林鋼 王安麟

摘 要：隨著高速高精高效加工技術(shù)的快速發(fā)展，油氣潤(rùn)滑技術(shù)應(yīng)用于高速電主軸機(jī)床已成為目前發(fā)展的普遍趨勢(shì)。本文主要介紹油氣潤(rùn)滑技術(shù)近年來的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)展，以及油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的組成，設(shè)計(jì)了一套基于德國(guó)Kessler電主軸的油氣潤(rùn)滑管路設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)際對(duì)其進(jìn)行選型優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)；Kessler電主軸；管路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG502.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）30-0280-01

前 言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化時(shí)代的來臨，我國(guó)的制造業(yè)發(fā)展速度迅猛，對(duì)機(jī)床行業(yè)提出了更加高速、高精和高效的要求。高速切削等加工技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)的一場(chǎng)技術(shù)革命，是近年來快速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)。隨著高速切削等技術(shù)的急速發(fā)展，目前高速加工中心使用的電主軸轉(zhuǎn)速已超過10萬rpm，最高轉(zhuǎn)速甚至達(dá)到30萬rpm。而高速電主軸內(nèi)的角接觸軸承一直處在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，假如在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下形成氣流會(huì)使?jié)櫥筒蝗菀走M(jìn)入軸承腔，潤(rùn)滑油在離心力作用下不易粘附于滾動(dòng)表面等問題。為了實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行且保持良好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，一般采用油氣潤(rùn)滑技術(shù)來提高軸承極限轉(zhuǎn)速。

1 油氣潤(rùn)滑原理介紹

油氣潤(rùn)滑技術(shù)利用清潔干燥的壓縮空氣將微量的潤(rùn)滑油精確地、連續(xù)不斷地供給每一組主軸陶軸承，微小的油滴在軸承滾動(dòng)體和內(nèi)外滾道之間會(huì)形成一層彈性動(dòng)壓油膜，另一方面壓縮空氣會(huì)帶走軸承運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量。在油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)中，定量柱塞泵分配器每隔一定時(shí)間會(huì)定量輸出微量潤(rùn)滑油，混合混合閥的壓縮空氣，后經(jīng)內(nèi)徑4mm的尼龍管輸出油氣給主軸軸承，具體參量視對(duì)應(yīng)主軸要求。

通過混合閥混合后輸出的油氣實(shí)際上是“油+氣”，通過油氣輸送管，可以觀察到微小的油滴沿著管壁呈波狀分布，但油和氣實(shí)際上是分離的，并且是通過不斷流動(dòng)的壓縮空氣和管壁上呈波狀的潤(rùn)滑油一同連續(xù)不斷地向前輸送。

2 油氣潤(rùn)滑技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

許多工程領(lǐng)域需要主軸和主軸的滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速超出其（例如研磨主軸和銑刀軸用軸承）產(chǎn)品樣本中給出的極限，以提高切削速度。除了軸承的設(shè)計(jì)和構(gòu)造以外，滿足該要求的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是選擇一套合適的潤(rùn)滑系統(tǒng)。對(duì)于傳統(tǒng)的潤(rùn)滑系統(tǒng)（比如油浴潤(rùn)滑或循環(huán)油潤(rùn)滑）均由于流體動(dòng)力損失使摩擦增大，從而溫度超出許可極限而不能勝任。在具備潤(rùn)滑劑同步冷卻功能的循環(huán)油潤(rùn)滑系統(tǒng)，這雖然可降低溫度，但又產(chǎn)生了功率損耗和更復(fù)雜的機(jī)器密封問題。

油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)解決了油霧潤(rùn)滑和油脂潤(rùn)滑的眾多缺點(diǎn)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以根據(jù)實(shí)際主軸需要選擇不同潤(rùn)滑點(diǎn)數(shù)以及各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)所需要的潤(rùn)滑油量，這樣可以節(jié)約潤(rùn)滑劑。因?yàn)橛挽F是可以任意擴(kuò)散的，無法對(duì)單個(gè)軸承進(jìn)行定量供油，而油脂潤(rùn)滑只能一次加脂，不能定量供應(yīng)。而油氣潤(rùn)滑則以微小的油滴形式進(jìn)入軸承，這樣潤(rùn)滑的點(diǎn)數(shù)我們可以在油路設(shè)計(jì)時(shí)控制，另外各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)的油量也可以通過相應(yīng)的油氣裝置定量、定時(shí)一一供應(yīng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)按需供應(yīng)，可以避免浪費(fèi)，相比下來油的使用量只占到油霧潤(rùn)滑的1/10。

（2）油氣潤(rùn)滑可以讓軸承的承載部位摩擦點(diǎn)一直有新鮮的潤(rùn)滑劑供應(yīng)，而油脂潤(rùn)滑使用的油脂是有一定的使用周期的，在前期的時(shí)候潤(rùn)滑油相對(duì)較多，容易攪動(dòng)發(fā)熱，但是到了后期就不夠了，這樣不能形成良好的潤(rùn)滑條件，另外補(bǔ)充油脂操作很繁瑣，在實(shí)際應(yīng)用中一般是一次性加脂直到軸承更換為止。

（3）油氣潤(rùn)滑可以使軸承的溫升減小，這樣可讓主軸軸承的dmn值更高。試驗(yàn)證明，在一樣的轉(zhuǎn)速下，相同型號(hào)、相同工況的主軸軸承，使用油氣潤(rùn)滑的比使用油霧潤(rùn)滑的軸承外圈溫升要降低9～16℃。如果保持軸承的外圈溫升相同，油氣潤(rùn)滑可以使軸承的速度因數(shù)整整提高25%以上。

（4）油氣潤(rùn)滑相對(duì)對(duì)環(huán)境污染比較少。因?yàn)橛蜌馔ㄟ^軸承之后排出的基本都是壓縮空氣，其中不含油或含極少的油量，相比于油霧潤(rùn)滑，更有利于保障操作人員的身體健康。

（5）另外軸承內(nèi)部持續(xù)有新潤(rùn)滑油的補(bǔ)充和新空氣的流出，外來的雜質(zhì)難以進(jìn)入，內(nèi)部的污物又容易排出，這樣一來，軸承的使用壽命可以顯著提高。

3 油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的組成

油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)可分為供油部分、供氣部分和油氣混合部分。

3.1 供油部分

供油部分主要由潤(rùn)滑泵、過濾器、油壓報(bào)警開關(guān)等組成。

3.2 供氣部分

供氣部分主要由空氣過濾器、減壓閥、電磁閥、氣壓檢測(cè)開關(guān)組成。供給的壓縮空氣必須清潔而且干燥，所以在空氣過濾器前需增加了一個(gè)水滴分離器。當(dāng)油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)開啟時(shí)，電磁閥得電接通，清潔干燥的壓縮空氣通過減壓閥使排出的氣壓為4Bar，另外在排氣管上裝有壓力開關(guān)以保證工作中有足夠的氣壓。

3.3 油氣混合部分

油和氣經(jīng)過混合閥混合，油霧化成油滴一顆顆地分散在尼龍管內(nèi)表面。油氣混合閥根據(jù)Kessler電主軸30mm3/cycle的供油量要求，選擇SKF公司的MV-203-20（0.03×3），每個(gè)通道0.03cm3/cycle。

3.4 潤(rùn)滑油的型號(hào)和供油量的選擇

油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)潤(rùn)滑油型號(hào)要求很嚴(yán)格，主軸軸承的潤(rùn)滑一般選擇帶有極壓的合成潤(rùn)滑油。對(duì)于潤(rùn)滑油型號(hào)，Kessler公司推薦我們使用的潤(rùn)滑油必須按照ISO VG 68且?guī)в蠩P添加劑，而有些公司推薦使用的潤(rùn)滑油只需要符合ISO VG 32+EP標(biāo)準(zhǔn)或者符合ISO VG 46+EP標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高速、重載的工況最好選擇黏度相對(duì)較高的ISO VG 68潤(rùn)滑油，而低速、輕載的工況可以選擇黏度較低的ISO VG 32潤(rùn)滑油。

油氣潤(rùn)滑技術(shù)是一種相對(duì)先進(jìn)的定時(shí)、定量的潤(rùn)滑技術(shù)。定時(shí)就是每隔一定的時(shí)間注入一次油；定量就是使用定量閥每次精準(zhǔn)地給各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)分配潤(rùn)滑油的油量。供油的間隔通常按照各個(gè)電主軸要求，按Kessler電主軸供油量要求，選擇2m左右的導(dǎo)入管，3個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)，每7min供油1次。供油量對(duì)于軸承潤(rùn)滑效果影響很大，供給油量Q、軸承溫度t和軸承摩擦力NR三者關(guān)系，隨著供給油量的不斷增大，軸承溫度t開始降低然后升高，而軸承承摩擦力NR隨著供油量的不斷增大而增大，可以得出最佳潤(rùn)滑區(qū)就是Q-t、Q-NR兩條曲線的最低點(diǎn)。

SKF公司對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的角接觸軸承所需要的最小供油量，提供了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：Q=1.3dm，其中Q為供給油量（mm3/h）；dm是軸承內(nèi)外直徑的平均值（mm），即dm=0.5（d+D）。最小供油量經(jīng)驗(yàn)公式僅僅考慮理想狀態(tài)下的潤(rùn)滑軸承所需要的潤(rùn)滑油，而在實(shí)際使用中，受到軸承溫升、工況等其它因素影響，所需的供油量通常是最小供油量的4～10倍。

4 結(jié)束語

油氣潤(rùn)滑技術(shù)是一門新興的技術(shù)，有著很多優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在高速電主軸中的應(yīng)用有著極為廣泛的發(fā)展前景。將油氣潤(rùn)滑這門技術(shù)應(yīng)用到高速、高精、高效的加工中心，有助于推動(dòng)我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)的發(fā)展。

收稿日期：2018-9-12