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　　摘要：通過(guò)分析超高速電軸軸承內(nèi)部潤(rùn)滑的基本特點(diǎn)，對(duì)主軸軸承在超高速運(yùn)行條件下的內(nèi)部潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行了分析，討論了供油量、潤(rùn)滑方式、潤(rùn)滑油和軸承內(nèi)部零件的運(yùn)動(dòng)等因素對(duì)軸承內(nèi)部彈流油膜、溫升等潤(rùn)滑狀態(tài)的影響，在此基礎(chǔ)上提出了超高速電主軸軸承潤(rùn)滑的要求和基本條件，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)。
　　關(guān)鍵詞：電主軸；超高速；角接觸球軸承；潤(rùn)滑狀態(tài)；潤(rùn)滑條件
　　電主軸技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床技術(shù)和高速切削HSC（High Speed Cutting）、高速加工HSM（High Speed Machining）技術(shù)的發(fā)展，目前，超高速電主軸每分鐘的轉(zhuǎn)速可達(dá)數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn)^[1]。在超高速電主軸中，作為支承的角接觸球軸承（稱為主軸軸承）的速度因數(shù)D_mN值多數(shù)接近和超過(guò)2.0X10⁶mm•r/min。對(duì)于在超高速條件下工作的電主軸軸承，其內(nèi)部潤(rùn)滑狀態(tài)與低速情況相比有著很大不同，實(shí)踐中由于潤(rùn)滑條件不當(dāng)引起軸承失效的故障時(shí)有發(fā)生，有必要對(duì)其進(jìn)行分析研究，以提高超高速電主軸軸承的潤(rùn)滑可靠性和高速性能。
　　1　超高速電主軸軸承的工作特點(diǎn)
　　電主軸是將主軸電機(jī)內(nèi)裝，實(shí)現(xiàn)主軸和電機(jī)一體化的功能，又稱內(nèi)裝式主軸。圖1所示為一超高速電主軸結(jié)構(gòu)示意圖，主軸電機(jī)置于主軸內(nèi)部，電機(jī)定子的外部有循環(huán)水腔進(jìn)行冷卻，主軸的前、后支承均為角接觸球軸承，以承受相應(yīng)的徑向和軸向工作載荷，軸承采用油氣潤(rùn)滑，前后軸承油路分開(kāi)。為了消除軸承內(nèi)部的游隙并獲得一定的支承剛度，安裝時(shí)對(duì)軸承施加了一定的軸向載荷，簡(jiǎn)稱預(yù)載荷P_r。超高速電主軸常用彈性預(yù)載荷，圖1所示電主軸軸承的預(yù)載荷是依靠軸向螺旋彈簧向前推動(dòng)后軸承外圈而實(shí)現(xiàn)的，由于在工作過(guò)程中軸承預(yù)載荷的值基本保持不變，故又稱定量預(yù)載荷。 　　電主軸在超高速情況下工作時(shí)由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)及軸承內(nèi)部球滾動(dòng)體受高速離心力和陀螺力矩等高速慣性力的作用，超高速電主軸軸承的潤(rùn)滑具有以下主要特點(diǎn)：
　?。?）球滾動(dòng)體與套圈滾道之間的接觸為赫茲空間點(diǎn)接觸，由于球滾動(dòng)體離心力的作用，外圈滾道上的接觸載荷和接觸應(yīng)力往往很大，會(huì)產(chǎn)生較大的接觸變形。
　?。?）球滾動(dòng)體與軸承內(nèi)、外圈滾道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很大，不僅有滾動(dòng)，而且還存在較大的滑動(dòng)成分，轉(zhuǎn)速越高：滑動(dòng)越嚴(yán)重。高速時(shí)油膜厚度增加，油膜的拖動(dòng)加速度加大，導(dǎo)致阻尼和拖動(dòng)力增大。
　?。?）角接觸球軸承在高速運(yùn)行過(guò)程中，球滾動(dòng)體除了沿套圈滾道方向的滾動(dòng)和滑動(dòng)之外，在繞內(nèi)、外圈滾道接觸點(diǎn)法線的方向還存在白旋運(yùn)動(dòng)，即繞接觸點(diǎn)中心的旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，使接觸區(qū)易產(chǎn)生湍流潤(rùn)滑和使?jié)櫥湍こ尸F(xiàn)紊流現(xiàn)象，在發(fā)熱量增加的同時(shí)，彈流潤(rùn)滑油膜的形成和狀態(tài)也比較復(fù)雜（有待進(jìn)一步研究）。
　?。?）軸承內(nèi)部彈流油膜的高速拖動(dòng)和多余潤(rùn)滑油在軸承內(nèi)部的高速攪動(dòng)，所消耗的能量會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，使軸承溫度迅速升高、潤(rùn)滑油的粘度降低，導(dǎo)致潤(rùn)滑條件惡化。
　?。?）球滾動(dòng)體、保持器等高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零件，在軸承內(nèi)部及附近部位形成了一個(gè)高壓區(qū)和高壓氣幕，外部潤(rùn)滑油難以進(jìn)入軸承內(nèi)部。
　?。?）由于高速離心力的作用，潤(rùn)滑油易集中于外圈滾道內(nèi)形成潤(rùn)滑油過(guò)量現(xiàn)象，而內(nèi)圈滾道易因貧油而出現(xiàn)欠潤(rùn)滑狀態(tài)。
　?。?）由于電主軸的電機(jī)內(nèi)裝式結(jié)構(gòu)，工作時(shí)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子因電、磁原因而產(chǎn)生大量的熱量，工作溫度很高，熱量會(huì)直接傳至軸承部位，對(duì)軸承的散熱和降低溫度不利。
　　（8）目前，超高速電主軸一般采用PWM三相變頻調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，但由于PWM變頻調(diào)速時(shí)易存在三相電壓不對(duì)稱平衡而產(chǎn)生共模電壓，同時(shí)，高頻電機(jī)本身也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，在電主軸的外殼和轉(zhuǎn)軸之問(wèn)形成電位差，由于彈流油膜的絕緣作用，從而形成一個(gè)大電容，在軸承內(nèi)部球滾動(dòng)體與內(nèi)、外套圈滾道之間出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，放電過(guò)程中因油膜被擊穿和破壞而導(dǎo)致潤(rùn)滑失效，易發(fā)生損壞軸承的故障。
　　2　超高速情況下電主軸軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)分析
　　2.1供油量對(duì)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)的影響
　　主軸軸承在超高速運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部形成彈流潤(rùn)滑所需要的有效油量是非常少的，多余的潤(rùn)滑油被球滾動(dòng)體和保持器等零件高速攪動(dòng)，由此而產(chǎn)生的熱量往往占軸承內(nèi)部發(fā)熱量的很大部分，潤(rùn)滑油量與軸承內(nèi)部發(fā)熱量、溫升之間的關(guān)系如圖2所示。圖中，點(diǎn)a附件油量過(guò)少，不足以在球滾動(dòng)體與軸承內(nèi)、外圈滾道之間建立充分的彈流油膜，接觸點(diǎn)的局部會(huì)出現(xiàn)干摩擦現(xiàn)象，因此發(fā)熱量大，如果不能及時(shí)散發(fā)出去，導(dǎo)致軸承內(nèi)部溫升很高；隨著潤(rùn)滑油量的增加，潤(rùn)滑變得比較充分，發(fā)熱量減小，軸承工作時(shí)的溫升相應(yīng)降至Z低點(diǎn)b；但隨著油量的進(jìn)一步增加，球滾動(dòng)體攪動(dòng)潤(rùn)滑油的現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致發(fā)熱量增加，并且隨潤(rùn)滑油量的增加而越來(lái)越嚴(yán)重，因此，軸承的溫升相應(yīng)會(huì)隨之升高至點(diǎn)c。然而，當(dāng)油量增加到一定程度時(shí)，盡管因油攪動(dòng)的發(fā)熱量仍然在增加，但隨著軸承內(nèi)部多余潤(rùn)滑油的排出，相應(yīng)會(huì)帶走一部分熱量，產(chǎn)生冷卻軸承的作用，使軸承內(nèi)部的溫升反而會(huì)有所降低。 　　2.2潤(rùn)滑方式對(duì)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)的影響
　　對(duì)于超高速運(yùn)行的電主軸，由于油脂粘度太大，而且沒(méi)有冷卻作用，因此，脂潤(rùn)滑已經(jīng)不能滿足主軸軸承的潤(rùn)滑要求了，需要采用油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑和噴油潤(rùn)滑等流體潤(rùn)滑的方式，但由于噴油潤(rùn)滑存在能耗大、密封困難等缺點(diǎn)，一般很少采用。
　　油霧潤(rùn)滑是一種高速性能好、潤(rùn)滑可靠、潤(rùn)滑油量在一定范圍內(nèi)可調(diào)的潤(rùn)滑方法，壓縮空氣可以起到清潔和冷卻軸承的作用。但是，油霧潤(rùn)滑由于供油量無(wú)法精確控制，常常處于潤(rùn)滑油過(guò)量狀態(tài)，所以因潤(rùn)滑油的攪動(dòng)發(fā)熱比較嚴(yán)重，另外，所排出的廢氣中含油量較多，對(duì)工件和環(huán)境的污染嚴(yán)重。
　　油氣潤(rùn)滑是一種高速性能好、潤(rùn)滑可靠、潤(rùn)滑效果好、污染小、供油量可調(diào)、能夠?qū)崿F(xiàn)微量Z佳潤(rùn)滑的潤(rùn)滑方法，壓縮空氣可起到清潔軸承內(nèi)部、帶走熱量的作用。由于可以很精確地調(diào)整供油量，因此可以將供油量控制在Z佳狀態(tài)（圖2點(diǎn)b靠右附近區(qū)域），軸承內(nèi)部因油的攪動(dòng)發(fā)熱大大減少，加之壓縮空氣的冷卻作用，軸承的工作溫度較低，很適合超高速電主軸軸承的潤(rùn)滑。
　　油霧潤(rùn)滑主軸軸承的速度因數(shù)D_mN值可以接近2.0×10⁶mm•r/min，油氣潤(rùn)滑主軸軸承的速度因數(shù)D_mN值可以達(dá)到2.0×10⁶mm•r/min以上，如果采用混合陶瓷球軸承，兩種潤(rùn)滑方式軸承的速度因數(shù)可以進(jìn)一步提高。油霧潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑時(shí)電主軸軸承的工作溫度如圖3所示。 　　2.3供氣量對(duì)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)的影響
　　油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑都是以壓縮空氣作為輸送潤(rùn)滑油的介質(zhì)，壓縮空氣流經(jīng)軸承內(nèi)部時(shí)，可以清潔軸承、帶走相應(yīng)的熱量，具有降低軸承溫度的作用。供氣量增大，窄氣的冷卻作用加大，軸承的溫度會(huì)相應(yīng)降低，空氣流量與空氣壓力p、噴孔直徑d等因素有關(guān)，圖4表示了二者的乘積pd與主軸軸承外圈溫度的關(guān)系。 　　2.4潤(rùn)滑油粘度對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)的影響
　　潤(rùn)滑油的粘度與滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)密切相關(guān)，超高速電主軸軸承內(nèi)部的接觸應(yīng)力很大，要求潤(rùn)滑油膜具有相應(yīng)的承載能力。潤(rùn)滑油粘度過(guò)小時(shí)，油膜承載能力不足，易破裂，導(dǎo)致接觸部位于摩擦現(xiàn)象發(fā)生，軸承溫升高；但粘度提高時(shí)會(huì)增加油膜的阻尼，使拖動(dòng)力增加，油的攪動(dòng)發(fā)熱加劇，也會(huì)導(dǎo)致軸承溫度升高，在相同轉(zhuǎn)速情況下軸承溫升與潤(rùn)滑油粘度的關(guān)系如圖5所示。
　　2.5軸承速度對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)的影響
　　運(yùn)轉(zhuǎn)速度越高，軸承內(nèi)部球滾動(dòng)體與套圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越高，滑動(dòng)現(xiàn)象（包括自旋滑動(dòng)）越嚴(yán)重，潤(rùn)滑油的攪動(dòng)也相噓加劇，油膜的阻尼和所需的拖動(dòng)力變大，能耗和發(fā)熱量增加，導(dǎo)致軸承的溫升增加（圖6），溫升過(guò)高時(shí)會(huì)使?jié)櫥偷恼扯葒?yán)重變小，易出現(xiàn)潤(rùn)滑油膜不穩(wěn)定甚至潤(rùn)滑失效的情況。 　　3　超高速電主軸軸承的潤(rùn)滑條件分析
　　如上所述，除了普通工況對(duì)軸承潤(rùn)滑的基本要求之外，超高速電主軸軸承的潤(rùn)滑主要還應(yīng)滿足以下基本條件。
　　3.1滿足軸承的超高速運(yùn)轉(zhuǎn)要求
　　超高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的電主軸軸承，軸承內(nèi)部球滾動(dòng)體、保持器等零部件的運(yùn)行速度非常高，接觸表面相對(duì)滾動(dòng)、滑動(dòng)（包括自旋滑動(dòng)）的速度很大，導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜的拖動(dòng)加速度和拖動(dòng)力增加，加之自旋滑動(dòng)導(dǎo)致湍流潤(rùn)滑及油膜紊流的存在，潤(rùn)滑油膜易破裂，因此潤(rùn)滑油的粘度要適中，粘度大易導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，但粘度小不易形成彈流油膜，產(chǎn)生潤(rùn)滑不足的現(xiàn)象（圖5）。理想的潤(rùn)滑油粘度應(yīng)該選擇圖5中點(diǎn)b偏右附近的粘度，實(shí)際中需根據(jù)轉(zhuǎn)速、冷卻等具體工況進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)確定，單純認(rèn)為“速度越高，潤(rùn)滑油的粘度應(yīng)越小”的概念有些片面。
　　3.2滿足主軸對(duì)軸承承受較大載荷的要求
　　超高速電主軸的軸承不僅要承受必要的工作載荷，其內(nèi)部球滾動(dòng)體的高速離心力會(huì)在外圈滾道上產(chǎn)生很大的接觸載荷，球滾動(dòng)體與軸承內(nèi)、外圈之間的接觸為赫茲空間點(diǎn)接觸，外圈滾道上的實(shí)際接觸應(yīng)力往往達(dá)到較大的值，因此，要求彈流潤(rùn)滑油膜能夠承受足夠的接觸應(yīng)力。
　　3.3滿足軸承較高溫度的條件
　　由于超高速電主軸在工作過(guò)程中軸承的內(nèi)部溫度較高，潤(rùn)滑油的粘度受溫升影響較大，因此在選擇潤(rùn)滑時(shí)，還應(yīng)充分考慮軸承的實(shí)際工作溫度對(duì)潤(rùn)滑油粘度的影響。
　　3.4滿足能耗小、低發(fā)熱量的要求
　　如前所述，除了潤(rùn)滑油粘度對(duì)軸承的發(fā)熱有影響外，油量是影響軸承內(nèi)部發(fā)熱量和溫升的主要因素之一（圖2），因此，精確控制供油量是減少能耗、降低發(fā)熱量和軸承溫升、提高潤(rùn)滑效果和實(shí)現(xiàn)軸承高速穩(wěn)定運(yùn)行的條件之一，超高速電主軸軸承的潤(rùn)滑要求供油量在圖2所示點(diǎn)b右邊附近區(qū)域，油氣潤(rùn)滑是理想的潤(rùn)滑方式。
　　3.5具有相應(yīng)的冷卻軸承的作用
　　超高速電主軸軸承運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量大、散熱條件差，潤(rùn)滑的選擇一方面要能夠降低發(fā)熱量，另一方面需要增加冷卻作用。油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑的壓縮空氣都具有冷卻作用，適當(dāng)增加通過(guò)軸承的壓縮空氣流量，有利于降低軸承的工作溫度和改善工作條件。
　　3.6具有相應(yīng)的熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性
　　潤(rùn)滑的熱穩(wěn)定性包括潤(rùn)滑油粘度對(duì)溫度的敏感性要小和在高溫下不易變質(zhì)兩個(gè)方面，此外，由于超高速電主軸軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油膜易發(fā)生電容放電擊穿現(xiàn)象，因此所選潤(rùn)滑油還應(yīng)具有相應(yīng)的電穩(wěn)定性，在這方面還有待進(jìn)一步研究。
　　3.7潤(rùn)滑油的輸送應(yīng)易進(jìn)入軸承內(nèi)部
　　如前所述，高速運(yùn)轉(zhuǎn)所形成的高壓區(qū)和高壓氣幕以及潤(rùn)滑油的高速離心效應(yīng)，使得外部潤(rùn)滑油難以進(jìn)入軸承內(nèi)部，內(nèi)部潤(rùn)滑油易積聚于外圈滾道附近，因此要求外部供油時(shí)保持較高的壓力，并噴至內(nèi)圈滾道內(nèi)較為理想，另外，采用滾道噴油的軸承，也有利于保持超高速電主軸軸承的良好潤(rùn)滑狀態(tài)。
　　另外，采用油霧潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑時(shí)，應(yīng)安排合理的排氣通道，確保排氣通暢。
　　4　例子
　　對(duì)于圖1所示的超高速電主軸，主軸Z高轉(zhuǎn)速為120000r/min，主軸電機(jī)定子以循環(huán)水進(jìn)行冷卻，主軸軸承為國(guó)內(nèi)某品牌產(chǎn)品，型號(hào)為B7001C/P4，Z高轉(zhuǎn)速時(shí)主軸軸承的速度因數(shù)D_mN值達(dá)到2.4×10⁶mm•r/min。軸承采用油氣潤(rùn)滑，前后油路分開(kāi)，并在前后端安排了排氣孔，直徑為Ø4mm；前后軸承部位噴油孔的直徑為1.8mm，對(duì)準(zhǔn)軸承內(nèi)圈滾道方位；潤(rùn)滑油選N32汽輪機(jī)油，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(guò)反復(fù)運(yùn)行試驗(yàn)，測(cè)得Z高轉(zhuǎn)速時(shí)前軸承外圈達(dá)到熱平衡的時(shí)間為6min左右，熱平衡后軸承外圈的溫升為63.6℃，與油霧潤(rùn)滑相比，軸承外圈的溫升相應(yīng)降低了15.7℃，軸承排出廢氣的溫升為70.4℃，軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油膜的電阻（電主軸轉(zhuǎn)子與外殼之間的電阻）為8.5～14.3KΩ。試驗(yàn)證明，潤(rùn)滑條件能夠滿足超高速電主軸的要求，軸承處于良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，軸承的溫升較小，有利于延長(zhǎng)使用壽命，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
　　5　結(jié)束語(yǔ)
　　超高速電主軸是高速數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件之一，有機(jī)床“心臟”之稱。隨著高速切削刀具和高速機(jī)床技術(shù)、HSC和HSM技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，要求電主軸的轉(zhuǎn)速會(huì)越來(lái)越高，超高速電主軸軸承的潤(rùn)滑也顯得越來(lái)越重要，如何滿足電主軸軸承在超高速運(yùn)行過(guò)程中的潤(rùn)滑條件，保持穩(wěn)定和良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，已經(jīng)成為影響提高電主軸的轉(zhuǎn)速和保證工作可靠性的關(guān)鍵因素之一，得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和重視。
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