高速电主轴油气润滑问题的分析研究

2018-08-31郭旭红

机械制造 2018年5期

关键词：处理单元电主轴龙门

□ 张玥 □ 郭旭红

1.苏州大学机电工程学院江苏苏州 215006

2.纽威数控装备（苏州）有限公司江苏苏州 215153

1 研究背景

随着航空航天、轨道交通、风电、模具等行业的快速发展，高速精密切削加工设备的应用日益广泛。高速电主轴作为核心部件之一，对高速精密设备的性能和使用寿命有很大影响。

相比于传统机械主轴，采用电主轴结构，并由内装式电机直接驱动，可以省去联轴器、齿轮、皮带等传动环节，具有转速快、精度高等特点［1-3］。

运转时的电机损耗发热及主轴轴承摩擦发热是导致高速电主轴热变形的主要因素，目前针对电机损耗发热，通常使用水冷机进行冷却。电主轴轴承润滑方式的选择与轴承的转速、负荷、允许温升及类型有关，主要润滑方式有脂润滑、油雾润滑和油气润滑，高速大功率电主轴当前最有效的润滑方式为油气润滑［4-5］。如图1所示，油气润滑系统包括润滑油泵、润滑剂管道、空气处理单元、压缩空气管道、混合阀、油气管道、螺旋软管及喷嘴等，混合阀具有计量功能。

高速电主轴在采用油气润滑时，分配器的润滑油和压缩空气管道中的气流混合，在压缩空气流动的作用下，使润滑油沿管道内壁不断地螺旋状流动，并形成连续油膜，在经过出油口喷嘴后产生连续的液滴形态油流量［6-7］，并在不接触表面的情况下向滚动轴承提供足够的润滑油。此外，持续的气流冲击向轴承表面提供轻微的超量压力，避免轴承遭受外部污染。油气润滑系统不仅没有油雾产生，而且有益于轴承表面保持清洁，可以降低养护成本。

▲图1 油气润滑系统

笔者对高速电主轴在龙门加工中心上安装调试时出现的与油气润滑相关的问题进行分析与研究。

2 故障现象

在恒温环境中，电主轴安装在龙门加工中心上。电主轴轴承采用精密角接触陶瓷球轴承，按电主轴制造厂家要求设置轴承油气润滑的油量、空气压力、空气过滤精度及节拍，见表1，然后进行电主轴试运转［8-9］。润滑油类型为添加极压添加剂的68号润滑油。

表1 油气润滑要求

这一电主轴的最高转速为18 000 r/min，扭矩在连续工作制与工作时间占一个工作周期的40%时分别为87 N·m与130 N·m，按表2空运转循环要求进行空运转循环，再将电主轴转速设定至18 000 r/min连续运转20 min。

表2 空运转循环要求

随后按设定程序进行跑合试验，在跑合过程中主轴突然发出 “吱吱”声，立即停机进行检查。

3 故障检查

由于龙门加工中心仍处于安装调试阶段，且在安装过程中对油管、冷却液等入口均进行了防护，因此排除异常声为杂质引起的摩擦声［10］。

发出“吱吱”异常声，首先判断是否为电主轴松刀油缸活塞端面与电主轴拉刀杆端面间摩擦所致。检查液压系统各回路压力，均与设计要求一致。在电主轴拉刀时，主轴拉刀油路始终保持2 MPa压力，以使活塞复位。图2与图3分别为电主轴制造厂家人员拆下油缸后电主轴尾部及松刀油缸端部，经检查均未见摩擦痕迹，排除此原因。

▲图2 电主轴尾部

▲图3 松刀油缸

再次开机，经反复运转发现电主轴在转速1 000～5 000 r/min时出现“吱吱”声，且在转速4 000 r/min左右时最为频繁，而在高速运转时无异常声。经判断，很有可能是主轴轴承滚珠发出了异常声。

检查油气润滑系统各轴承近入口处油管内润滑油流动情况，能清楚地看到润滑油呈油膜形式均匀沿管壁流动。检查油量、空气压力、循环周期，确认均按电主轴制造厂家要求设置，因此排除油气润滑设置问题。

由于龙门加工中心在设定开机时油气润滑装置均按电主轴制造厂家要求设置节拍及向电主轴轴承提供润滑，而龙门加工中心在调试阶段电主轴并未正式运转过，并且观察在电主轴端面上已有油滴，因此考虑是否是由于电主轴长时间未转，而油气润滑装置始终在为其提供润滑油，导致轴承内润滑油过多所致。将电主轴以最高转速连续空转8 h，以快速消耗内部润滑油。再次将电主轴转速调至1 500～5 000 r/min之间反复试验，但仍有异常声。

在电主轴前端有气幕保护，龙门加工中心开机时气幕保护即开启，以防止水雾进入电主轴轴承。是否是气幕保护的气流影响到电主轴轴承发出异常声呢？由于没有开启冷却液，因此将气幕保护关闭，测试能否消除异常声。试验结果为仍然存在异常声，由此判断出现异常声并非由气幕保护所引起。

油气润滑系统中的润滑泵、空气处理单元及混合阀全部安装在同一块安装板上，如图4所示。这一安装板安装在龙门加工中心左立柱后部侧方，这样从混合阀出口到电主轴轴承润滑点之间的管道明显较长，要经过立柱与横梁到Y轴、Z轴拖链，再从电主轴箱顶端向下到三个润滑点。润滑油运动黏度、压缩空气压力、压缩空气流量对精密角接触球轴承的温升有影响［11］，油气管道过长会导致过多的压力损失，这是否是产生异常声的原因呢？

将空气处理单元的减压阀压力分别调至0.5 MPa和0.6 MPa，使电主轴低转速运转。再将混合阀从安装板上拆下，将其固定在电主轴箱中间位置。此时油气润滑管道长度约1.2 m，并将空气处理单元的减压阀压力调至0.4 MPa，电主轴低转速运转。混合阀保持固定在电主轴箱中间位置，将空气处理单元的减压阀压力分别调至0.5 MPa和0.6 MPa，使电主轴低转速运转。