摘要：通过分析超高速电轴轴承内部润滑的基本特点，对主轴轴承在超高速运行条件下的内部润滑状态进行了分析，讨论了供油量、润滑方式、润滑油和轴承内部零件的运动等因素对轴承内部弹流油膜、温升等润滑状态的影响，在此基础上提出了超高速电主轴轴承润滑的要求和基本条件，并进行了实际应用试验。
　　关键词：电主轴；超高速；角接触球轴承；润滑状态；润滑条件
　　电主轴技术的发展和应用，促进了数控机床技术和高速切削HSC（High Speed Cutting）、高速加工HSM（High Speed Machining）技术的发展，目前，超高速电主轴每分钟的转速可达数万转甚至数十万转^[1]。在超高速电主轴中，作为支承的角接触球轴承（称为主轴轴承）的速度因数D_mN值多数接近和超过2.0X10⁶mm•r/min。对于在超高速条件下工作的电主轴轴承，其内部润滑状态与低速情况相比有着很大不同，实践中由于润滑条件不当引起轴承失效的故障时有发生，有必要对其进行分析研究，以提高超高速电主轴轴承的润滑可靠性和高速性能。
　　1　超高速电主轴轴承的工作特点
　　电主轴是将主轴电机内装，实现主轴和电机一体化的功能，又称内装式主轴。图1所示为一超高速电主轴结构示意图，主轴电机置于主轴内部，电机定子的外部有循环水腔进行冷却，主轴的前、后支承均为角接触球轴承，以承受相应的径向和轴向工作载荷，轴承采用油气润滑，前后轴承油路分开。为了消除轴承内部的游隙并获得一定的支承刚度，安装时对轴承施加了一定的轴向载荷，简称预载荷P_r。超高速电主轴常用弹性预载荷，图1所示电主轴轴承的预载荷是依靠轴向螺旋弹簧向前推动后轴承外圈而实现的，由于在工作过程中轴承预载荷的值基本保持不变，故又称定量预载荷。 　　电主轴在超高速情况下工作时由于结构上的特点及轴承内部球滚动体受高速离心力和陀螺力矩等高速惯性力的作用，超高速电主轴轴承的润滑具有以下主要特点：
　　（1）球滚动体与套圈滚道之间的接触为赫兹空间点接触，由于球滚动体离心力的作用，外圈滚道上的接触载荷和接触应力往往很大，会产生较大的接触变形。
　　（2）球滚动体与轴承内、外圈滚道之间的相对运动速度很大，不仅有滚动，而且还存在较大的滑动成分，转速越高：滑动越严重。高速时油膜厚度增加，油膜的拖动加速度加大，导致阻尼和拖动力增大。
　　（3）角接触球轴承在高速运行过程中，球滚动体除了沿套圈滚道方向的滚动和滑动之外，在绕内、外圈滚道接触点法线的方向还存在白旋运动，即绕接触点中心的旋转滑动，使接触区易产生湍流润滑和使润滑油膜呈现紊流现象，在发热量增加的同时，弹流润滑油膜的形成和状态也比较复杂（有待进一步研究）。
　　（4）轴承内部弹流油膜的高速拖动和多余润滑油在轴承内部的高速搅动，所消耗的能量会产生大量的热量，使轴承温度迅速升高、润滑油的粘度降低，导致润滑条件恶化。
　　（5）球滚动体、保持器等高速运转的零件，在轴承内部及附近部位形成了一个高压区和高压气幕，外部润滑油难以进入轴承内部。
　　（6）由于高速离心力的作用，润滑油易集中于外圈滚道内形成润滑油过量现象，而内圈滚道易因贫油而出现欠润滑状态。
　　（7）由于电主轴的电机内装式结构，工作时电机定、转子因电、磁原因而产生大量的热量，工作温度很高，热量会直接传至轴承部位，对轴承的散热和降低温度不利。
　　（8）目前，超高速电主轴一般采用PWM三相变频调速系统驱动，但由于PWM变频调速时易存在三相电压不对称平衡而产生共模电压，同时，高频电机本身也会产生感应电势，在电主轴的外壳和转轴之问形成电位差，由于弹流油膜的绝缘作用，从而形成一个大电容，在轴承内部球滚动体与内、外套圈滚道之间出现充、放电现象，放电过程中因油膜被击穿和破坏而导致润滑失效，易发生损坏轴承的故障。
　　2　超高速情况下电主轴轴承的润滑状态分析
　　2.1供油量对轴承润滑状态的影响
　　主轴轴承在超高速运行时，内部形成弹流润滑所需要的有效油量是非常少的，多余的润滑油被球滚动体和保持器等零件高速搅动，由此而产生的热量往往占轴承内部发热量的很大部分，润滑油量与轴承内部发热量、温升之间的关系如图2所示。图中，点a附件油量过少，不足以在球滚动体与轴承内、外圈滚道之间建立充分的弹流油膜，接触点的局部会出现干摩擦现象，因此发热量大，如果不能及时散发出去，导致轴承内部温升很高；随着润滑油量的增加，润滑变得比较充分，发热量减小，轴承工作时的温升相应降至Z低点b；但随着油量的进一步增加，球滚动体搅动润滑油的现象发生，导致发热量增加，并且随润滑油量的增加而越来越严重，因此，轴承的温升相应会随之升高至点c。然而，当油量增加到一定程度时，尽管因油搅动的发热量仍然在增加，但随着轴承内部多余润滑油的排出，相应会带走一部分热量，产生冷却轴承的作用，使轴承内部的温升反而会有所降低。 　　2.2润滑方式对轴承润滑状态的影响
　　对于超高速运行的电主轴，由于油脂粘度太大，而且没有冷却作用，因此，脂润滑已经不能满足主轴轴承的润滑要求了，需要采用油雾润滑、油气润滑和喷油润滑等流体润滑的方式，但由于喷油润滑存在能耗大、密封困难等缺点，一般很少采用。
　　油雾润滑是一种高速性能好、润滑可靠、润滑油量在一定范围内可调的润滑方法，压缩空气可以起到清洁和冷却轴承的作用。但是，油雾润滑由于供油量无法精确控制，常常处于润滑油过量状态，所以因润滑油的搅动发热比较严重，另外，所排出的废气中含油量较多，对工件和环境的污染严重。
　　油气润滑是一种高速性能好、润滑可靠、润滑效果好、污染小、供油量可调、能够实现微量Z佳润滑的润滑方法，压缩空气可起到清洁轴承内部、带走热量的作用。由于可以很精确地调整供油量，因此可以将供油量控制在Z佳状态（图2点b靠右附近区域），轴承内部因油的搅动发热大大减少，加之压缩空气的冷却作用，轴承的工作温度较低，很适合超高速电主轴轴承的润滑。
　　油雾润滑主轴轴承的速度因数D_mN值可以接近2.0×10⁶mm•r/min，油气润滑主轴轴承的速度因数D_mN值可以达到2.0×10⁶mm•r/min以上，如果采用混合陶瓷球轴承，两种润滑方式轴承的速度因数可以进一步提高。油雾润滑和油气润滑时电主轴轴承的工作温度如图3所示。 　　2.3供气量对轴承润滑状态的影响
　　油雾润滑、油气润滑都是以压缩空气作为输送润滑油的介质，压缩空气流经轴承内部时，可以清洁轴承、带走相应的热量，具有降低轴承温度的作用。供气量增大，窄气的冷却作用加大，轴承的温度会相应降低，空气流量与空气压力p、喷孔直径d等因素有关，图4表示了二者的乘积pd与主轴轴承外圈温度的关系。 　　2.4润滑油粘度对润滑状态的影响
　　润滑油的粘度与滚动轴承的润滑状态密切相关，超高速电主轴轴承内部的接触应力很大，要求润滑油膜具有相应的承载能力。润滑油粘度过小时，油膜承载能力不足，易破裂，导致接触部位于摩擦现象发生，轴承温升高；但粘度提高时会增加油膜的阻尼，使拖动力增加，油的搅动发热加剧，也会导致轴承温度升高，在相同转速情况下轴承温升与润滑油粘度的关系如图5所示。
　　2.5轴承速度对润滑状态的影响
　　运转速度越高，轴承内部球滚动体与套圈之间的相对运动速度越高，滑动现象（包括自旋滑动）越严重，润滑油的搅动也相嘘加剧，油膜的阻尼和所需的拖动力变大，能耗和发热量增加，导致轴承的温升增加（图6），温升过高时会使润滑油的粘度严重变小，易出现润滑油膜不稳定甚至润滑失效的情况。 　　3　超高速电主轴轴承的润滑条件分析
　　如上所述，除了普通工况对轴承润滑的基本要求之外，超高速电主轴轴承的润滑主要还应满足以下基本条件。
　　3.1满足轴承的超高速运转要求
　　超高速运转条件下的电主轴轴承，轴承内部球滚动体、保持器等零部件的运行速度非常高，接触表面相对滚动、滑动（包括自旋滑动）的速度很大，导致润滑油膜的拖动加速度和拖动力增加，加之自旋滑动导致湍流润滑及油膜紊流的存在，润滑油膜易破裂，因此润滑油的粘度要适中，粘度大易导致发热严重，但粘度小不易形成弹流油膜，产生润滑不足的现象（图5）。理想的润滑油粘度应该选择图5中点b偏右附近的粘度，实际中需根据转速、冷却等具体工况进行反复试验确定，单纯认为“速度越高，润滑油的粘度应越小”的概念有些片面。
　　3.2满足主轴对轴承承受较大载荷的要求
　　超高速电主轴的轴承不仅要承受必要的工作载荷，其内部球滚动体的高速离心力会在外圈滚道上产生很大的接触载荷，球滚动体与轴承内、外圈之间的接触为赫兹空间点接触，外圈滚道上的实际接触应力往往达到较大的值，因此，要求弹流润滑油膜能够承受足够的接触应力。
　　3.3满足轴承较高温度的条件
　　由于超高速电主轴在工作过程中轴承的内部温度较高，润滑油的粘度受温升影响较大，因此在选择润滑时，还应充分考虑轴承的实际工作温度对润滑油粘度的影响。
　　3.4满足能耗小、低发热量的要求
　　如前所述，除了润滑油粘度对轴承的发热有影响外，油量是影响轴承内部发热量和温升的主要因素之一（图2），因此，精确控制供油量是减少能耗、降低发热量和轴承温升、提高润滑效果和实现轴承高速稳定运行的条件之一，超高速电主轴轴承的润滑要求供油量在图2所示点b右边附近区域，油气润滑是理想的润滑方式。
　　3.5具有相应的冷却轴承的作用
　　超高速电主轴轴承运行时发热量大、散热条件差，润滑的选择一方面要能够降低发热量，另一方面需要增加冷却作用。油雾润滑、油气润滑的压缩空气都具有冷却作用，适当增加通过轴承的压缩空气流量，有利于降低轴承的工作温度和改善工作条件。
　　3.6具有相应的热稳定性和电化学稳定性
　　润滑的热稳定性包括润滑油粘度对温度的敏感性要小和在高温下不易变质两个方面，此外，由于超高速电主轴轴承内部润滑油膜易发生电容放电击穿现象，因此所选润滑油还应具有相应的电稳定性，在这方面还有待进一步研究。
　　3.7润滑油的输送应易进入轴承内部
　　如前所述，高速运转所形成的高压区和高压气幕以及润滑油的高速离心效应，使得外部润滑油难以进入轴承内部，内部润滑油易积聚于外圈滚道附近，因此要求外部供油时保持较高的压力，并喷至内圈滚道内较为理想，另外，采用滚道喷油的轴承，也有利于保持超高速电主轴轴承的良好润滑状态。
　　另外，采用油雾润滑和油气润滑时，应安排合理的排气通道，确保排气通畅。
　　4　例子
　　对于图1所示的超高速电主轴，主轴Z高转速为120000r/min，主轴电机定子以循环水进行冷却，主轴轴承为国内某品牌产品，型号为B7001C/P4，Z高转速时主轴轴承的速度因数D_mN值达到2.4×10⁶mm•r/min。轴承采用油气润滑，前后油路分开，并在前后端安排了排气孔，直径为Ø4mm；前后轴承部位喷油孔的直径为1.8mm，对准轴承内圈滚道方位；润滑油选N32汽轮机油，单套轴承的供油量定为0.3×10^-3mL/min，压缩空气压力为0.4MPa。通过反复运行试验，测得Z高转速时前轴承外圈达到热平衡的时间为6min左右，热平衡后轴承外圈的温升为63.6℃，与油雾润滑相比，轴承外圈的温升相应降低了15.7℃，轴承排出废气的温升为70.4℃，轴承内部润滑油膜的电阻（电主轴转子与外壳之间的电阻）为8.5～14.3KΩ。试验证明，润滑条件能够满足超高速电主轴的要求，轴承处于良好的润滑状态，轴承的温升较小，有利于延长使用寿命，实现长期稳定运行。
　　5　结束语
　　超高速电主轴是高速数控机床的关键功能部件之一，有机床“心脏”之称。随着高速切削刀具和高速机床技术、HSC和HSM技术的继续发展，要求电主轴的转速会越来越高，超高速电主轴轴承的润滑也显得越来越重要，如何满足电主轴轴承在超高速运行过程中的润滑条件，保持稳定和良好的润滑状态，已经成为影响提高电主轴的转速和保证工作可靠性的关键因素之一，得到了越来越广泛的关注和重视。
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