油气润滑技术在加工中心主轴润滑中的应用

□ 贾冀青

青海一机数控机床有限责任公司 西宁 810018

现代制造技术中，机床主轴的高速化已成为一个不可阻挡的发展潮流，高速主轴单元是实现高速切削的关键部件，是高速机床的心脏部件。与传统的传动方式相比，高速主轴单元采用电主轴形式，即为内装式电机，取消了诸如齿轮、皮带等中间传动环节，实现机床的“零传动”。内装式电机轴承的摩擦发热不可忽视，在高速加工中，电主轴的热变形已成为影响机床加工精度的主要因素，机床热变形造成加工误差达到零件总加工误差的60%～80%。电主轴轴承在高速下的剧烈摩擦发热使主轴产生热变形，甚至引起主轴系统失效，大大阻碍了新技术的发展。因此，油气润滑技术在高速机床研究和发展中有重要意义，电主轴轴承系统发热分析及控制措施在高速主轴系统中至关重要，是高速、高精度机床必须考虑和解决的关键技术问题之一。

1 高速电主轴系统及润滑方法

1.1 高速电主轴系统

电主轴是将机床主轴与电机融为一体的新技术，它是一套组件，电动机内置于主轴部件内，通过变频器类的驱动器，以实现主轴转速的变换，电主轴系统见图1所示。目前，电主轴在不断地向高速化方向发展，而电主轴轴承的润滑冷却对实现电主轴的高速化具有极其重要的作用。

图1 电主轴系统示意图

1.2 高速电主轴的润滑方法

电主轴轴承的润滑可以采用脂润滑和油雾润滑，但效果不太理想。一般采用定时、定量油气润滑方式，油气润滑系统结构如图2所示。根据受润滑点的需油量和事先设定的工作程序接通气动泵，润滑油经递进式分配器分配后被输送到与压缩空气网络相连接的油气混合装置中，并在油气混合装置中与压缩空气混合形成油气流，再进入油气管道。在油气管道中，由于压缩空气的作用，使润滑油沿着管道内壁波浪形地向前移动，并逐渐形成一层薄薄的连续油膜。再通过油气分配器的分配，最后以一股极其精细的连续油滴流喷射到润滑点，如图3所示。

图2 油气润滑系统结构示意图

图3 高速电主轴油气润滑简图

2 高速主轴的油气润滑技术

油气润滑是一种先进的定时定量润滑方法。定时，就是每隔一定时间间隔注一次油；定量，就是通过一个定量阀，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑是指润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。油气润滑需在具备一定的油嘴直径及空气压力等条件才能实现。

图4是供油量Q、轴承温度T和轴承摩擦NR三者之间的关系曲线，从图中可以看出，当供油量增大到一定程度时，轴承温度呈下降趋势，在这条温度曲线的中部，轴承温度是最高的，因为此时的供油量还没有大到足以降低轴承温度的程度，相反，多余的液体摩擦会产生热量。随着供油量的增大，轴承摩擦也增大，但是，在这两条曲线的最低点恰恰是供油量非常小的时候。由此可以得知，为什么油气润滑只需要极其微小的油量就能达到降低轴承温度和减少轴承摩擦的极佳效果。

润滑油量一直是轴承使用者非常关心的问题，FAG公司给出摩擦转矩和双列圆柱滚子轴承的温升与所需润滑油量的定性关系，如图4所示。从图中可以看出，使摩擦转矩和轴承温度达到最佳数值时所需的油量是比较少的，过多的润滑油只能增加轴承的搅油损耗而使轴承温升增大，主轴轴承B7001CY外圈温升与供油量的关系曲线如图5所示，该曲线与图4的曲线非常相似，这说明对于不同的轴承来说，该趋势具有共性。

图5 B7001C轴承在100 000 r/min下供油量与温升关系

近似计算轴承所需要的润滑油用量：

式中：Q 为供油量，mm3／h；W 为系数， 取 0.01 mm／h；d为轴承内径，mm；B为轴承宽度，mm。

实际供油量可在此数值基础上扩大4～20倍，但式(1）中没有考虑轴承的类型和转速的影响，显然，轴承在速度因数高时所需的油气量应该比速度因数低时要多。在电主轴的实际应用中，所用电主轴轴承主要是角接触球轴承，而且所用轴承的轴径线速度DN值在1.3～1.8 km／min，加上此类轴承具有油液自动传输功能，所需油量远大于不具有油液自动传输功能的轴承(如双列圆柱滚子轴承）所需油量。在试验中根据轴承的润滑油膜电阻和轴承外圈温升调节供油间隔，在油膜电阻和轴承外圈温升均较为理想时，根据油气润滑系统特性计算出耗油量为式（1）计算值的100倍以上。因此，对于高速、超高速电主轴轴承来说，所需的润滑油量需根据油路设计状况、轴承形式和油品特性由经验和试验确定。

3 油气润滑系统设计

油气润滑系统是利用了图4中两条曲线的最低点区域，也就是给油量最小的地方，一方面此时的给油量可以满足润滑点的润滑需要，足以在摩擦表面形成润滑油膜；图中可见只要极少量的润滑油就可以使润滑点处于温度和摩擦最小的状态，因此实现润滑剂的100%被利用，效率极高。

图4 供油量Q、轴承温度T和轴承摩擦NR之间关系曲线

设计一套油气润滑系统，一般按照以下步骤进行设计计算：

1）确定所有轴承需油量。对于高速转动轴承的润滑需油量LE值，通常情况下取值为0.1～0.2 mL/h，而一般工况下的轴承应选取0.1 mL/h。所谓高速转动轴承，其定义是按照轴径线速度DN值来区分，当DN值大于1.25 km/min时，可以视为高速转动。

2）根据所有轴承的给油情况，确定每个分配器给油点规格。单线式润滑系统的工作特点是由给油阶段和卸荷阶段构成，给油时间一般设置在30～60 s之间，根据系统润滑点数量的多少不同，在现场通过PLC调节；间隔时间的确定也可以现场通过PLC进行调节，但是要注意的一点是：对于润滑工作而言，最佳的工作制度应该是“少食多餐”制，即每次减少给油量，适当增加给油次数。一般间隔时间在1～2 min之间。

3）根据主机轴承分布情况，确定润滑点分组方案。轴承分组就是确定如何在现场配管中确定分配器的安装情况以及每件分配器的润滑点数量，以便后续设计以及安装阶段能顺利进行。

4）压缩空气耗气量的计算。准确计算一套油气润滑系统所需要的压缩空气量是十分必要的，油气润滑系统压缩空气量的计算按照以下方式计算：

以HMC63系列产品为例，润滑系统中所有润滑点总数为32点，每点压缩空气消耗量为30 L/min，则润滑系统总耗气量为32×30 L/min＝960 L/min。由此可见，润滑系统所需气源为960 L/min。

5）油路系统的总体设计。确定系统管路通径、压力等级及泵装置规格。

4 油气润滑技术优越特性

1）提高轴承承载能力；2）提高轴承的运转速度；3）提高轴承对恶劣工作环境的适应能力；4）提高轴承的使用寿命；5）极大地降低润滑剂的消耗。

5 结束语

随着人们环保意识的增强和对该技术认识的进一步深化，油气润滑会逐步替代脂润滑、油雾润滑。相对脂润滑、油雾润滑而言，油气润滑更适应于高速主轴轴承的润滑要求，油气润滑技术在高速加工中心主轴润滑中应用，势必取得理想的润滑冷却效果。

［1］ 浙江流遍机械润滑有限公司.油气润滑系统的设计与计算［Z］.2008.