Kessler高速電主軸的油氣潤滑系統設計與優化

林鋼 王安麟

摘 要：隨著高速高精高效加工技術的快速發展，油氣潤滑技術應用于高速電主軸機床已成為目前發展的普遍趨勢。本文主要介紹油氣潤滑技術近年來的研究現狀及應用進展，以及油氣潤滑系統的組成，設計了一套基于德國Kessler電主軸的油氣潤滑管路設計，并結合實際對其進行選型優化。

關鍵詞：油氣潤滑系統；Kessler電主軸；管路設計

中圖分類號：TG502.3 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）30-0280-01

前 言

隨著經濟全球化時代的來臨，我國的制造業發展速度迅猛，對機床行業提出了更加高速、高精和高效的要求。高速切削等加工技術被認為是21世紀機械制造業的一場技術革命，是近年來快速發展的先進制造技術。隨著高速切削等技術的急速發展，目前高速加工中心使用的電主軸轉速已超過10萬rpm，最高轉速甚至達到30萬rpm。而高速電主軸內的角接觸軸承一直處在高速運轉狀態，假如在高速運轉下形成氣流會使潤滑油不容易進入軸承腔，潤滑油在離心力作用下不易粘附于滾動表面等問題。為了實現高速運行且保持良好的動態穩定性，一般采用油氣潤滑技術來提高軸承極限轉速。

1 油氣潤滑原理介紹

油氣潤滑技術利用清潔干燥的壓縮空氣將微量的潤滑油精確地、連續不斷地供給每一組主軸陶軸承，微小的油滴在軸承滾動體和內外滾道之間會形成一層彈性動壓油膜，另一方面壓縮空氣會帶走軸承運轉所產生的部分熱量。在油氣潤滑系統中，定量柱塞泵分配器每隔一定時間會定量輸出微量潤滑油，混合混合閥的壓縮空氣，后經內徑4mm的尼龍管輸出油氣給主軸軸承，具體參量視對應主軸要求。

通過混合閥混合后輸出的油氣實際上是“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，但油和氣實際上是分離的，并且是通過不斷流動的壓縮空氣和管壁上呈波狀的潤滑油一同連續不斷地向前輸送。

2 油氣潤滑技術的優勢

許多工程領域需要主軸和主軸的滾動軸承轉速超出其（例如研磨主軸和銑刀軸用軸承）產品樣本中給出的極限，以提高切削速度。除了軸承的設計和構造以外，滿足該要求的另一個關鍵點是選擇一套合適的潤滑系統。對于傳統的潤滑系統（比如油浴潤滑或循環油潤滑）均由于流體動力損失使摩擦增大，從而溫度超出許可極限而不能勝任。在具備潤滑劑同步冷卻功能的循環油潤滑系統，這雖然可降低溫度，但又產生了功率損耗和更復雜的機器密封問題。

油氣潤滑系統解決了油霧潤滑和油脂潤滑的眾多缺點，具有以下優點：

（1）可以根據實際主軸需要選擇不同潤滑點數以及各個潤滑點所需要的潤滑油量，這樣可以節約潤滑劑。因為油霧是可以任意擴散的，無法對單個軸承進行定量供油，而油脂潤滑只能一次加脂，不能定量供應。而油氣潤滑則以微小的油滴形式進入軸承，這樣潤滑的點數我們可以在油路設計時控制，另外各個潤滑點的油量也可以通過相應的油氣裝置定量、定時一一供應，這樣就可以實現按需供應，可以避免浪費，相比下來油的使用量只占到油霧潤滑的1/10。

（2）油氣潤滑可以讓軸承的承載部位摩擦點一直有新鮮的潤滑劑供應，而油脂潤滑使用的油脂是有一定的使用周期的，在前期的時候潤滑油相對較多，容易攪動發熱，但是到了后期就不夠了，這樣不能形成良好的潤滑條件，另外補充油脂操作很繁瑣，在實際應用中一般是一次性加脂直到軸承更換為止。

（3）油氣潤滑可以使軸承的溫升減小，這樣可讓主軸軸承的dmn值更高。試驗證明，在一樣的轉速下，相同型號、相同工況的主軸軸承，使用油氣潤滑的比使用油霧潤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，油氣潤滑可以使軸承的速度因數整整提高25%以上。

（4）油氣潤滑相對對環境污染比較少。因為油氣通過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，相比于油霧潤滑，更有利于保障操作人員的身體健康。

（5）另外軸承內部持續有新潤滑油的補充和新空氣的流出，外來的雜質難以進入，內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 油氣潤滑系統的組成

油氣潤滑系統可分為供油部分、供氣部分和油氣混合部分。

3.1 供油部分

供油部分主要由潤滑泵、過濾器、油壓報警開關等組成。

3.2 供氣部分

供氣部分主要由空氣過濾器、減壓閥、電磁閥、氣壓檢測開關組成。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水滴分離器。當油氣潤滑系統開啟時，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以保證工作中有足夠的氣壓。

3.3 油氣混合部分

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

3.4 潤滑油的型號和供油量的選擇

油氣潤滑系統對潤滑油型號要求很嚴格，主軸軸承的潤滑一般選擇帶有極壓的合成潤滑油。對于潤滑油型號，Kessler公司推薦我們使用的潤滑油必須按照ISO VG 68且帶有EP添加劑，而有些公司推薦使用的潤滑油只需要符合ISO VG 32+EP標準或者符合ISO VG 46+EP標準。經過試驗發現，高速、重載的工況最好選擇黏度相對較高的ISO VG 68潤滑油，而低速、輕載的工況可以選擇黏度較低的ISO VG 32潤滑油。

油氣潤滑技術是一種相對先進的定時、定量的潤滑技術。定時就是每隔一定的時間注入一次油；定量就是使用定量閥每次精準地給各個潤滑點分配潤滑油的油量。供油的間隔通常按照各個電主軸要求，按Kessler電主軸供油量要求，選擇2m左右的導入管，3個潤滑點，每7min供油1次。供油量對于軸承潤滑效果影響很大，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，可以得出最佳潤滑區就是Q-t、Q-NR兩條曲線的最低點。

SKF公司對高速運轉的角接觸軸承所需要的最小供油量，提供了一個經驗公式：Q=1.3dm，其中Q為供給油量（mm3/h）；dm是軸承內外直徑的平均值（mm），即dm=0.5（d+D）。最小供油量經驗公式僅僅考慮理想狀態下的潤滑軸承所需要的潤滑油，而在實際使用中，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 結束語

油氣潤滑技術是一門新興的技術，有著很多優點，該技術在高速電主軸中的應用有著極為廣泛的發展前景。將油氣潤滑這門技術應用到高速、高精、高效的加工中心，有助于推動我國數控機床行業的發展。

收稿日期：2018-9-12