□ 賈冀青

青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司 西寧 810018

現(xiàn)代制造技術(shù)中，機(jī)床主軸的高速化已成為一個(gè)不可阻擋的發(fā)展潮流，高速主軸單元是實(shí)現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵部件，是高速機(jī)床的心臟部件。與傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式相比，高速主軸單元采用電主軸形式，即為內(nèi)裝式電機(jī)，取消了諸如齒輪、皮帶等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的“零傳動(dòng)”。內(nèi)裝式電機(jī)軸承的摩擦發(fā)熱不可忽視，在高速加工中，電主軸的熱變形已成為影響機(jī)床加工精度的主要因素，機(jī)床熱變形造成加工誤差達(dá)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(fā)熱使主軸產(chǎn)生熱變形，甚至引起主軸系統(tǒng)失效，大大阻礙了新技術(shù)的發(fā)展。因此，油氣潤(rùn)滑技術(shù)在高速機(jī)床研究和發(fā)展中有重要意義，電主軸軸承系統(tǒng)發(fā)熱分析及控制措施在高速主軸系統(tǒng)中至關(guān)重要，是高速、高精度機(jī)床必須考慮和解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

1 高速電主軸系統(tǒng)及潤(rùn)滑方法

1.1 高速電主軸系統(tǒng)

電主軸是將機(jī)床主軸與電機(jī)融為一體的新技術(shù)，它是一套組件，電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于主軸部件內(nèi)，通過變頻器類的驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的變換，電主軸系統(tǒng)見圖1所示。目前，電主軸在不斷地向高速化方向發(fā)展，而電主軸軸承的潤(rùn)滑冷卻對(duì)實(shí)現(xiàn)電主軸的高速化具有極其重要的作用。

圖1 電主軸系統(tǒng)示意圖

1.2 高速電主軸的潤(rùn)滑方法

電主軸軸承的潤(rùn)滑可以采用脂潤(rùn)滑和油霧潤(rùn)滑，但效果不太理想。一般采用定時(shí)、定量油氣潤(rùn)滑方式，油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)受潤(rùn)滑點(diǎn)的需油量和事先設(shè)定的工作程序接通氣動(dòng)泵，潤(rùn)滑油經(jīng)遞進(jìn)式分配器分配后被輸送到與壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)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(jìn)入油氣管道。在油氣管道中，由于壓縮空氣的作用，使?jié)櫥脱刂艿纼?nèi)壁波浪形地向前移動(dòng)，并逐漸形成一層薄薄的連續(xù)油膜。再通過油氣分配器的分配，最后以一股極其精細(xì)的連續(xù)油滴流噴射到潤(rùn)滑點(diǎn)，如圖3所示。

圖2 油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 高速電主軸油氣潤(rùn)滑簡(jiǎn)圖

2 高速主軸的油氣潤(rùn)滑技術(shù)

油氣潤(rùn)滑是一種先進(jìn)的定時(shí)定量潤(rùn)滑方法。定時(shí)，就是每隔一定時(shí)間間隔注一次油；定量，就是通過一個(gè)定量閥，精確地控制每次潤(rùn)滑油的油量。而油氣潤(rùn)滑是指潤(rùn)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(rùn)滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因油的阻力而發(fā)熱。油氣潤(rùn)滑需在具備一定的油嘴直徑及空氣壓力等條件才能實(shí)現(xiàn)。

圖4是供油量Q、軸承溫度T和軸承摩擦NR三者之間的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，當(dāng)供油量增大到一定程度時(shí)，軸承溫度呈下降趨勢(shì)，在這條溫度曲線的中部，軸承溫度是最高的，因?yàn)榇藭r(shí)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?xí)a(chǎn)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(diǎn)恰恰是供油量非常小的時(shí)候。由此可以得知，為什么油氣潤(rùn)滑只需要極其微小的油量就能達(dá)到降低軸承溫度和減少軸承摩擦的極佳效果。

潤(rùn)滑油量一直是軸承使用者非常關(guān)心的問題，F(xiàn)AG公司給出摩擦轉(zhuǎn)矩和雙列圓柱滾子軸承的溫升與所需潤(rùn)滑油量的定性關(guān)系，如圖4所示。從圖中可以看出，使摩擦轉(zhuǎn)矩和軸承溫度達(dá)到最佳數(shù)值時(shí)所需的油量是比較少的，過多的潤(rùn)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(guān)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(duì)于不同的軸承來說，該趨勢(shì)具有共性。

圖5 B7001C軸承在100 000 r/min下供油量與溫升關(guān)系

近似計(jì)算軸承所需要的潤(rùn)滑油用量：

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

實(shí)際供油量可在此數(shù)值基礎(chǔ)上擴(kuò)大4～20倍，但式(1）中沒有考慮軸承的類型和轉(zhuǎn)速的影響，顯然，軸承在速度因數(shù)高時(shí)所需的油氣量應(yīng)該比速度因數(shù)低時(shí)要多。在電主軸的實(shí)際應(yīng)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(dòng)傳輸功能，所需油量遠(yuǎn)大于不具有油液自動(dòng)傳輸功能的軸承(如雙列圓柱滾子軸承）所需油量。在試驗(yàn)中根據(jù)軸承的潤(rùn)滑油膜電阻和軸承外圈溫升調(diào)節(jié)供油間隔，在油膜電阻和軸承外圈溫升均較為理想時(shí)，根據(jù)油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)特性計(jì)算出耗油量為式（1）計(jì)算值的100倍以上。因此，對(duì)于高速、超高速電主軸軸承來說，所需的潤(rùn)滑油量需根據(jù)油路設(shè)計(jì)狀況、軸承形式和油品特性由經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)確定。

3 油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)是利用了圖4中兩條曲線的最低點(diǎn)區(qū)域，也就是給油量最小的地方，一方面此時(shí)的給油量可以滿足潤(rùn)滑點(diǎn)的潤(rùn)滑需要，足以在摩擦表面形成潤(rùn)滑油膜；圖中可見只要極少量的潤(rùn)滑油就可以使?jié)櫥c(diǎn)處于溫度和摩擦最小的狀態(tài)，因此實(shí)現(xiàn)潤(rùn)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(guān)系曲線

設(shè)計(jì)一套油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)，一般按照以下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算：

1）確定所有軸承需油量。對(duì)于高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的潤(rùn)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(yīng)選取0.1 mL/h。所謂高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸承，其定義是按照軸徑線速度DN值來區(qū)分，當(dāng)DN值大于1.25 km/min時(shí)，可以視為高速轉(zhuǎn)動(dòng)。

2）根據(jù)所有軸承的給油情況，確定每個(gè)分配器給油點(diǎn)規(guī)格。單線式潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作特點(diǎn)是由給油階段和卸荷階段構(gòu)成，給油時(shí)間一般設(shè)置在30～60 s之間，根據(jù)系統(tǒng)潤(rùn)滑點(diǎn)數(shù)量的多少不同，在現(xiàn)場(chǎng)通過PLC調(diào)節(jié)；間隔時(shí)間的確定也可以現(xiàn)場(chǎng)通過PLC進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是要注意的一點(diǎn)是：對(duì)于潤(rùn)滑工作而言，最佳的工作制度應(yīng)該是“少食多餐”制，即每次減少給油量，適當(dāng)增加給油次數(shù)。一般間隔時(shí)間在1～2 min之間。

3）根據(jù)主機(jī)軸承分布情況，確定潤(rùn)滑點(diǎn)分組方案。軸承分組就是確定如何在現(xiàn)場(chǎng)配管中確定分配器的安裝情況以及每件分配器的潤(rùn)滑點(diǎn)數(shù)量，以便后續(xù)設(shè)計(jì)以及安裝階段能順利進(jìn)行。

4）壓縮空氣耗氣量的計(jì)算。準(zhǔn)確計(jì)算一套油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)所需要的壓縮空氣量是十分必要的，油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)壓縮空氣量的計(jì)算按照以下方式計(jì)算：

以HMC63系列產(chǎn)品為例，潤(rùn)滑系統(tǒng)中所有潤(rùn)滑點(diǎn)總數(shù)為32點(diǎn)，每點(diǎn)壓縮空氣消耗量為30 L/min，則潤(rùn)滑系統(tǒng)總耗氣量為32×30 L/min＝960 L/min。由此可見，潤(rùn)滑系統(tǒng)所需氣源為960 L/min。

5）油路系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。確定系統(tǒng)管路通徑、壓力等級(jí)及泵裝置規(guī)格。

4 油氣潤(rùn)滑技術(shù)優(yōu)越特性

1）提高軸承承載能力；2）提高軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度；3）提高軸承對(duì)惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)能力；4）提高軸承的使用壽命；5）極大地降低潤(rùn)滑劑的消耗。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和對(duì)該技術(shù)認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步深化，油氣潤(rùn)滑會(huì)逐步替代脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑。相對(duì)脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑而言，油氣潤(rùn)滑更適應(yīng)于高速主軸軸承的潤(rùn)滑要求，油氣潤(rùn)滑技術(shù)在高速加工中心主軸潤(rùn)滑中應(yīng)用，勢(shì)必取得理想的潤(rùn)滑冷卻效果。

［1］ 浙江流遍機(jī)械潤(rùn)滑有限公司.油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算［Z］.2008.