高速立式加工中心主軸軸承油氣潤滑設(shè)計(jì)

王 維 楊秀俊

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

近年來，在國內(nèi)隨著機(jī)床制造技術(shù)向高速、高精、高效、復(fù)合、智能、環(huán)保等方向發(fā)展，傳統(tǒng)的主軸結(jié)構(gòu)已越來越不能適應(yīng)高速度、高轉(zhuǎn)速、高精度的需要。高速電主軸的廣泛應(yīng)用，填補(bǔ)了傳統(tǒng)主軸結(jié)構(gòu)的缺陷，以高切削速度、高進(jìn)給速度、高加工精度成為制造技術(shù)第2次革命性的飛躍。然而我們在應(yīng)用電主軸的同時(shí)發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)電主軸的高轉(zhuǎn)速與低溫升，主軸軸承的潤滑技術(shù)起著關(guān)鍵作用，目前所采用軸承潤滑方式主要有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑等方式。其中油氣潤滑方式在高速大功率電主軸軸承上的潤滑效果最為理想，并且已廣泛應(yīng)用于高速臥式加工中心。然而為滿足不同行業(yè)的需求，在高速立式加工中心上的開發(fā)也將勢在必行。由于立式加工中心與臥式加工中心結(jié)構(gòu)的不同，臥式加工中心電主軸軸承的潤滑方式不能照搬于立式加工中心。

本文就立式加工中心電主軸軸承的油氣潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行敘述，以供讀者參考借鑒，可能有不周之處，請讀者不吝賜教。

1 電主軸軸承油氣潤滑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

眾所周知，立式加工中心主軸放置方式為正立放置，對其主軸軸承的潤滑比臥式加工中心要求嚴(yán)格，尤其是對高速立式加工中心主軸軸承的潤滑要求更為嚴(yán)格，不但在管路設(shè)計(jì)方面要嚴(yán)密而且對其主軸機(jī)械結(jié)構(gòu)方面有更高的要求。

高速立式加工中心電主軸軸承油氣潤滑設(shè)計(jì)總體是通過油氣潤滑系統(tǒng)將油氣混合物送至主軸軸承，對軸承進(jìn)行潤滑及冷卻作用，最后通過回路將油氣混合物干凈地排出主軸內(nèi)腔，防止進(jìn)入主軸定子線圈，燒毀主軸定子。油氣潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為管路設(shè)計(jì)部分及主軸機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下面就以轉(zhuǎn)速為12 000 ～15 000 r/min的電主軸為例進(jìn)行敘述。

1.1 油氣潤滑的基本知識

油氣潤滑簡單地說，就是將單獨(dú)供送的潤滑劑和壓縮空氣進(jìn)行混合并形成紊流狀的混合流后送到潤滑點(diǎn)進(jìn)行潤滑。油氣潤滑系統(tǒng)由氣動泵、油氣分配塊、氣源處元件、控制部件及管路組成。油氣潤滑優(yōu)點(diǎn)在于有利于保護(hù)環(huán)境沒有油污、供油精確、可以實(shí)施監(jiān)控、耗油量少，特別是對于滾動軸承，具有一定的空氣冷卻效果，可以降低軸承的運(yùn)行溫度，從而延長軸承的使用壽命。

1.2 管路設(shè)計(jì)

如圖1 所示，氣源進(jìn)入油氣潤滑系統(tǒng)分4 路對主軸軸承進(jìn)行潤滑。真空發(fā)生器的作用，首先保證進(jìn)入主軸軸承的油氣混合物能夠順利排出，其次就是保證油氣順利進(jìn)入主軸軸承對軸承進(jìn)行充分潤滑。在此油氣潤滑系統(tǒng)中進(jìn)氣源為干燥壓縮空氣，過濾精度為10 μm，壓力為0.3 ～0.4 MPa，而油氣潤滑用油的粘度范圍廣泛，32#·220#都可適用，由用戶根據(jù)自己實(shí)際情況選用。

對于各潤滑點(diǎn)處潤滑劑的消耗量可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式Q=D×I×α ×φ 計(jì)算，其中:Q為每小時(shí)潤滑劑消耗量，mm3;D為軸承內(nèi)徑，mm;I為軸承寬度，mm;φ 為供油管直徑，mm;α 為形狀修正系數(shù)(角接觸球軸承α=0.01;一 般 球 軸 承α = 0. 02;圓 柱 滾 子 軸 承α=0.03)。

1.3 主軸機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主軸軸承分布在電主軸的前端部及后尾部(圖2)，現(xiàn)就主軸端部及尾部的軸承潤滑及結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的剖析，如圖3、4 所示。

圖3 中油氣混合物一路通過進(jìn)口6 進(jìn)入軸承隔套2 對尾部上軸承1 進(jìn)行潤滑冷卻，另一路則在進(jìn)口7 通過軸承隔套2 對尾部下軸承3進(jìn)行潤滑冷卻。油氣混合物在氣壓的作用下經(jīng)過軸承1、3 至出口4 進(jìn)入接油盤8 中，再由真空發(fā)生器接口5 排出，在整個(gè)過程中接油盤8 及真空發(fā)生器的作用非常重要。真空發(fā)生器不但保證了軸承能夠得到充分潤滑，而且還保證了油氣混合物能夠順利到達(dá)接油盤被排出。而接油盤8 成功地防止油氣混合物在氣壓及重力的作用下進(jìn)入主軸定子線圈，燒毀主軸定子。

圖4 中，油氣混合物經(jīng)進(jìn)口5、6 通過隔套2 分路，分別對前端部上軸承1 及下軸承7 進(jìn)行潤滑，由回路3 經(jīng)真空發(fā)生器接口4 排出。從圖4 中看到油氣混合物的排氣孔設(shè)計(jì)在前端軸承的最上端，并且在出口處都接有真空發(fā)生器，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了使油氣自下而上進(jìn)入軸承內(nèi)腔，延長油氣在腔內(nèi)的逗留時(shí)間使端部軸承得到充分潤滑，防止油氣進(jìn)入軸承區(qū)域只對端部下軸承進(jìn)行潤滑冷卻，而端部上軸承得不到充分潤滑及冷卻，以致上軸承磨損發(fā)熱，導(dǎo)致主軸溫升超出控制范圍，影響主軸精度。

2 油氣潤滑系統(tǒng)在立式加工中心中的應(yīng)用案例

此種油氣潤滑系統(tǒng)在我廠立式加工中心成功應(yīng)用，主軸在12 000 ～15 000 r/min 運(yùn)轉(zhuǎn)正常，在15 000 r/min 運(yùn)轉(zhuǎn)3 h 主軸溫升2 C°，3 h 后主軸溫度恒定維持在53 C°左右，主軸溫度和溫升等各項(xiàng)精度都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

高速數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展方向之一，也是裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，而高速電主軸作為高速數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，在未來其應(yīng)用將不斷普及，應(yīng)用范圍也將不斷地?cái)U(kuò)大。相對脂潤滑、油霧潤滑而言，油氣潤滑技術(shù)在高速加工中心主軸潤滑中應(yīng)用，會取得更理想的潤滑冷卻效果，并在應(yīng)用中不斷地改進(jìn)和完善。

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