王東峰，劉勝超，李彥 ，仝楠

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

高速數(shù)控機床技術的發(fā)展對主軸以及主軸用精密軸承提出了更高的速度性能要求，電主軸因其高速性能良好而越來越多地用于高速加工機床。高速電主軸的前、后支承通常均為精密角接觸球軸承，超高速工況下軸承的旋轉部件，特別是球，由于離心力、陀螺力矩的作用以及必然存在的微滑動和加速區(qū)域不穩(wěn)定性，會出現(xiàn)變加速、滑動、陀螺旋轉等運動特性，增大軸承的摩擦和發(fā)熱。因此，軸承的潤滑及冷卻技術越來越引起重視?，F(xiàn)闡述超高速電主軸軸承的雙氣簾效應對軸承潤滑性能的影響，并重點介紹目前較先進的幾種潤滑方式。

1 超高速軸承油氣潤滑機理

目前超高速電主軸的轉速每分鐘可達數(shù)萬甚至數(shù)十萬轉[1]，作為支承的角接觸球軸承的dm·n值超過2.0×106mm·r/min，有的甚至超過4.0×106mm·r/min。超高速電主軸用角接觸球軸承運動示意圖如圖1所示。

圖1 超高速電主軸用角接觸球軸承運動示意圖

油氣潤滑在近10年來代替噴油潤滑成為高速電主軸軸承最主要的高效潤滑方式。軸承油氣潤滑模型如圖2所示，其屬于微量潤滑，能以高速氣體帶動潤滑油形成氣液兩相環(huán)狀進入軸承腔，一部分沿保持架壁面隨離心力作用流向外圈溝道，剩下的射向球和內圈溝道，再隨球的自轉和公轉運動將附著于球上的潤滑油鋪展開后再次利用離心力作用將多余油液甩向外圈溝道，使外圈溝道也受到相應的冷卻和潤滑，最終實現(xiàn)潤滑軸承的作用。油氣潤滑油液定量、精確供給，油膜承載能力強，同時高速氣體貫穿軸承腔體進行強制熱交換，帶走熱量，起到了積極冷卻的作用[2-3]。

圖2 軸承油氣潤滑模型

2 超高速軸承內部氣相流動的氣簾效應

國內外學者針對軸承腔內油氣潤滑參數(shù)試驗、軸承(擬)動力學建模、軸承接觸區(qū)成膜特性等開展了系統(tǒng)的研究工作,結果表明:在超高速工況下油氣潤滑在軸承內部形成了多接觸界面的復雜運動邊界潤滑模型，球除公轉外，還呈現(xiàn)自旋、陀螺運動等，造成兜孔間隙內剪切氣流變化，內圈高速旋轉產(chǎn)生的氣相剪切力是軸承腔內油膜運動的主要驅動力，同時油滴還受其表面張力、氣流剪切力、重力等因素影響[4]。軸承的氣簾效應模型如圖3所示。在軸承轉速超過20 000 r/min，dm·n值超過1.5×106mm·r/min時，空氣和高速旋轉的內圈外表面之間的摩擦會產(chǎn)生環(huán)形高速空氣流形成的氣幕，即氣簾效應；在軸承轉速超過30 000 r/min，dm·n值超過2×106mm·r/min時，球與接觸區(qū)入口會形成強力二次渦流，即軸承腔內會產(chǎn)生雙氣簾效應。

圖3 軸承的氣簾效應模型

對于傳統(tǒng)的側面噴油或油氣潤滑方式，氣簾效應的高壓氣幕阻擋潤滑油不能精確噴射進軸承內部，而且從側面噴射的高壓油氣與高速旋轉的高壓氣流直接相撞會產(chǎn)生劇烈的振顫和刺耳的尖叫聲，這是dm·n值超過2.0×106mm·r/min時軸承潤滑性能缺乏穩(wěn)定性及產(chǎn)生鳴叫的原因。

3 超高速軸承潤滑新技術

3.1 傳統(tǒng)油氣潤滑的改進

隨著軸承速度性能的提高，氣簾效應越來越強烈，傳統(tǒng)的油氣潤滑已經(jīng)無法滿足所必需的潤滑冷卻功能。因此，國內外學者對油氣兩相環(huán)狀流型的影響因素進行了研究，發(fā)現(xiàn)噴嘴結構和噴射油氣的角度能有效穿過或避開氣簾影響，直接影響軸承腔內油氣的流動狀態(tài)與油氣潤滑系統(tǒng)的最終潤滑效果。SKF公司的VectoLub微量潤滑系統(tǒng)中提出一種雙流體噴嘴的設計，如圖4所示，其將潤滑油與壓縮空氣分離，潤滑油從噴嘴中間的毛細管運輸?shù)綕櫥c，壓縮空氣從毛細管四周的同軸管中噴出后在潤滑油出口形成漩渦，壓縮空氣將潤滑油撕裂成很多微液滴并吹送到潤滑點上，微液滴為200～600μm，不會霧化。該設計不會使噴流擴散，保證了供油效率，減少潤滑油對環(huán)境的污染。

圖4 同心油氣噴嘴

文獻[5]開發(fā)了一種新型導流式油氣潤滑噴嘴，其原理是在傳統(tǒng)孔式油氣潤滑噴嘴內安裝引流體，使?jié)櫥屯ㄟ^引流體離開噴嘴，進而將環(huán)狀噴油改為點狀噴油。傳統(tǒng)孔式噴嘴和新型導流式噴嘴的結構及性能對比如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)和新型噴嘴的結構及性能對比

軸承從低速到中速，氣簾效應較小，水平噴嘴可直接噴入軸承內部，故此階段更適合水平噴嘴設計，但隨著轉速增加，水平噴射出現(xiàn)濺油，導致球表面供油量不足。通過多次噴嘴傾角的試驗發(fā)現(xiàn)，對于中高速軸承，噴射潤滑時噴嘴噴射方向與主軸中心線夾角為20°時的潤滑效果最好。水平和傾斜噴嘴的結構及性能對比如圖6所示[6]。

圖6 水平和傾斜噴嘴的結構及性能對比

3.2 超高速Spinshot潤滑

日本NSK開發(fā)的新型軸承“Spinshot Ⅱ”(圖7a)采用內圈寬度大于外圈寬度的結構類型，內圈外表面為錐形。潤滑油在空氣的促進下從外隔圈噴到內圈錐形外表面上而非軸承內部，潤滑油在高速旋轉產(chǎn)生的離心力作用下沿錐形表面流入軸承內部，從而對球進行精準潤滑。由于空氣不直接吹入軸承內部，避開了氣簾效應，顯著降低了由高速旋轉空氣產(chǎn)生的高頻刺耳噪聲。此外，由于避開了氣簾對潤滑油的阻擋，因此不必增加油氣中的空氣流速，從而降低了空氣壓力，實現(xiàn)了超高速下的平穩(wěn)旋轉，dm·n值超過2.5×106mm·r/min[7]。從壓力空氣和潤滑油總量看，相比傳統(tǒng)的油氣潤滑，降低了約60%的壓力空氣損耗。

為了進一步提高油氣潤滑速度，采用更少量潤滑油的潤滑方式，NSK公司在“Spinshot Ⅱ”結構的基礎上增加了吸油孔(圖7b)，同樣由壓力空氣帶動潤滑油，但其能控制每次射入量不大于0.001 mL，極限轉速提高到50 000 r/min，dm·n值為3.8×106mm·r/min[8]。

圖7 新型軸承“Spinshot”系列

3.3 側面微量潤滑

側面潤滑超高速角接觸球軸承是日本KOYO開發(fā)的環(huán)保型加工中心用軸承，稱為D型高性能軸承(圖8)，實現(xiàn)了超高速與低噪聲，其設計原理與 “Spinshot Ⅱ”相同，均為從側面提供油氣潤滑，避免與高壓氣簾碰撞。所不同的是，在軸承側面加工了環(huán)形潤滑油槽和3個均布的傾斜潤滑油孔，工作時潤滑油氣噴射在端面的潤滑油槽內，然后根據(jù)超高速旋轉的離心力及毛細管原理，通過傾斜的潤滑油孔提供油氣直接到溝道，潤滑充分，性能良好，在合適的預緊力下dm·n值超過2.8×106mm·r/min[9]。

圖8 D型潤滑軸承

3.4 超高速直潤滑

超高速直潤滑軸承的最大特點是套圈帶潤滑油孔，油氣通過高壓空氣直接進入溝道，實現(xiàn)直接潤滑和冷卻。由于軸承避開了氣簾效應，實現(xiàn)了直接潤滑，軸承高速性能有所飛躍，一般能平穩(wěn)運轉在dm·n值為3.0×106mm·r/min以上[10]。國外研究此類軸承的知名公司有FAG，KOYO(圖9)及SKF等，技術成熟，一般用于超高速、輕載電主軸。根據(jù)潤滑油孔的位置，分為在溝道工作區(qū)和非工作區(qū)，一般2個潤滑油孔呈180°對稱分布。KOYO在此潤滑結構的基礎上研發(fā)了F型高性能軸承，試驗記錄如圖10所示，其增加了側面雙噴嘴的油氣潤滑隔圈，提高了潤滑和冷卻效果，進一步提升了速度性能，平穩(wěn)運轉在dm·n值為3.4×106mm·r/min以上[11]。

圖9 超高速直潤滑軸承

圖10 KOYO研發(fā)的F型軸承試驗記錄

德國FAG公司開發(fā)了專用于超高速電主軸浮動支承的FD系列浮動變位軸承，如圖11所示，其主要應用于需要極限轉速但承載能力非決定因素的工況下，工作轉速至少是同規(guī)格單列圓柱滾子軸承的2倍[10]。其直滾道內圈相對外圈能自由浮動，由Cronidur 30高氮鋼制成，與普通軸承鋼相比具有更高的許可Hertz接觸應力。在裝配過程中必須根據(jù)運轉工況設定軸承游隙，與超精密圓柱滾子軸承類型類似，F(xiàn)D系列軸承也有帶錐孔內圈(K)的類型。

圖11 FAG公司研發(fā)的直潤滑浮動軸承

3.5 超高速環(huán)下潤滑

超高速環(huán)下潤滑軸承如圖12所示，其潤滑油孔設在內圈，潤滑油氣被高速旋轉產(chǎn)生的離心力吸附進內溝道直接潤滑。由于球高速旋轉產(chǎn)生的離心力以及自轉和公轉，潤滑油氣從內溝道沿球旋轉軌跡流動到外溝道，實現(xiàn)了充分潤滑。

圖12 超高速環(huán)下潤滑軸承

此類軸承速度性能更高，dm·n值可達3.5×106mm·r/min以上，但其潤滑系統(tǒng)較為復雜和昂貴，主軸需要高剛性的中空軸，而且需要在軸上加工高精度潤滑油孔，一般機床設備難以實現(xiàn)此類加工，因此相比外圈帶潤滑油孔的直潤滑軸承，此類軸承的應用還比較有限。

3.6 超高速微量脂潤滑

隨著合成潤滑脂的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，脂潤滑軸承的極限dm·n值正不斷被突破，并逐漸進入以往潤滑脂的禁區(qū)[12]。與潤滑油相比，潤滑脂具有較好的長期微量潤滑特性,這是因為潤滑脂黏稠結構的吸附作用和毛細管效應，使?jié)櫥恼舭l(fā)速度低，滲漏趨勢更小。在微量潤滑情況下使用潤滑脂，軸承工作溫度通常比使用潤滑油低，并且摩擦力矩和軸承溫度也較穩(wěn)定。潤滑脂在高速運轉的軸承內部，由于離心力以及球和溝道的相互作用，會在溝道兩側形成潤滑脂環(huán)，起到密封并防止液體和固體污物進入軸承的作用[13]，與高速氣簾一起使軸承具有良好的密封、防塵和防水特性。同時，由于油氣潤滑不可避免地向大氣中擴散，微量脂潤滑技術在綠色環(huán)保方面也具有獨特優(yōu)勢。

目前，結合直接潤滑方式潤滑系統(tǒng)的優(yōu)點和潤滑脂的特點，開發(fā)了超高速微量脂潤滑軸承(圖13)及潤滑系統(tǒng)(圖14)。每隔一段時間定量注入潤滑脂，在2次注脂的時間間隔內通過注脂孔向軸承內噴射低溫冷卻空氣，以降低軸承高速旋轉產(chǎn)生的溫升。其最大特征是潤滑脂注入量非常小，而且直接注入軸承內部。油氣潤滑工況下單套軸承運轉24 h需要潤滑油注入量約1～3 mL，潤滑脂注入量減小到0.1 mL。

圖13 超高速微量脂潤滑軸承

圖14 微量脂潤滑系統(tǒng)

軸承的注脂孔比同尺寸油氣直潤滑軸承的潤滑油孔稍大，與旋轉方向呈20°夾角，便于潤滑脂和冷卻空氣的注入，而且因為注脂孔與溝道的切線呈合適角度，避免進入的高壓冷卻空氣與軸承內部高速循環(huán)的高壓氣流垂直碰撞產(chǎn)生刺耳氣流聲，同時增大了冷卻氣體的噴射面積而使冷卻效果更好。

3.7 小結

從加工成本、環(huán)保性、綜合性能方面對dm·n值超過2.0×106mm·r/min的超高速電主軸軸承的潤滑方式進行總結，見表1，表中★越多表示綜合性能越好。

表1 典型的超高速軸承潤滑方式分析

4 結束語

高速性能是高精密電主軸軸承的永恒追求，而潤滑技術是其核心技術。隨著科技的不斷發(fā)展，超高速軸承的潤滑技術一定會朝多學科、高精細、智能化、綠色環(huán)保方向發(fā)展。