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當(dāng)前位置：高速數(shù)控機(jī)床上的電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、慣量小、功能齊全及性能良好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是制造、維修困難且成本高。以6軸數(shù)控拉刀磨床CORVUS1700 CNC6電主軸為例，介紹其主要結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)分析故障原因，最后排除故障。
數(shù)控拉刀磨床專(zhuān)用電主軸出現(xiàn)主軸停止運(yùn)轉(zhuǎn)故障，設(shè)備報(bào)警。發(fā)生原因分析：主軸轉(zhuǎn)子的軸出現(xiàn)0.5mm的軸向竄動(dòng)，使主軸轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡，造成電流劇增、負(fù)載大、溫升快及有異響。
為打破國(guó)外技術(shù)壟斷，縮短修理周期及采購(gòu)費(fèi)用，在沒(méi)有維修資料說(shuō)明的情況下，成立技術(shù)團(tuán)隊(duì)，自主制定改進(jìn)性修理方案。自主改進(jìn)面臨的技術(shù)難點(diǎn)有：主軸高速(加工轉(zhuǎn)速超過(guò)18000r/min)運(yùn)轉(zhuǎn)的平衡控制措施無(wú)參考依據(jù);軸的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值及方法無(wú)技術(shù)支持;專(zhuān)用電主軸的裝配、調(diào)試方案及專(zhuān)用調(diào)整工具缺失;損壞零件的加工圖和零件的材料無(wú)參考依據(jù)。
因此嘗試分解電主軸，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究。著重分析該電主軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，剖析故障產(chǎn)生的原因，掌握裝配調(diào)整方法，恢復(fù)設(shè)備加工功能。
電主軸結(jié)構(gòu)
(1)電主軸外觀 電主軸(見(jiàn)圖1)是將主軸和電動(dòng)機(jī)合二為一的機(jī)床部件，將主軸部件的主軸部分適當(dāng)延長(zhǎng)后，直接在延長(zhǎng)段加裝電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，使電動(dòng)機(jī)與主軸同軸，并在轉(zhuǎn)子外部加裝定子線包封閉，形成同軸電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)工作時(shí)直接帶動(dòng)主軸工作。
電動(dòng)機(jī)與主軸同軸安裝，整體結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、傳動(dòng)效率和旋轉(zhuǎn)精度高，能快速實(shí)現(xiàn)零到數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)之間的轉(zhuǎn)速調(diào)整。電主軸是一套主軸組件，而不是一件孤立的主軸，包括電動(dòng)機(jī)定子線圈、轉(zhuǎn)子、高速軸承、軸承潤(rùn)滑裝置和主軸冷卻裝置。電主軸是一種集高速電動(dòng)機(jī)、高速軸承、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、平衡技術(shù)及精密制造與裝配技術(shù)綜合運(yùn)用的裝置[1]。電主軸局部機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1—軸套 2—鎖緊螺母 3—角接觸球軸承 4—空心軸 5—滑動(dòng)軸承 6—墊片 7—小墊片 8—內(nèi)六角圓柱頭螺釘 9—調(diào)節(jié)軸套 10—空心調(diào)節(jié)螺釘 11—調(diào)節(jié)螺母 12—碟簧
(2)轉(zhuǎn)子軸 轉(zhuǎn)子軸由軸Ⅰ和軸Ⅱ兩部分組成(見(jiàn)圖3)。軸Ⅰ(見(jiàn)圖4)包括兩套角接觸球軸承、內(nèi)外隔套、鎖緊螺母、軸套、滑動(dòng)軸承、3片碟簧、墊片和內(nèi)六角圓柱頭螺釘。兩套角接觸球軸承背對(duì)背安裝。軸套可以保證兩軸同步旋轉(zhuǎn)，另外可對(duì)兩軸起安全保護(hù)作用，使主軸的精度不下降。滑動(dòng)軸承有兩套，支撐軸Ⅰ，可減小軸Ⅰ的徑向圓跳動(dòng)量。在砂輪主軸發(fā)生碰撞時(shí)，瞬間發(fā)生微量變形，碟簧可以有效保護(hù)主軸。
(3)軸Ⅱ組成及磨損分析 軸Ⅱ由空心軸、墊片、調(diào)節(jié)螺母、空心調(diào)節(jié)螺釘、調(diào)節(jié)軸套、兩套角接觸球軸承(背對(duì)背安裝)、內(nèi)外隔套及軸承壓蓋組成。
空心軸采用硅鋼材料，硬度低;墊片材料硬度高。長(zhǎng)期使用過(guò)程中，電主軸高速旋轉(zhuǎn)，機(jī)械振動(dòng)使內(nèi)六角圓柱頭螺釘松動(dòng)，造成軸Ⅰ和軸Ⅱ之間的軸向竄動(dòng)增大，導(dǎo)致空心軸與墊片運(yùn)轉(zhuǎn)不同步，加劇了空心軸內(nèi)軸肩處的磨損。
3 電主軸的典型故障及處理方法
數(shù)控拉刀磨床專(zhuān)用電主軸的典型故障現(xiàn)象是電主軸停止運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備報(bào)警。
3.1 故障檢查與分析
(1) 故障檢查 在檢查主軸不轉(zhuǎn)故障的過(guò)程中，電氣方面：測(cè)得電主軸的線圈燒壞，線圈委派外協(xié)單位繞制修復(fù)，可以達(dá)到其性能要求。機(jī)械方面：通過(guò)分解電主軸，發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)子軸由軸Ⅰ和軸Ⅱ兩部分連接組成。故障點(diǎn)如下：①軸承沒(méi)有預(yù)緊。②軸Ⅰ端部?jī)?nèi)六角圓柱頭螺釘松動(dòng)。③空心軸內(nèi)壁磨損。④軸套破裂。⑤調(diào)節(jié)螺母研死。
(2)故障分析 出現(xiàn)主軸不轉(zhuǎn)故障，轉(zhuǎn)子軸內(nèi)的內(nèi)六角圓柱頭螺釘松動(dòng)，在主軸高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，軸Ⅱ與墊片運(yùn)轉(zhuǎn)不同步，墊片會(huì)在軸Ⅱ內(nèi)部自轉(zhuǎn)，墊片與軸Ⅱ的材料不同，并且墊片比軸Ⅱ的硬度高。主軸經(jīng)常這樣工作，造成軸Ⅱ內(nèi)軸肩處磨損，致使軸Ⅱ內(nèi)軸肩處與軸套端面間的距離縮短，但是軸Ⅰ上的軸套與墊片左端面之間的距離保持不變，這就會(huì)出現(xiàn)“軸變長(zhǎng)”的現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸整體不能預(yù)緊，軸向竄動(dòng)0.5mm;同時(shí)又造成了軸Ⅰ與軸Ⅱ的同軸度超差。軸Ⅰ與軸套是緊配合，軸套的破裂使軸套可以繞軸Ⅰ自轉(zhuǎn)，這樣主軸在高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)軸Ⅰ與軸Ⅱ的運(yùn)轉(zhuǎn)不同步，造成電主軸的負(fù)載過(guò)大，電流增大。電主軸長(zhǎng)期這樣工作，會(huì)導(dǎo)致線圈燒壞，電氣元件老化，縮短使用壽命。
3.2 故障排除方法
采取如下故障排除方法。
1)對(duì)主軸兩端的軸承進(jìn)行預(yù)緊。
2)配做軸Ⅰ上的軸套(見(jiàn)圖5)，并熱裝于軸Ⅰ上。
3)配做軸Ⅱ上的墊片，增加其厚度5mm，并在靠近滑動(dòng)軸承端銑槽，槽深2mm(試裝時(shí)槽深分別為0.5mm、1mm、1.5mm和2mm)。配做軸Ⅱ上的調(diào)節(jié)螺母(見(jiàn)圖6)。
4)摸索專(zhuān)用電主軸的裝配方法，并配做專(zhuān)用調(diào)整工具。
3.3 裝配電主軸
軸Ⅰ上的兩套軸承為背對(duì)背安裝，軸承外環(huán)固定在線圈定子臺(tái)階孔內(nèi)，兩套軸承之間安裝隔環(huán)，內(nèi)環(huán)低于外環(huán)0.02mm。以空心軸和墊片為基準(zhǔn)(見(jiàn)圖2)，通過(guò)旋緊內(nèi)六角圓柱頭螺釘，使軸Ⅰ承受向右的拉力，向右伸張，同時(shí)鎖緊螺母，推軸承內(nèi)環(huán)向相反的方向移動(dòng)，利用內(nèi)外環(huán)高度差來(lái)消除軸Ⅰ的軸承游隙，實(shí)現(xiàn)軸Ⅰ軸向預(yù)緊。以空心軸的外圓軸肩和軸承內(nèi)環(huán)為基準(zhǔn)，通過(guò)旋緊空心調(diào)節(jié)螺釘(與調(diào)節(jié)螺母配合)，間接拉緊軸Ⅱ的軸套，可以消除軸Ⅱ的軸向竄動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)軸Ⅱ上軸承的軸向預(yù)緊[2]。軸Ⅰ上裝有帶凹槽的軸套，軸Ⅱ上設(shè)計(jì)有與軸套的凹槽相配合的凸臺(tái)，在裝配時(shí)，空心軸與軸套連接，墊片的內(nèi)圓與軸Ⅰ配合，墊片的外圓與空心軸的內(nèi)壁配合，墊片上放置3片碟簧，將調(diào)節(jié)螺母旋緊，就可以把小墊片、墊片和碟簧固定在軸Ⅱ上。以空心軸和墊片為基準(zhǔn)，通過(guò)旋緊內(nèi)六角圓柱頭螺釘，可以消除軸Ⅰ的軸向竄動(dòng)。以空心軸的外圓軸肩和軸承內(nèi)環(huán)為基準(zhǔn)，通過(guò)旋緊空心調(diào)節(jié)螺釘(與調(diào)節(jié)螺母配合)，間接拉緊軸套，可以消除軸Ⅱ的軸向竄動(dòng)。至此，電主軸裝配完成。
4 軸Ⅰ與軸Ⅱ之間的裝配關(guān)系及注意事項(xiàng)
1)軸Ⅰ上的兩套軸承為背對(duì)背安裝。滑動(dòng)軸承的裝配要求主要是軸Ⅰ的軸頸與軸承孔之間獲得所需要的間隙和良好的接觸，可使軸Ⅰ在軸承中運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
2)軸Ⅱ上兩套軸承的安裝和軸向預(yù)緊方法與軸Ⅰ相同。應(yīng)該注意軸Ⅱ?yàn)榭招妮S，軸承與空心軸的配合應(yīng)較緊，以避免軸的收縮使配合松動(dòng)。
3)消除軸Ⅰ和軸Ⅱ軸向間隙。軸Ⅰ上裝有帶凹槽的軸套，空心軸與軸套裝配如圖7所示。軸Ⅱ上設(shè)計(jì)有與軸套的凹槽相配合的凸緣(見(jiàn)圖8)。在裝配時(shí)，以空心軸和墊片為基準(zhǔn)，通過(guò)旋緊內(nèi)六角圓柱頭螺釘，可以消除軸Ⅰ的軸向竄動(dòng)。以空心軸的外圓軸肩和軸承內(nèi)環(huán)為基準(zhǔn)，通過(guò)旋緊空心調(diào)節(jié)螺釘，間接拉緊軸套，可以消除軸Ⅱ的軸向竄動(dòng)。
4)現(xiàn)場(chǎng)安裝、試車(chē)電主軸注意事項(xiàng)。開(kāi)始起動(dòng)時(shí)要監(jiān)控冷卻、潤(rùn)滑和壓縮空氣的工作情況，工作正常時(shí)，再開(kāi)起主軸，同時(shí)觀察負(fù)載電流的變化。開(kāi)始時(shí)主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)在3000r/min以下，運(yùn)行10～20min，再慢慢加速至5000r/min進(jìn)行試加工。電主軸的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)不超過(guò)額定轉(zhuǎn)速，讓主軸反復(fù)起動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)、加速和減速，一定要緩慢加、減速。另外，電主軸內(nèi)部有冷卻水管、油管和氣管3組管路，3組管路循環(huán)工作，保證高速電主軸的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。
5 結(jié)束語(yǔ)
數(shù)控拉刀磨床專(zhuān)用電主軸結(jié)構(gòu)比較特殊，它是一個(gè)轉(zhuǎn)子兩根軸。兩軸要同時(shí)旋轉(zhuǎn)，調(diào)整兩軸間隙的內(nèi)六角圓柱頭螺釘不能松動(dòng)，若內(nèi)六角圓柱頭螺釘松動(dòng)，則軸承沒(méi)有預(yù)緊，會(huì)影響到主軸的徑向圓跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)。如果徑向圓跳動(dòng)過(guò)大，同時(shí)主軸轉(zhuǎn)子與定子線圈間隙過(guò)小(0.25～0.5mm)，則轉(zhuǎn)子和定子易發(fā)生剮蹭，電流不穩(wěn)定，造成線圈或變頻器燒壞。變頻器外協(xié)修理時(shí)，發(fā)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置范圍過(guò)大，造成變頻器電流參數(shù)過(guò)大，線圈已經(jīng)燒壞。
配備高速電主軸的數(shù)控設(shè)備在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，每一臺(tái)設(shè)備都是設(shè)備維修人員難能可貴的教科書(shū)，只有掌握其結(jié)構(gòu)、各個(gè)部件功能和工作原理，才能準(zhǔn)確、徹底和快速地維護(hù)好設(shè)備。
