CN101362300A - 大型卧式加工中心高速主轴油气润滑*** - Google Patents

Abstract

大型卧式加工中心高速主轴油气润滑***，对直径为160mm以上的高速主轴采用油气润滑，设外置气源和外置油箱，其特征在于由油气发生装置和油气输送装置构成，油气发生装置中的电气控制单元程序控制润滑循环和控制注油泵的作业，通过接线端子与加工中心控制***连接，实现控制信号的输出和油气润滑的远程控制；油气发生装置中的气源管路和油箱中分别配置电感和压力阀、泵接通油气发生装置中的油气混合分配单元；油气混合分配单元有多条输出管路分别连接设在主轴箱底部的油气接口，油气接口与主轴轴承套上的油气通道及环形外隔套上的油气通道连通，形成油气进入主轴到排出主轴的油气循环输送通道。本***轴承内外隔套与滚珠之间的摩擦系数可以低到0.001甚至更低，同时保证主轴轴承在所要求的温度范围内运转，自控设计还能保证一旦润滑***运行出现异常，机床能够实施自动停车。

Description

大型卧式加工中心高速主轴油气润滑***

技术领域

本发明涉及机械制造设备，即大型卧式加工中心高速主轴油气润滑***。

技术背景

目前国内卧式加工中心110mm主轴额定转速一般为2500r/min，130mm主轴额定转速一般为2000r/min，一般配备在中小型卧式加工中心，160mm主轴额定转速一般为1500r/min，则用于大型卧式加工中心。在国内，中小型卧式加工中心实现高速切削已经有很多年的历史了，而大型大主轴卧式加工中心实现高速切削在国内还是比较鲜见。究其原因主要因为要实现大直径主轴高速旋转就必须攻克主轴轴承润滑、主轴***冷却、主轴的加工制造、主轴组动平衡、主轴的装配工艺等诸多方面的瓶颈。目前国内还没有厂家生产这类主轴直径为160mm以上高转速大型卧式加工中心，用户只能从国外进口，且价格非常昂贵。因此，开发此类大型卧式加工中心高速主轴***对于国内机床制造企业来说已经迫在眉睫。

油气润滑是最近几年才发展起来的一种润滑方式。简单地说，将单独供送的润滑剂和压缩空气进行混和并形成紊流状的油气混合流后再供送到润滑点，这个过程就是油气润滑。异质物体或***中，各存在分界面的独立物质称之为相。自然界常见的物质有三相即固相、液相和气相。油气就是一种两相流。单相流体油和单相流体压缩空气混合后就形成了两相油气混合流，两相油气混合流中油和压缩空气并不真正融合，而是在压缩空气的流动作用下，带动润滑油沿管道内壁不断地螺旋状流动并形成一层连续油膜，最后以精细的连续油滴的方式喷到润滑点。油气润滑与油雾润滑相似，但又不同于油雾润滑。两者都是以压缩空气为动力将稀油输送到轴承，而不同的是油气润滑并不将油撞击为细雾，而是利用压缩空气流动把油沿管路输送到轴承，因此不再需要凝缩。

发明内容

发明的目的在于提供一种大型卧式加工中心高速主轴的油气润滑***，彻底解决大型卧式加工中心直径为160mm以上的主轴高速旋转时，由于主轴轴承规格尺寸变大而产生的较大的摩擦和发热问题。

大型卧式加工中心高速主轴油气润滑***，对直径为160mm以上的高速主轴采用油气润滑，设外置气源和外置油箱，其特征在于由油气发生装置和油气输送装置构成，油气发生装置中的电气控制单元程序控制润滑循环和控制注油泵的作业，通过接线端子与加工中心控制***连接，实现控制信号的输出和油气润滑的远程控制；油气发生装置中的气源管路和油箱中分别配置电感和压力阀、泵接通油气发生装置中的油气混合分配单元；油气混合分配单元有多条输出管路分别连接设在主轴箱底部的油气接口，油气接口与主轴轴承套上的油气通道及环形外隔套上的油气通道连通，分布在轴承小口端的外隔套设有四个喷嘴，喷嘴口对着轴承的润滑点，形成油气进入主轴到排出主轴的油气循环输送通道。

本***共采用6组油气润滑回路，使油气发生装置分配出来油气在主轴组内部准确无误地直接输送至主轴组中主轴轴承需要润滑的最佳部位，避免中途泄漏、中断和多路相混以及输送部位不准确等异常现象发生，对轴承实行微量、精确定量供油，并有隔套及外套冷却结构设计，提供了两组冷却回路，配以压缩空气进行冷却，使轴承发热量少、升温低、润滑可靠、极限转速提高并延长使用寿命。本发明使大型卧式加工中心高速主轴轴承内外隔套与滚珠之间的摩擦系数可以低到0.001甚至更低，此时的摩擦阻力主要是液体润滑膜内部分子间相互滑移的低剪切阻力。低摩擦系数有效地减少了摩擦热的产生，而且油气润滑了主轴轴承后会由油气出口排出主轴外同时带走大量的热，这样就得到了为主轴轴承降温冷却的效果，使主轴轴承在所要求的温度范围内运转。本发明的自控设计还能保证一旦润滑***运行出现异常，如：压缩空气的压力不正常，油箱低油位，注油泵工作异常等情况时，机床能够实施自动停车。

附图说明

图1是大型卧式加工中心高速主轴的油气润滑***示意图；

图2是本油气发生***的外置气源和油箱及电控器件连接示意图；

图3是主轴轴承套与轴承外隔套的油气润滑回路结构示意图；

图4a是前外隔套17a的局部示意图；

图4b是前外隔套17b的局部示意图；

图4c是前外隔套17c的局部示意图；

图5a是在轴承两侧后外隔套18a的局部示意图；

图5b是在轴承两侧后外隔套18b的局部示意图；

具体实施方式

大型卧式加工中心高速主轴油气润滑***由两部分组成，第一部分为油气发生装置，第二部分为油气输送装置，其特征在于：

1.大型卧式加工中心高速主轴油气润滑***中的油气发生装置

大型卧式加工中心高速主轴油气发生装置有外置气源和油箱，见图2，气源经两位三通电磁阀、气压调节阀、分水过滤器、压力继电器接通至油气混合分配单元，油箱内配置高压注油泵、液位继电器、电气控制单元、两位三通电磁阀、压力继电器、溢流阀、压力表至油气混合分配单元，其特征在于油气发生装置中的电气控制单元通过14针的接线端子与加工中心控制***连接，实现外置设备中状态信号的反馈和执行本加工中心的作业控制指令。电气控制单元程序控制润滑循环和控制注油泵的作业。油泵间歇时间可以在0-20分钟之间调整。电气控制程序按需要的润滑油量和适宜的周期操纵油气混合分配单元中的可叠加组合的混合阀，将润滑油间隔地注射到压缩的冷却气流(恒定的压力约0.3~0.4MPa)中，流动的压缩气把油吹成油滴，附着在管壁上形成油膜，在流动过程中油膜层的厚度逐渐减薄，并不凝聚，油膜随着气体的方向沿管壁持续无间断地流动，并通过油气发生装置中的油气混合分配单元中的油路分配阀分配到六个输出管路R1-R6。

2.大型卧式加工中心高速主轴油气润滑***中的油气输送装置

油气发生装置产生的油气，经图1中主轴箱下方四个油气润滑进口处R1-R4和油气通道12、油气润滑进口处R5-R6和位于主轴后轴承下方的油气通道14进入主轴前轴承套3内的三个前外隔套17和后轴承套4内的一个后外隔套18。输送到前外隔套17的油气从主轴轴承1小口侧外隔套上的喷嘴5射入轴承后由轴承大口侧排出，通过前外隔套17上的环槽型油气排出通道7最终到达设在主轴前轴承套3外圈上的环槽型油气排出通道13，将润滑过主轴前轴承后的油气排出主轴箱外。输送到后外隔套18的油气通过设在其上的环槽型油气通道到达设在主轴后轴承2的小口一侧的油气喷嘴6，油气通过油气喷嘴6向主轴后轴承2喷射。油气从主轴后轴承小口侧射入轴承后由轴承大口侧排出，通过后外隔套18上的环槽型油气排出通道8最终到达设在主轴后轴承套4外圈上的油气排出通道15，将润滑过主轴后轴承后的油气排出主轴箱外。微型喷嘴5、6与进油的径向孔内端倾斜相接，这样保证了油气喷向主轴轴承内圈，然后在离心力的作用下向外圈移动，达到最佳的润滑效果。

油气混合分配单元能够分离空气和油两种不同的成分，根据油气泄漏量的大小逐次补油，使每个主轴轴承润滑点都能接受到所需要的油量，自控地实现对大型卧式加工中心高速旋转的主轴轴承的润滑和冷却。另外需要指出的是油气由输出管路R1-R6进入主轴轴承润滑点之前的这段管路使用的是透明的PA管，油管内的供应情况可以方便地目测到。油管长度选择在1-12米之间，并将油管盘几个圈，其轴线为水平方向，用于在***停车时储存一部分润滑油。管路中没有使用中间接头，这样避免了油管管径的变化，不会产生因管径变化而破坏油膜的连续性的现象。

油气输送装置，见图1，其特征在于在主轴前部依次与主轴同轴设置四个前轴承1，并在各前轴承1两侧均同轴布置五个前外隔套17、在主轴后部同轴布置两个后轴承2，并在各后轴承2两侧均同轴布置三个后外隔套18。设在轴承小口侧的外隔套均有四个喷嘴5或6，喷嘴口对着轴承的润滑点。在主轴前轴承套3外圈上多条环槽型油气通道12之间分布有密封圈10、在外隔套17外圈处均设有密封圈9，主轴后轴承套4外圈上也同样设置环槽油气进入通道14、油气排出通道15，通道之间还分布有密封圈11、在后外隔套18外圈径向环槽设密封圈16，以防止进入各个主轴轴承的油气中途泄漏或与出口的油气相互混合。

主轴前轴承套3将前外隔套17和主轴前轴承1包裹在其中，见图3：主轴前轴承套3的筒状壁内有相通的轴向和径向油气通道：轴向通道与前外隔套17上的油气排出通道7及通向喷嘴5的径向通道相交、还与前轴承套3外圈上的径向槽孔油气排出通道13、径向环槽油气进入通道12相交，径向环槽油气进入通道12并与油气混合分配单元中的油气输入端R1-R4相接。如图1所示，同样油气由主轴箱底部油气通道到达主轴后轴承套4。后轴承套4也同样并将后外隔套18和主轴后轴承2包裹在其中。图1中可见后外隔套18上设置了环槽型油气排出通道8和喷嘴6。

油气输送装置中有五种外隔套结构：详细结构见图4a、b、c、图5a、b；前、后外隔套17、18均为与主轴前、后轴承等径环状体，其壁中外圆侧有径向环槽，分别为与油气排出通道13、15相通的排油口或与油气入口12、14相通的进油口，油气排出通道7、8内端有轴向环槽与轴承1、2相通，外隔套与轴承套外圆侧有多条密封圈9、10、11、16。

五个外隔套17中，位于前轴承1两端的采用图4a所示的前外隔套17a结构中只有单向油气排出通道7与出油孔直角相通，共有两个形状大小均相同，但放置的方向是相对的，位于第一、第四轴承两端；位于两对轴承间的采用图4b所示的前外隔套17b结构，两个前外隔套17b中的喷嘴5与轴承壁呈夹角切入，形成对主轴轴承内圈的喷射角度为15度，17b中的油气排出通道7与出油孔直角相通，两个外隔套17b与一个外隔套17c将第二列第三列主轴前轴承1夹在中间；前外隔套17c的形状见图4c，两端的喷嘴5方向相反，但总体上五个前外隔套17的功能相同。

两个后轴承2前后端设结构相同、相向设置的后外隔套18b，两轴承间设后外隔套18a。后外隔套18a中的喷嘴6结构是与同一进油孔呈相向倾斜。后外隔套18b的形状是环壁中有与环槽型油气排出通道8相通的三通管结构。

油气喷嘴为倾斜式微型喷油孔，喷油孔喷射角度为15度，这样保证了油气喷向主轴轴承内圈，然后在离心力的作用下向外圈移动，达到最佳的润滑效果。由油气喷嘴射入主轴轴承的油气经由均布于外隔套上的油气排出通道7排出主轴箱外。外隔套外圈上密封圈9的作用是防止进入主轴的油气与排出主轴的油气相互混合，影响对主轴轴承润滑及冷却的效果。

另外，轴承外隔套17c外圈有螺旋型环槽，见图4c，进出口均与冷却油箱连接构成独立的冷却回路，冷却油循环进出主轴***进而对主轴进行冷却。

同样见图1所示：主轴前轴承套3及主轴后轴承套4外圈都设有螺旋型环槽，进出口均与冷却油箱连接构成独立的冷却回路，冷却油循环进出主轴***进而对主轴进行冷却。

主轴前轴承1、后轴承2的结构：主轴轴承为角接触球轴承，轴承由轴承内外圈及其之间的支持架、滚珠所组成，轴承分正面与背面，轴承背面轴承内外圈的间隙小，轴承正面轴承内外圈的间隙大，由于油气由间隙小的位置进入轴承对轴承的润滑冷却效果好，因此轴承背面与油气喷嘴相对，轴承正面与油气排出通道相接。

大型卧式加工中心高速主轴的主轴前轴承选用内径220mm精密角接触球轴承、主轴后轴承选用内径200mm精密角接触球轴承；前、后轴承均采用油气润滑方式对轴承进行润滑，保证每个主轴轴承均配置一组独立油气润滑回路，见图3，在油气混合体经油气润滑入口R1—R6通过任一轴承环形腔后，由油气出口排出主轴箱，本***共6组油气润滑回路。采用了本发明***，由于有隔套及外套冷却结构设计，提供了两组冷却回路，显著提高效率。内径为220mm的主轴前轴承一般脂润滑时只能达到2000转/分，设计开发油气润滑及隔套外套冷却***后，实际转速可以达到3600转/分。

Claims (8)

1、大型卧式加工中心高速主轴油气润滑***，对直径为160mm以上的高速主轴采用油气润滑，设外置气源和外置油箱，其特征在于由油气发生装置和油气输送装置构成，油气发生装置中的电气控制单元程序控制润滑循环和控制注油泵的作业，通过接线端子与加工中心控制***连接，实现控制信号的输出和油气润滑的远程控制；油气发生装置中的气源管路和油箱中分别配置电感和压力阀、泵接通油气发生装置中的油气混合分配单元；油气混合分配单元有多条输出管路分别连接设在主轴箱底部的油气接口，油气接口与主轴轴承套上的油气通道及环形外隔套上的油气通道连通，分布在轴承小口端的外隔套设有四个喷嘴，喷嘴口对着轴承的润滑点，形成油气进入主轴到排出主轴的油气循环输送通道。

2、根据权利要求1所述的高速主轴油气润滑***，其特征在于油气输送装置：在加工中心设备的主轴前部依次同轴设置四个前轴承(1)，并在各前轴承(1)两侧均同轴布置有外隔套(17)、主轴前轴承套(3)，主轴前轴承套(3)的筒状壁内有相通的轴向和径向油气通道：轴向通道与外隔套(17)上的外径孔油气通道(7)及通向喷嘴(5)的径向通道相交、还与前轴承套(3)外圈的外径槽孔油气排出通道(13)、径向环槽油气进入通道(12)相交，并与油气混合分配单元中的油气输入端(R1-R4)、油箱回路接通；油气输入端(R5-R6)分别与位于设备主轴后部的后轴承套(4)的对应接口连通，主轴后轴承套(4)筒壁中也有相通的轴向和径向通道，分别与后外隔套(18)上的油气进入通道(14)、油气排出通道(8)和与油箱回路连通的油气排出通道(15)接通。

3、根据权利要求2所述的高速主轴油气润滑***，其特征在于油气输送装置中主轴轴承套结构：主轴前轴承套(3)在外周上将前外隔套(17)和主轴前轴承(1)包裹在其中，主轴前轴承套(3)的筒状壁内有相通的轴向和径向油气通道：轴向通道与前外隔套(17)上的外径孔油气通道(7)及通向喷嘴(5)的径向通道相交、还与前轴承套(3)外圈的外径槽孔油气排出通道(13)、径向环槽油气进入通道(12)相交，并与油气混合分配单元中的油气输入端(R1-R4)相接；前外隔套(17)的径向环槽之间有环缺，内嵌密封圈(9)，后外隔套(18)的径向环槽设密封圈(16)。

4、根据权利要求2所述的大主轴卧式加工中心的油气润滑装置，其特征在于油气输送装置中外隔套的结构：前、后外隔套(17)、(18)均为与主轴前、后轴承(1)、(2)等径的环状体，其壁中外圆侧有径向环槽，分别为油气排出通道(13)、(15)和与油气进入通道(12)、(14)相通的进油口，径向环槽之间有环缺，内嵌密封圈(9)，后外隔套(18)的径向环槽设密封圈(16)；油气排出通道(7)、(8)内端有轴向环槽与轴承(1)、(2)相通，并设有密封圈。

5、根据权利要求3所述的大主轴卧式加工中心的油气润滑装置，其特征在于外隔套结构按安置位置不同，细分有五种：

第一种：前外隔套(17a)结构中只有单向油气排出通道(7)与径向出油孔直角相通，共有两个，形状大小均相同，但放置的方向是相对的，位于第一、第四轴承两端；

第二种：前外隔套(17b)结构中的喷嘴(5)与径向出油孔和轴承壁呈夹角切入，形成对主轴轴承内圈的喷射角度为15度，同样(17b)中的油气排出通道(7)与径向出油孔直角相通，两个外隔套(17b)位于第二列、第三列主轴前轴承(1)外侧；

第三种：一个前外隔套(17c)中与径向出油孔夹角相切的喷嘴(5)位于结构两端、倾斜方向相反，位于第二列、第三列主轴前轴承(1)之间；

第四种：后外隔套(18a)中的两个喷嘴(6)与同一径向进油孔呈相向倾斜，夹角15度，设置在两后轴承(2)之间；

第五种：后外隔套(18b)是环壁中有与轴向环槽型油气排出通道(8)相通的三通管结构；后轴承(2)前后端设结构相同、相向设置的两个后外隔套(18b)。

6、根据权利要求1所述的大主轴卧式加工中心的油气润滑装置，其特征在于油气输送部分中主轴前轴承(1)、后轴承(2)的结构：主轴轴承为角接触球轴承，轴承由轴承内外圈及其之间的支持架、滚珠所组成，轴承分正面与背面，轴承正面轴承内外圈的间隙大，轴承背面轴承内外圈的间隙小，轴承背面与油气喷嘴相对，轴承正面与油气排出通道相接。

7、根据权利要求1所述的大主轴卧式加工中心的油气润滑装置，其特征在于油气输送部分中油气由油气润滑入口(R1-R6)进入主轴轴承润滑点之前的这段管路要使用透明的PA管，油管长度选择在1-12米之间，管路中无接头，油管管径相等，并将油管盘几个圈，轴线为水平方向。

8、根据权利要求1所述高速主轴油气润滑***，其特征在于轴承外隔套(17c)外圈、主轴前轴承套(3)及主轴后轴承套(4)外圈都设有螺旋型环槽，进出口均与冷却油箱连接构成独立的冷却回路，冷却油循环进出主轴***对主轴进行冷却。

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