避免氣簾效應(yīng)的超高速電主軸軸承潤滑技術(shù)

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(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

高速數(shù)控機(jī)床技術(shù)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(jī)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(zhuǎn)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(dòng)和加速區(qū)域不穩(wěn)定性，會(huì)出現(xiàn)變加速、滑動(dòng)、陀螺旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)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(shù)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(yīng)對軸承潤滑性能的影響，并重點(diǎn)介紹目前較先進(jìn)的幾種潤滑方式。

1 超高速軸承油氣潤滑機(jī)理

目前超高速電主軸的轉(zhuǎn)速每分鐘可達(dá)數(shù)萬甚至數(shù)十萬轉(zhuǎn)[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(yùn)動(dòng)示意圖如圖1所示。

圖1 超高速電主軸用角接觸球軸承運(yùn)動(dòng)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(dòng)潤滑油形成氣液兩相環(huán)狀進(jìn)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(nèi)圈溝道，再隨球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yīng)的冷卻和潤滑，最終實(shí)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(qiáng)，同時(shí)高速氣體貫穿軸承腔體進(jìn)行強(qiáng)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(nèi)部氣相流動(dòng)的氣簾效應(yīng)

國內(nèi)外學(xué)者針對軸承腔內(nèi)油氣潤滑參數(shù)試驗(yàn)、軸承(擬)動(dòng)力學(xué)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(jié)果表明:在超高速工況下油氣潤滑在軸承內(nèi)部形成了多接觸界面的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)邊界潤滑模型，球除公轉(zhuǎn)外，還呈現(xiàn)自旋、陀螺運(yùn)動(dòng)等，造成兜孔間隙內(nèi)剪切氣流變化，內(nèi)圈高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣相剪切力是軸承腔內(nèi)油膜運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)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(yīng)模型如圖3所示。在軸承轉(zhuǎn)速超過20 000 r/min，dm·n值超過1.5×106mm·r/min時(shí)，空氣和高速旋轉(zhuǎn)的內(nèi)圈外表面之間的摩擦?xí)a(chǎn)生環(huán)形高速空氣流形成的氣幕，即氣簾效應(yīng)；在軸承轉(zhuǎn)速超過30 000 r/min，dm·n值超過2×106mm·r/min時(shí)，球與接觸區(qū)入口會(huì)形成強(qiáng)力二次渦流，即軸承腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生雙氣簾效應(yīng)。

圖3 軸承的氣簾效應(yīng)模型

對于傳統(tǒng)的側(cè)面噴油或油氣潤滑方式，氣簾效應(yīng)的高壓氣幕阻擋潤滑油不能精確噴射進(jìn)軸承內(nèi)部，而且從側(cè)面噴射的高壓油氣與高速旋轉(zhuǎn)的高壓氣流直接相撞會(huì)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(shí)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(shù)

3.1 傳統(tǒng)油氣潤滑的改進(jìn)

隨著軸承速度性能的提高，氣簾效應(yīng)越來越強(qiáng)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(nèi)外學(xué)者對油氣兩相環(huán)狀流型的影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)噴嘴結(jié)構(gòu)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(nèi)油氣的流動(dòng)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(shè)計(jì)，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(xì)管運(yùn)輸?shù)綕櫥c(diǎn)，壓縮空氣從毛細(xì)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(diǎn)上，微液滴為200～600μm，不會(huì)霧化。該設(shè)計(jì)不會(huì)使噴流擴(kuò)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(xiàn)[5]開發(fā)了一種新型導(dǎo)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(nèi)安裝引流體，使?jié)櫥屯ㄟ^引流體離開噴嘴，進(jìn)而將環(huán)狀噴油改為點(diǎn)狀噴油。傳統(tǒng)孔式噴嘴和新型導(dǎo)流式噴嘴的結(jié)構(gòu)及性能對比如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)和新型噴嘴的結(jié)構(gòu)及性能對比

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

圖6 水平和傾斜噴嘴的結(jié)構(gòu)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(nèi)圈寬度大于外圈寬度的結(jié)構(gòu)類型，內(nèi)圈外表面為錐形。潤滑油在空氣的促進(jìn)下從外隔圈噴到內(nèi)圈錐形外表面上而非軸承內(nèi)部，潤滑油在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下沿錐形表面流入軸承內(nèi)部，從而對球進(jìn)行精準(zhǔn)潤滑。由于空氣不直接吹入軸承內(nèi)部，避開了氣簾效應(yīng)，顯著降低了由高速旋轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)了超高速下的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，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(jìn)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了吸油孔(圖7b)，同樣由壓力空氣帶動(dòng)潤滑油，但其能控制每次射入量不大于0.001 mL，極限轉(zhuǎn)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(cè)面微量潤滑

側(cè)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(shí)現(xiàn)了超高速與低噪聲，其設(shè)計(jì)原理與 “Spinshot Ⅱ”相同，均為從側(cè)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(cè)面加工了環(huán)形潤滑油槽和3個(gè)均布的傾斜潤滑油孔，工作時(shí)潤滑油氣噴射在端面的潤滑油槽內(nèi)，然后根據(jù)超高速旋轉(zhuǎn)的離心力及毛細(xì)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(yù)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(diǎn)是套圈帶潤滑油孔，油氣通過高壓空氣直接進(jìn)入溝道，實(shí)現(xiàn)直接潤滑和冷卻。由于軸承避開了氣簾效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了直接潤滑，軸承高速性能有所飛躍，一般能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)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(shù)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(gè)潤滑油孔呈180°對稱分布。KOYO在此潤滑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研發(fā)了F型高性能軸承，試驗(yàn)記錄如圖10所示，其增加了側(cè)面雙噴嘴的油氣潤滑隔圈，提高了潤滑和冷卻效果，進(jìn)一步提升了速度性能，平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)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(yàn)記錄

德國FAG公司開發(fā)了專用于超高速電主軸浮動(dòng)支承的FD系列浮動(dòng)變位軸承，如圖11所示，其主要應(yīng)用于需要極限轉(zhuǎn)速但承載能力非決定因素的工況下，工作轉(zhuǎn)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(nèi)圈相對外圈能自由浮動(dòng)，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(yīng)力。在裝配過程中必須根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)工況設(shè)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(nèi)圈(K)的類型。

圖11 FAG公司研發(fā)的直潤滑浮動(dòng)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(shè)在內(nèi)圈，潤滑油氣被高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力吸附進(jìn)內(nèi)溝道直接潤滑。由于球高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以及自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，潤滑油氣從內(nèi)溝道沿球旋轉(zhuǎn)軌跡流動(dòng)到外溝道，實(shí)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(dá)3.5×106mm·r/min以上，但其潤滑系統(tǒng)較為復(fù)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(jī)床設(shè)備難以實(shí)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(yīng)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(jìn)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?yàn)闈櫥こ斫Y(jié)構(gòu)的吸附作用和毛細(xì)管效應(yīng)，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(yùn)轉(zhuǎn)的軸承內(nèi)部，由于離心力以及球和溝道的相互作用，會(huì)在溝道兩側(cè)形成潤滑脂環(huán)，起到密封并防止液體和固體污物進(jìn)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(shí)，由于油氣潤滑不可避免地向大氣中擴(kuò)散，微量脂潤滑技術(shù)在綠色環(huán)保方面也具有獨(dú)特優(yōu)勢。

目前，結(jié)合直接潤滑方式潤滑系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和潤滑脂的特點(diǎn)，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(shí)間定量注入潤滑脂，在2次注脂的時(shí)間間隔內(nèi)通過注脂孔向軸承內(nèi)噴射低溫冷卻空氣，以降低軸承高速旋轉(zhuǎn)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(nèi)部。油氣潤滑工況下單套軸承運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)方向呈20°夾角，便于潤滑脂和冷卻空氣的注入，而且因?yàn)樽⒅着c溝道的切線呈合適角度，避免進(jìn)入的高壓冷卻空氣與軸承內(nèi)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(shí)增大了冷卻氣體的噴射面積而使冷卻效果更好。

3.7 小結(jié)

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(jìn)行總結(jié)，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(jié)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(shù)是其核心技術(shù)。隨著科技的不斷發(fā)展，超高速軸承的潤滑技術(shù)一定會(huì)朝多學(xué)科、高精細(xì)、智能化、綠色環(huán)保方向發(fā)展。