摘（zhāi）要：通過分析超高（gāo）速電（diàn）軸軸承內部潤滑的基本特點，對主軸軸承在（zài）超高速運（yùn）行條件下的內部潤滑狀態進行了分析，討論了供油量、潤滑方式、潤滑油和軸（zhóu）承內部零件的運動等因素對軸承內部彈流油膜、溫升等潤滑狀態（tài）的影響，在此基礎上提（tí）出了超高速電主軸軸承潤滑的要（yào）求和（hé）基本條件，並進行了實際（jì）應用試驗。
　　關鍵詞：電（diàn）主軸；超高速；角（jiǎo）接觸球軸（zhóu）承；潤滑狀態；潤滑條件
　　電主軸技術的發展和應用（yòng），促進了數控機床技術和高速切削HSC（High Speed Cutting）、高速加（jiā）工HSM（High Speed Machining）技術的發展，目前，超高速電主軸每分（fèn）鍾的轉速可（kě）達數萬轉甚至數十萬轉（zhuǎn）^[1]。在超高速電主軸中，作為支承的角（jiǎo）接觸球軸承（稱為主軸軸承）的（de）速度因（yīn）數D_mN值（zhí）多數接近和超過2.0X10⁶mm•r/min。對於（yú）在超高速條件（jiàn）下工作的電（diàn）主軸軸承，其內部潤滑狀態與低速情況相比有著很大不同，實踐中（zhōng）由於潤滑條件不當引起（qǐ）軸承失效的故（gù）障時有發生，有必要對其進行分析研究，以提高超高速電主軸（zhóu）軸承的潤滑可靠性和高速性能。
　　1　超高（gāo）速電主軸軸承的工作特點
　　電主（zhǔ）軸是將主軸電機內裝（zhuāng），實現主軸和電機一（yī）體化的功能，又稱內（nèi）裝（zhuāng）式（shì）主軸。圖1所示為一超（chāo）高速電主軸結構示（shì）意圖（tú），主軸電機置於主軸內（nèi）部，電機定子的外部有循環（huán）水腔進行冷卻，主軸的前、後支承均為角接觸球軸承，以承受相應的（de）徑（jìng）向和軸向工作載荷（hé），軸承采（cǎi）用油氣潤滑，前（qián）後軸承（chéng）油路分開。為了消除軸承內部的遊隙並獲得一定的支承剛度，安（ān）裝時對軸承施加了一定的軸向載荷，簡稱預載荷P_r。超（chāo）高速電主軸常用彈性預載荷，圖1所示電主軸軸承的（de）預載荷是依靠軸向螺旋（xuán）彈簧向前推動後軸承外圈而實現的（de），由於在工作過程中軸承（chéng）預載荷的（de）值基本保持不變，故又（yòu）稱定量預載荷。 　　電主軸在超高速情況下工作時由於結構（gòu）上的特點及軸（zhóu）承內部（bù）球滾動體受高（gāo）速離心力和（hé）陀螺力矩等高速慣性力的作用，超高速電主軸軸承的潤滑具有以下主要特點：
　　（1）球滾動體與套圈滾道之間的接觸為赫茲空間點接觸，由於球滾動體離心力的作用，外圈滾道上的接觸載荷和接觸應力往往很大，會（huì）產生較大的接觸變形。
　　（2）球滾動體與軸承內、外圈滾道之間的相對運動速度（dù）很大，不僅有滾動，而且還存在較大的滑（huá）動（dòng）成分（fèn），轉（zhuǎn）速越高：滑動越嚴重。高速時（shí）油膜厚度增（zēng）加（jiā），油膜的拖動（dòng）加速度（dù）加大，導致阻尼和拖動力增大。
　　（3）角接觸球軸承在高速運（yùn）行過程中，球滾動體除了沿套圈（quān）滾道方向的滾動和滑動之外，在繞內（nèi）、外圈滾道接觸（chù）點法線的方向還存在白旋運動，即繞接觸（chù）點中心的旋轉滑動，使接觸區易產生湍流潤滑和使潤滑油膜呈現紊流現象，在發（fā）熱（rè）量增加的（de）同時，彈流潤滑油膜的形成（chéng）和狀態也比較複雜（有待進一步研究）。
　　（4）軸承內部彈流油膜的高速拖動和多餘潤滑油在軸承內部的高速攪動，所消耗（hào）的能量會產生大量的熱量，使軸（zhóu）承溫度（dù）迅速升高、潤滑油的粘度降低，導致潤滑條件（jiàn）惡化。
　　（5）球滾動體、保持器等高速運轉的零件，在軸承內部及附近部位形成了（le）一個高壓區和高壓氣幕，外部潤滑油難以進入軸承內部。
　　（6）由於高速離心（xīn）力（lì）的作用（yòng），潤滑油易集中於（yú）外圈滾道內形成潤滑油過量現象，而內圈滾道易因貧油而出現欠潤滑狀態。
　　（7）由於（yú）電主軸的電機內裝式結構，工作時電機定、轉子因（yīn）電、磁原因而（ér）產生（shēng）大量的熱量，工作（zuò）溫度很高，熱量會直接傳（chuán）至軸承部位，對軸承的散熱和降低溫度不（bú）利（lì）。
　　（8）目前，超高速電主軸一般采用PWM三相（xiàng）變頻調（diào）速係統（tǒng）驅動，但由（yóu）於PWM變（biàn）頻調速時易存在（zài）三（sān）相電壓不對稱平衡（héng）而產生共模電壓（yā），同時，高頻電機本身也（yě）會產生感（gǎn）應電勢，在電主軸（zhóu）的外（wài）殼和轉軸之問形成電位差，由於彈流油膜的絕緣作用，從（cóng）而形（xíng）成一個大電（diàn）容，在軸承內部球滾動體與內（nèi）、外套圈滾道之間出現充、放電（diàn）現象，放電過程中因油膜被擊穿和破壞而導致潤滑失效，易發生損壞軸承的故障。
　　2　超高速情況下電主軸軸承的潤滑狀態分析
　　2.1供油量對軸（zhóu）承潤滑狀態的影響
　　主軸軸承在（zài）超高速運行時，內部形成彈流潤滑所需（xū）要的有效油量是非常少的，多餘的潤滑（huá）油被球滾動體和保（bǎo）持器（qì）等零件高速攪動，由此而產生的熱量往往占軸承內（nèi）部發熱量的很大部分，潤（rùn）滑油（yóu）量與軸承內部發熱量、溫升（shēng）之間的關係如圖（tú）2所示。圖中，點（diǎn）a附件油量過（guò）少，不足（zú）以在球滾動（dòng）體與軸承內、外圈滾道之間建立充分的彈流油膜，接觸點的局部（bù）會出現幹摩（mó）擦現象（xiàng），因此發熱量大（dà），如果不能及時散發出去，導致軸承內部溫升很高；隨著潤滑油量的增加，潤滑（huá）變得比較充分，發熱量減小，軸承工作時的（de）溫升相應降至Z低點b；但（dàn）隨著油量的進（jìn）一步增加，球滾動體攪動潤滑油的現象發（fā）生，導致（zhì）發熱量增（zēng）加，並且隨潤滑（huá）油量的增加（jiā）而越來越嚴重，因此，軸承的溫升相應會隨之升高（gāo）至點c。然而，當油量增加（jiā）到一（yī）定程度時，盡管因油攪動的發熱量仍然在增（zēng）加，但隨著軸承內部多餘潤滑油（yóu）的排出，相應（yīng）會帶走（zǒu）一部分熱量，產生冷卻軸承的作用（yòng），使軸承內部的溫升反而會有所降低（dī）。 　　2.2潤滑方（fāng）式對軸承（chéng）潤滑狀態的影響
　　對於超高速運行（háng）的電主軸，由（yóu）於油脂粘度太大，而（ér）且沒有冷卻作用，因此，脂潤滑已經不能滿足（zú）主軸（zhóu）軸承的潤滑要求了，需要采用油霧潤滑、油（yóu）氣潤滑和噴油（yóu）潤（rùn）滑等流體潤滑的方式，但由於（yú）噴油潤滑存在能（néng）耗（hào）大、密封困（kùn）難等缺點，一般很少采用。
　　油霧潤滑是一種高速性能好（hǎo）、潤滑可靠、潤滑油量在一定範圍（wéi）內可調的潤滑方法，壓縮空氣可以起到（dào）清潔和冷卻軸承（chéng）的作用。但（dàn）是，油霧潤（rùn）滑由於供（gòng）油量無法精確控製，常常處於潤滑油過量狀態，所以因潤滑油的攪動發熱比較嚴重，另外，所排出的（de）廢氣中含油量較多，對工件和環境的汙染嚴重。
　　油氣潤滑是一種高速性能好、潤滑可靠、潤（rùn）滑效果好、汙染小、供油量可調、能夠實現微量Z佳潤滑的潤滑方法，壓（yā）縮空氣可起到清潔軸承內部（bù）、帶走熱量的作用。由於可以很精（jīng）確地調整供（gòng）油量，因此可以將供油（yóu）量控製在Z佳狀態（圖2點b靠右附近區域），軸承內部因油的攪動（dòng）發熱大大減少，加之壓縮空氣（qì）的冷卻作用，軸承的工（gōng）作溫度較低，很適合超高速電主軸軸承的潤滑。
　　油霧潤（rùn）滑主軸軸承的速度因數D_mN值（zhí）可以接近2.0×10⁶mm•r/min，油氣潤滑主軸軸承（chéng）的速度因（yīn）數D_mN值可以達到（dào）2.0×10⁶mm•r/min以上（shàng），如果采用混合陶瓷球軸承，兩種潤滑方式軸承的（de）速度因數可以進一步提高。油霧潤滑和油氣潤滑時電（diàn）主軸軸（zhóu）承的（de）工作溫度如圖3所示（shì）。 　　2.3供（gòng）氣量對軸承潤滑狀態的（de）影響
　　油霧潤滑、油氣潤滑都是以壓縮空氣作為輸（shū）送潤滑（huá）油的介質（zhì），壓縮空氣流經軸（zhóu）承內部時，可以清（qīng）潔軸承、帶走相應的熱量，具有降低軸承溫（wēn）度的作用。供氣量增大，窄（zhǎi）氣的冷卻作用加大（dà），軸承的溫度會相應降低，空氣流量與空氣壓力p、噴孔直徑d等因素有關，圖4表示了二（èr）者的乘積（jī）pd與（yǔ）主（zhǔ）軸軸承外圈溫度的關係。 　　2.4潤滑油粘度對潤滑（huá）狀態的影響
　　潤滑油的粘度與滾動軸承的潤滑狀態密切相（xiàng）關，超高速電主軸軸承內部的（de）接觸應力很大，要（yào）求潤滑油膜具有相應的承載能力（lì）。潤滑油粘度過小時，油膜承載能力不足，易破裂，導致（zhì）接觸部位於摩擦現象發生，軸承溫（wēn）升高；但粘度提高時（shí）會增加油膜的阻尼，使拖動力增加，油的攪動發熱加劇，也會導致軸承溫度升高，在相同轉速情況（kuàng）下軸承溫升與潤（rùn）滑油粘度的關係如圖5所示（shì）。
　　2.5軸承速度對（duì）潤滑狀態的影響
　　運轉速度越高，軸承內部（bù）球滾動體與套圈之間的相對運動速度越高，滑動現象（包括（kuò）自旋滑動）越嚴重，潤滑油（yóu）的攪動也相（xiàng）噓加劇，油膜的阻尼和所需的（de）拖動力變大，能（néng）耗和發熱量增加，導致軸承（chéng）的溫升增加（圖6），溫升過高時會（huì）使潤滑油的粘（zhān）度嚴重變小，易出現潤滑（huá）油膜不穩定甚至潤滑失效的（de）情（qíng）況。 　　3　超高速電主軸軸承的潤滑條件分析
　　如上所述，除了普通工（gōng）況對軸承（chéng）潤滑的基本要求之外，超高速電主軸軸承的潤滑主要（yào）還（hái）應滿（mǎn）足以下基本條件。
　　3.1滿足軸承的超高速運轉要（yào）求
　　超高速運轉條件下的電主軸軸承，軸（zhóu）承內部球滾動（dòng）體、保持器等零部件的運行速度非常（cháng）高，接觸表麵相對滾動、滑動（包括自旋（xuán）滑動）的速度很大，導（dǎo）致潤滑油膜的拖動（dòng）加速度和拖動力增加，加之（zhī）自旋（xuán）滑動導致湍流潤（rùn）滑及油膜紊流的存在，潤滑油膜易破（pò）裂，因此潤滑油的粘度要適中，粘度（dù）大易導致發熱嚴重，但粘度小不易形（xíng）成彈（dàn）流油膜，產生潤滑不足的現（xiàn）象（圖5）。理想的潤滑油粘度應該選擇圖5中點b偏右（yòu）附近的粘度，實際中需根據轉速、冷卻等具體工（gōng）況進行反複試驗確定，單純認為“速度越高，潤滑（huá）油的粘度應越小”的概念有些片麵。
　　3.2滿足主軸對軸承承受較大載荷的要求
　　超高速電主軸（zhóu）的軸承不僅要承受必要的工作載荷，其內部球滾動體的高速離心力會（huì）在外（wài）圈滾道上產生很大的接觸載荷，球滾動體與軸承內、外圈之間的接觸為赫茲空間點接觸（chù），外圈滾道上的實際接觸應力往往達到較大的值，因此，要求彈流潤滑油膜能夠（gòu）承受足夠的接（jiē）觸應力。
　　3.3滿足軸承較高溫度的條件
　　由於（yú）超高速電（diàn）主軸在工作過程中軸承的內部溫度較高，潤滑（huá）油的粘度（dù）受溫（wēn）升影（yǐng）響較大，因此在選擇潤滑時，還（hái）應充分考慮軸承的實際工作溫度對潤滑油粘度的影響。
　　3.4滿足能耗小、低發熱量的（de）要求
　　如前所（suǒ）述，除了潤滑油粘度對軸承的發熱有影響外（wài），油量是影響軸（zhóu）承（chéng）內部發熱量和（hé）溫升的主要因素之一（yī）（圖2），因（yīn）此，精確控製供油量是減少能（néng）耗、降（jiàng）低發熱（rè）量和軸承溫升、提高潤滑效（xiào）果和實現軸（zhóu）承高速穩定運（yùn）行的條件（jiàn）之一，超高速電主軸軸承的潤滑要求供油量在圖2所示點b右邊附近區域，油氣潤滑是理（lǐ）想的潤滑方（fāng）式。
　　3.5具有相應的冷（lěng）卻軸承的作用
　　超高速電主軸軸承運行時發熱量大、散熱條件差，潤滑的選擇一方（fāng）麵要能夠降低發熱量，另（lìng）一方麵需要（yào）增（zēng）加冷卻作用。油霧（wù）潤滑、油氣潤滑的壓縮空氣都具有冷卻作用（yòng），適當增加通過軸承（chéng）的壓縮空氣流量，有利於降低軸承的工作溫（wēn）度和改善工作條件。
　　3.6具有相應的熱穩定性和電化學穩定性
　　潤滑的熱穩定性包括潤滑油（yóu）粘度對溫度的（de）敏感性要小和在（zài）高溫下（xià）不易變質兩個方麵，此外，由於超高速電主軸軸承內部潤滑油膜（mó）易發生電容放電擊穿現象，因此所選潤滑油還（hái）應具有相應的電穩定性，在這方麵還有待進一步研究。
　　3.7潤滑油的輸送應易進入軸承內部
　　如前所述，高速運轉所形成的高壓區和高壓氣幕以及潤滑油的高速離心（xīn）效應，使得外部潤滑油難以進入軸承內部，內部潤滑油易積聚於外圈滾道附近，因此要求（qiú）外部供油時（shí）保持較高的壓力，並噴至內圈滾道內較為理想，另外，采（cǎi）用滾道噴油的軸承，也有利於保持超高速電主軸軸承的良好（hǎo）潤滑狀態。
　　另外（wài），采用油霧潤滑和（hé）油氣潤滑時，應安排合理的排氣通道（dào），確保排（pái）氣通暢。
　　4　例子
　　對（duì）於圖1所示的超高速（sù）電主軸，主（zhǔ）軸Z高轉速為120000r/min，主軸電（diàn）機定子以循（xún）環水進行（háng）冷卻（què），主軸軸（zhóu）承（chéng）為國內某品牌產品，型號為B7001C/P4，Z高轉速時主軸軸承的速度因數D_mN值達到2.4×10⁶mm•r/min。軸承采用油氣潤滑，前後（hòu）油路分（fèn）開（kāi），並在前後端安（ān）排了排氣孔，直（zhí）徑為Ø4mm；前後軸（zhóu）承部位（wèi）噴油孔的直徑為1.8mm，對準軸承內圈滾道（dào）方位；潤（rùn）滑油選N32汽輪機油（yóu），單套軸承的供油量定為0.3×10^-3mL/min，壓縮空氣壓力為0.4MPa。通過反複運行試驗，測得Z高轉速時前軸承外圈達到熱平衡的時間為6min左（zuǒ）右（yòu），熱平衡後軸承外圈的溫升為63.6℃，與油霧潤滑相比，軸承外圈的溫升相應降低了15.7℃，軸承排出廢氣的溫升為（wéi）70.4℃，軸承內部潤滑油膜的電阻（電主軸（zhóu）轉子與外殼之間的電阻）為8.5～14.3KΩ。試（shì）驗證明，潤滑（huá）條件能夠滿（mǎn）足超高（gāo）速電主軸的要求，軸承處於良好（hǎo）的潤滑狀態，軸承的溫升較小，有利於延長使用壽命，實現長期穩定（dìng）運行。
　　5　結（jié）束語
　　超高速電主（zhǔ）軸是高速（sù）數控（kòng）機床的關（guān）鍵功能部件之一，有（yǒu）機床“心髒”之稱。隨著高速切削刀具和（hé）高速機床技術、HSC和HSM技術的繼續發展，要求電主軸的轉速會越來越高，超高速電主軸軸承的潤滑（huá）也顯得越來越重要，如何滿足電主軸軸承在超高速運行過程（chéng）中的潤滑條件，保持穩定和良好的潤滑狀態，已經成為影響提高電主（zhǔ）軸的轉速和保證工作可靠性的（de）關鍵因素之一，得到了越來越廣泛的關注（zhù）和重視（shì）。
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