸床液壓夾緊系統改進[J].機床與液壓，2019，47（16）：83-86.