Kessler高速电主轴的油气润滑系统设计与优化

林钢 王安麟

摘 要：随着高速高精高效加工技术的快速发展，油气润滑技术应用于高速电主轴机床已成为目前发展的普遍趋势。本文主要介绍油气润滑技术近年来的研究现状及应用进展，以及油气润滑系统的组成，设计了一套基于德国Kessler电主轴的油气润滑管路设计，并结合实际对其进行选型优化。

关键词：油气润滑系统；Kessler电主轴；管路设计

中图分类号：TG502.3 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）30-0280-01

前 言

随着经济全球化时代的来临，我国的制造业发展速度迅猛，对机床行业提出了更加高速、高精和高效的要求。高速切削等加工技术被认为是21世纪机械制造业的一场技术革命，是近年来快速发展的先进制造技术。随着高速切削等技术的急速发展，目前高速加工中心使用的电主轴转速已超过10万rpm，最高转速甚至达到30万rpm。而高速电主轴内的角接触轴承一直处在高速运转状态，假如在高速运转下形成气流会使润滑油不容易进入轴承腔，润滑油在离心力作用下不易粘附于滚动表面等问题。为了实现高速运行且保持良好的动态稳定性，一般采用油气润滑技术来提高轴承极限转速。

1 油气润滑原理介绍

油气润滑技术利用清洁干燥的压缩空气将微量的润滑油精确地、连续不断地供给每一组主轴陶轴承，微小的油滴在轴承滚动体和内外滚道之间会形成一层弹性动压油膜，另一方面压缩空气会带走轴承运转所产生的部分热量。在油气润滑系统中，定量柱塞泵分配器每隔一定时间会定量输出微量润滑油，混合混合阀的压缩空气，后经内径4mm的尼龙管输出油气给主轴轴承，具体参量视对应主轴要求。

通过混合阀混合后输出的油气实际上是“油+气”，通过油气输送管，可以观察到微小的油滴沿着管壁呈波状分布，但油和气实际上是分离的，并且是通过不断流动的压缩空气和管壁上呈波状的润滑油一同连续不断地向前输送。

2 油气润滑技术的优势

许多工程领域需要主轴和主轴的滚动轴承转速超出其（例如研磨主轴和铣刀轴用轴承）产品样本中给出的极限，以提高切削速度。除了轴承的设计和构造以外，满足该要求的另一个关键点是选择一套合适的润滑系统。对于传统的润滑系统（比如油浴润滑或循环油润滑）均由于流体动力损失使摩擦增大，从而温度超出许可极限而不能胜任。在具备润滑剂同步冷却功能的循环油润滑系统，这虽然可降低温度，但又产生了功率损耗和更复杂的机器密封问题。

油气润滑系统解决了油雾润滑和油脂润滑的众多缺点，具有以下优点：

（1）可以根据实际主轴需要选择不同润滑点数以及各个润滑点所需要的润滑油量，这样可以节约润滑剂。因为油雾是可以任意扩散的，无法对单个轴承进行定量供油，而油脂润滑只能一次加脂，不能定量供应。而油气润滑则以微小的油滴形式进入轴承，这样润滑的点数我们可以在油路设计时控制，另外各个润滑点的油量也可以通过相应的油气装置定量、定时一一供应，这样就可以实现按需供应，可以避免浪费，相比下来油的使用量只占到油雾润滑的1/10。

（2）油氣润滑可以让轴承的承载部位摩擦点一直有新鲜的润滑剂供应，而油脂润滑使用的油脂是有一定的使用周期的，在前期的时候润滑油相对较多，容易搅动发热，但是到了后期就不够了，这样不能形成良好的润滑条件，另外补充油脂操作很繁琐，在实际应用中一般是一次性加脂直到轴承更换为止。

（3）油气润滑可以使轴承的温升减小，这样可让主轴轴承的dmn值更高。试验证明，在一样的转速下，相同型号、相同工况的主轴轴承，使用油气润滑的比使用油雾润滑的轴承外圈温升要降低9～16℃。如果保持轴承的外圈温升相同，油气润滑可以使轴承的速度因数整整提高25%以上。

（4）油气润滑相对对环境污染比较少。因为油气通过轴承之后排出的基本都是压缩空气，其中不含油或含极少的油量，相比于油雾润滑，更有利于保障操作人员的身体健康。

（5）另外轴承内部持续有新润滑油的补充和新空气的流出，外来的杂质难以进入，内部的污物又容易排出，这样一来，轴承的使用寿命可以显著提高。

3 油气润滑系统的组成

油气润滑系统可分为供油部分、供气部分和油气混合部分。

3.1 供油部分

供油部分主要由润滑泵、过滤器、油压报警开关等组成。

3.2 供气部分

供气部分主要由空气过滤器、减压阀、电磁阀、气压检测开关组成。供给的压缩空气必须清洁而且干燥，所以在空气过滤器前需增加了一个水滴分离器。当油气润滑系统开启时，电磁阀得电接通，清洁干燥的压缩空气通过减压阀使排出的气压为4Bar，另外在排气管上装有压力开关以保证工作中有足够的气压。

3.3 油气混合部分

油和气经过混合阀混合，油雾化成油滴一颗颗地分散在尼龙管内表面。油气混合阀根据Kessler电主轴30mm3/cycle的供油量要求，选择SKF公司的MV-203-20（0.03×3），每个通道0.03cm3/cycle。

3.4 润滑油的型号和供油量的选择

油气润滑系统对润滑油型号要求很严格，主轴轴承的润滑一般选择带有极压的合成润滑油。对于润滑油型号，Kessler公司推荐我们使用的润滑油必须按照ISO VG 68且带有EP添加剂，而有些公司推荐使用的润滑油只需要符合ISO VG 32+EP标准或者符合ISO VG 46+EP标准。经过试验发现，高速、重载的工况最好选择黏度相对较高的ISO VG 68润滑油，而低速、轻载的工况可以选择黏度较低的ISO VG 32润滑油。

油气润滑技术是一种相对先进的定时、定量的润滑技术。定时就是每隔一定的时间注入一次油；定量就是使用定量阀每次精准地给各个润滑点分配润滑油的油量。供油的间隔通常按照各个电主轴要求，按Kessler电主轴供油量要求，选择2m左右的导入管，3个润滑点，每7min供油1次。供油量对于轴承润滑效果影响很大，供给油量Q、轴承温度t和轴承摩擦力NR三者关系，随着供给油量的不断增大，轴承温度t开始降低然后升高，而轴承承摩擦力NR随着供油量的不断增大而增大，可以得出最佳润滑区就是Q-t、Q-NR两条曲线的最低点。

SKF公司对高速运转的角接触轴承所需要的最小供油量，提供了一个经验公式：Q=1.3dm，其中Q为供给油量（mm3/h）；dm是轴承内外直径的平均值（mm），即dm=0.5（d+D）。最小供油量经验公式仅仅考虑理想状态下的润滑轴承所需要的润滑油，而在实际使用中，受到轴承温升、工况等其它因素影响，所需的供油量通常是最小供油量的4～10倍。

4 结束语

油气润滑技术是一门新兴的技术，有着很多优点，该技术在高速电主轴中的应用有着极为广泛的发展前景。将油气润滑这门技术应用到高速、高精、高效的加工中心，有助于推动我国数控机床行业的发展。

收稿日期：2018-9-12