高速电主轴油雾润滑改为油脂润滑的可行性分析

2015-05-15李东亚杨浩亮肖汝锋王东峰

机电工程技术 2015年4期

关键词：油雾电主轴曲线图

李东亚，杨浩亮，肖汝锋，王东峰

（洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039）

0 引言

随着数控机床的飞速发展，高速电主轴已成为决定数控机床发展的关键技术之一，相比于传统皮带传动主轴，电主轴具有调速范围宽、振动噪音小、可快速启动和准停等优点，不仅具有极高的生产率，而且可显著地提高零件的加工精度和表面质量[1]。

电主轴轴承的润滑方式主要有油脂润滑、油雾润滑和油气润滑三种[2-3]。

（1）油脂润滑具有一次装脂、使用方便、维修简单、节能环保等特点，能够适应于大部分中低速电主轴的使用。

（2）油雾润滑是利用二次雾化装置将液态的润滑油经压缩空气从油杯中压出，在输油管内形成微雾，随压缩空气一起喷入轴承工作区，使主轴轴承得到充分润滑和冷却。油雾润滑允许的极限转速较高，且更换润滑油简单，故目前高速电主轴轴承大都采用油雾润滑，但油雾润滑系统可控性较差，油雾废气无法集中排除，因此对环境的污染较为严重。

（3）油气润滑的工作原理是通过微机控制定量泵的供油频率，以此对润滑油进行定时定量分配，排出的润滑油与压缩空气混合后精确地供给轴承，对轴承进行润滑和冷却作用。其供油量可控、轴承发热低、冷却效果好，同时降低了润滑剂的消耗，有效地减轻或避免对环境的污染，所以油气润滑是电主轴轴承较为理想的润滑方式，缺点是润滑装置成本较高。

对比分析三种润滑方式：油雾润滑污染环境，油气润滑成本较高，那么能否将节能环保的油脂润滑应用到高速电主轴的使用中来，为此通过对油脂润滑电主轴跑合试验的数据进行分析，从而验证高速电主轴油雾润滑改为油脂润滑的可行性。同时，通过数据验证为高速油脂润滑电主轴的开发提供参考。

1 试验

1.1 试验目的

（1）对比不同品牌的高速密封角接触球轴承在电主轴中的使用性能；（2）验证高速电主轴油雾润滑改为油脂润滑的可行性。

1.2 试验设备及仪器

试验台架及冷却水箱、120MD48Y5.8电主轴（油雾润滑改为油脂润滑）、PT100温度传感器、温度显示仪、TC-2180冷却水泵、BF-LDE015A1S1F1150智能电磁流量计、VFD075B43A变频控制器。

1.3 试验方法及过程

采用同一根120MD48Y5.8电主轴（前轴承使用内径25 mm轴承、后轴承使用内径20 mm轴承），依次安装两种品牌轴承（前后轴承品牌一致），分别进行两个工作日的跑合试验。由于电主轴后轴承散热条件较差，且安装温度传感器较方便，所以通过检测电主轴后轴承外圈温度所得的数据作为试验评判依据；前轴承通过停机后检测前端轴孔温度，来间接地反映前轴承的运行情况，接线原理图如图1所示。

图1 接线原理图

电主轴的跑合按照速度从低到高、分段进行的原则，共跑合120 min，具体流程如下。

第一时段1/6转速：运行15 min。

第二时段1/2转速：运行20 s、暂停2 min，循环5次。

第三时段3/4转速：运行20 s、暂停2 min，循环5次。

第四时段全速间歇：（1）运行20 s、暂停2 min，循环5次；（2）运行30 s、暂停2 min，循环8次；（3）运行1 min、暂停1 min，循环10次。

第五时段全速持续：运行30 min。

2 试验结果及分析

针对两种品牌轴承分别进行试验，试验数据见图2～6，横坐标表示循环次数，纵坐标表示温度的变化。

图2为第一时段试验数据曲线图，从曲线变化趋势来看，电主轴在低速1/6转速下运行，前10 min后轴承温度变化较明显，后5 min趋于稳定，主要原因[4]在于轴承滚动体在轴承内公转运动时要受到流体的绕流阻力，滚动体的自转运动要受到流体的搅拌摩擦力矩，所以致使轴承温度上升明显，经过10 min跑合，后5 min轴承与主轴系统达到热稳定，所以温度趋于平衡。

图2 第一时段试验数据曲线图

图3 为第二时段试验数据曲线图，当转速升至1/2转速时，通过间歇运行与暂停，从曲线上看不同的轴承温升几乎保持一致且变化不大。

图3 第二时段试验数据曲线图

图4 为第三时段试验数据曲线图，转速继续升高至3/4转速，从曲线上看不同的轴承温升在前5次的循环中变化不大（轴承2例外），在第6次和第7次循环中，温升变化较为明显且基本保持一致（轴承2例外），主要原因是在第6次和第7次循环中调整了变频器的参数，使得主轴在20 s内很快到达3/4转速，暂停时间未做调整，以此对比前5次的循环。

图4 第三时段试验数据曲线图

图5 第四时段试验数据曲线图

图5 为第四时段试验数据曲线图，该时段是将速度升至满速，间歇跑合。从曲线变化趋势来看，每次运行时间改变时，温升变化较大，停机暂停期间，轴承与主轴系统温度会平衡调节，经过几次循环，温升趋于稳定。

图6为第五时段试验数据曲线图，通过前四个时段的跑合，后轴承温度在较短的时间内达到热稳定并保持，达到了跑合的目的。

图6 第五时段试验数据曲线图

另外，通过每次循环停机检测前端轴孔温度，发现前轴承的温度（参考点）较后轴承低5℃左右，原因在于该试验用电主轴原设计方案前轴承部位有冷却水腔，而后轴承没有。

根据以上分析可得出以下结论。

（1）不同品牌的高速密封角接触球轴承在电主轴中的使用性能有细微差别，本次试验所使用的前轴承的dmn达到了1.62×106mm·r/min，前轴承的转速甚至超过了样本所标注的极限转速，但仅从轴承的高速性能、较低的工作温度等方面考虑，本次试验所使用轴承的使用性能较为良好。

（2）从一些方面可以验证高速电主轴油雾润滑改为油脂润滑的可行性，本试验中第五时段后轴承温度甚至稳定在70℃左右，原因是一方面由于试验环境较为恶劣（夏天），并且冷却水箱为普通水箱，第五时段过程中冷却水的温度甚至升至35℃；另一方面该试验用电主轴本为油雾润滑，前后轴承各有油雾通道，油雾不仅起到润滑轴承的作用，而且具有一定冷却作用，并且前轴承部位有冷却水腔，而后轴承没有，所以该主轴润滑方式改为油脂润滑后跑合试验中后轴承温度较高。

随着高速、低发热轴承，高速、长寿命润滑油脂，电主轴冷却技术、电机技术等相关技术的发展，将节能环保的油脂润滑应用到高速电主轴的使用中将是一个发展趋势。通过本系列试验，开发出了转速48 000 r/min、60 000 r/min等高速油脂润滑电主轴，其在高速性、低温升、较长寿命、较长精度保持性等方面满足电主轴使用要求，并取得了较好的使用效果。