淺析高精數(shù)控機(jī)床主軸維修

程永豐，劉亞玲

（河北第二機(jī)械工業(yè)有限公司，河北石家莊 050031）

1 主軸市場的需求分析

1.1 高轉(zhuǎn)速需求

隨著質(zhì)量強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出，對產(chǎn)品質(zhì)量特性的要求，國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范相關(guān)的要求越來越高。在機(jī)械、航空、航天、軍工、化工、礦山等領(lǐng)域，對產(chǎn)品的可靠性、安全性、測試性、維修性、保障性和環(huán)境適應(yīng)性提出越來越高的要求，對應(yīng)的技術(shù)規(guī)范、工藝規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)也越來越高。根據(jù)工件光潔度、加工效率的要求，客戶對機(jī)床高速穩(wěn)定運(yùn)行隨之提出高要求；隨著刀具表面涂層技術(shù)、刀具合金技術(shù)、刀具整體加工技術(shù)的進(jìn)步，高速切屑刀具日漸成熟，大功率高速電主軸、放大驅(qū)動(dòng)模塊以及數(shù)字化控制系統(tǒng)和防護(hù)、報(bào)警系統(tǒng)等技術(shù)的日漸成熟，機(jī)床主軸高速運(yùn)行成為行業(yè)發(fā)展的必然發(fā)展方向，知名機(jī)床制造企業(yè)爭相開發(fā)運(yùn)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，加快機(jī)床高速化發(fā)展進(jìn)程。不同品牌的機(jī)床，均配備有高轉(zhuǎn)速的機(jī)床主軸（圖1、圖2）。

圖1 高速雙端數(shù)控機(jī)床

圖2 高精度數(shù)控機(jī)床

1.2 靜態(tài)特性需求

（1）無變形或微變形。在不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主軸除了承受自身質(zhì)量之外，前端會(huì)承受卡盤、工裝、工件的質(zhì)量，后端承受液壓缸、皮帶輪、拉桿等部件的質(zhì)量，同時(shí)還承受安裝自身、卡盤等部件的系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)力。受外部環(huán)境溫度變化的影響，為達(dá)到機(jī)床加工時(shí)的穩(wěn)定性，整個(gè)主軸系統(tǒng)要求無變形。這就要求合理選用主軸材料與加工工藝、熱處理工藝及裝配工藝方法、技術(shù)等，以保證主軸靜態(tài)無變形、無應(yīng)力的要求。

（2）高精度。數(shù)控機(jī)床組裝、安裝完成之后，所需的靜態(tài)軸向竄動(dòng)、回轉(zhuǎn)跳動(dòng)、與導(dǎo)軌的平行度等，應(yīng)符合國家、行業(yè)、企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)重點(diǎn)考慮客戶的專項(xiàng)要求。

1.3 動(dòng)態(tài)特性要求

（1）固有頻率。由于機(jī)床主軸組成、結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，各回轉(zhuǎn)部件質(zhì)點(diǎn)必然存在不同心、不同線的情況，因此主軸在不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)。由于主軸自身存在一個(gè)固有頻率，當(dāng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的頻率與固有頻率相同或成倍數(shù)時(shí)，振動(dòng)必然放大，這將嚴(yán)重影響工件的表面光潔度和其他表面質(zhì)量。因此，機(jī)床動(dòng)平衡測試成為機(jī)床安裝后需要測試的重要項(xiàng)目之一。

（2）臨界轉(zhuǎn)速。當(dāng)機(jī)床主軸運(yùn)轉(zhuǎn)在特定轉(zhuǎn)速形成的頻率與固有頻率一致時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)最為強(qiáng)烈，甚至造成部件的損害，這個(gè)問題在主軸維修、裝配時(shí)需要特別關(guān)注。另外，在拆卸、安裝過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照裝配工藝要求執(zhí)行，避免敲打、撞擊造成個(gè)別受力部位變形，造成動(dòng)態(tài)平衡的破壞，加大固有頻率的范圍。

（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)。高速機(jī)床主軸在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)具有較好的啟動(dòng)、制動(dòng)、受力切削、螺紋車削的良好響應(yīng)特性，這需要主軸有很好的剛性、動(dòng)平衡和良好的慣性指標(biāo)。

1.4 快速、經(jīng)濟(jì)維修的需求

高精設(shè)備主軸一般結(jié)構(gòu)為預(yù)裝免維護(hù)式，主軸軸承精度、價(jià)格高，動(dòng)輒數(shù)萬元。設(shè)備主軸出現(xiàn)故障的原因，一般是軸承長期使用后造成的，且設(shè)備主軸處，設(shè)備生產(chǎn)廠家粘貼不得拆卸的警示標(biāo)識(shí)。由于設(shè)備本身價(jià)值較高，如長時(shí)間停機(jī)，不僅設(shè)備的時(shí)間磨損較大，另外高精設(shè)備一般擔(dān)負(fù)關(guān)鍵、精密零部件的加工任務(wù)，出現(xiàn)故障后將大大影響生產(chǎn)進(jìn)度。一般返廠維修時(shí)間是，在不包括往返運(yùn)輸時(shí)間外的15 個(gè)工作日，總體時(shí)間在20 個(gè)工作日左右；維修費(fèi)用，不包括現(xiàn)場拆裝，維修費(fèi)數(shù)萬元，并且售后人員來現(xiàn)場無手段修復(fù)，須返廠維修；部分設(shè)備部件返廠維修時(shí)間為3 個(gè)月。在高精設(shè)備普遍使用的情況下，進(jìn)行自主維修勢在必行。機(jī)床故障主要表現(xiàn)以下4 個(gè)方面：①主軸運(yùn)行時(shí)聲音、溫度異常；②工件表面光潔度超差、刀痕雜亂；③工件切削時(shí)振刀；④工件尺寸、外觀形狀等異常。

2 解決措施

故障解決的一般流程為：首先，根據(jù)圖紙和實(shí)物，掌握主軸的結(jié)構(gòu)、構(gòu)成材料性能（圖3、圖4）；然后分析主軸的原理、結(jié)構(gòu)，軸承安裝注意事項(xiàng)等；最后制作專用工具來解除故障。

圖4 高精數(shù)控車床主軸結(jié)構(gòu)

2.1 主軸的原理、結(jié)構(gòu)

2.1.1 滾動(dòng)軸承的間隙量

軸承間隙與主軸組件的靜態(tài)剛度成反比，組件剛度最大時(shí)，是軸承在零間隙附近。然而，主軸組件動(dòng)態(tài)特性與軸承間隙量之間的關(guān)系卻較復(fù)雜。在主軸前端裝夾處激振時(shí)，軸端的共振頻率與軸承間隙減小成反比，但軸端共振幅值卻具有最小值。不適合的間隙量會(huì)造成主件動(dòng)態(tài)特性的下降，若間隙量過大，這是因靜態(tài)剛度較低所造成；若間隙量過?。催^盈量過大），則是因阻尼減小所造成。

主軸軸承在安裝時(shí)，軸承由鎖緊螺母施加軸向鎖緊力，來調(diào)整軸承內(nèi)外環(huán)與滾珠（滾柱）之間的間隙，和各零件、部件之間形成工作系統(tǒng)。當(dāng)鎖緊力較小時(shí)，軸承將工作在較大間隙會(huì)造成主軸徑向或軸向的竄動(dòng)、跳到，而直接影響零件的加工尺寸和精度。此時(shí)軸承的受力區(qū)域也相應(yīng)減小，負(fù)載主要作用于受力方向的個(gè)別滾動(dòng)體上，造成負(fù)荷未完全分布在應(yīng)受力的全部軸承區(qū)域上，引起軸承振動(dòng)而發(fā)熱和磨損的加劇，從而縮短使用周期。由于軸承裝配緊固力相對較小，各零件之間相對松散，抗振性能必然削弱。當(dāng)鎖緊力使軸承各零件之間零間隙時(shí)，受力面積將增大，滾珠與軸承內(nèi)、外圈滾道理論上全部可靠接觸，形成封閉的圓環(huán)點(diǎn)、線接觸，主軸的回轉(zhuǎn)精度、抗振性能的效果較好。當(dāng)鎖緊力使軸承各零件之間過盈配合時(shí)，滾珠、滾道產(chǎn)生微小彈性變形，與滾道的接觸面積較零間隙時(shí)增大，使受力范圍擴(kuò)大到整個(gè)軸承內(nèi)、外圈，則主軸組件的剛度和抗振性都能得到顯著提高，但軸承易發(fā)生過熱現(xiàn)象。因此，滾動(dòng)軸承安裝、調(diào)整過程中，調(diào)整、保持合理的間隙量，是保障主軸旋轉(zhuǎn)精度基本條件，同時(shí)還應(yīng)考慮阻尼比，以得到最佳的軸頭共振幅度，理想的剛度、共振頻率和動(dòng)態(tài)加工精度。

2.1.2 滾動(dòng)軸承的間隙量選擇

主軸滾動(dòng)軸承的最佳間隙量（或最佳預(yù)加載荷量）需要考慮機(jī)床的工作環(huán)境和軸承類型，根據(jù)積累的試驗(yàn)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)加以確定。調(diào)整軸承間隙（或預(yù)加載荷）的一般原則是：對于高速、輕載或高精機(jī)床主軸組件，軸承間隙量可采用較大間隙，以便彌補(bǔ)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)后的熱膨脹，同時(shí)消除軸承間隙并起到附加載荷的從用；對于中低速、載荷較大或一般精度的機(jī)床主軸組件，軸承間隙量可采用其較小間隙，以便提高剛度和抗振性。通常球軸承比滾子軸承允許的預(yù)加載荷要大些，精度較高的軸承所允許的預(yù)加載荷也要大些。

2.2 軸承安裝注意事項(xiàng)

（1）采用熱裝。由于主軸的體積較大，而且是永久使用部件，一般不采用加熱、冷卻的方式處理；采用軸承熱裝的方法，同時(shí)做好各種安全防護(hù)措施：①采用機(jī)油（10 號）加熱的方法；②采用電磁爐加熱的方法；③軸承加熱器；④溫度控制在120 ℃以下，根據(jù)不同加熱方法采用不同的測溫裝置。

（2）環(huán)境清潔、無粉塵。

（3）加熱用的介質(zhì)必須經(jīng)過濾，容器也需經(jīng)過加熱清洗，以免軸承在加熱過程中有異物進(jìn)入。

（4）加注的潤滑油脂牌號不得低于ARCANOLSPEED2.6-250G#KFAG。

（5）務(wù)必按軸承標(biāo)記安裝才能達(dá)到軸承性能最優(yōu)。

（6）做靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的平衡性實(shí)驗(yàn)，并調(diào)整至符合工藝要求的數(shù)據(jù)之內(nèi)。

2.3 軸承螺母預(yù)緊力

軸承螺母預(yù)緊力是主軸軸承安裝成功的重要參考指標(biāo)，也是軸承一次安裝成功的技術(shù)保障。表1 為經(jīng)部分實(shí)踐采用的數(shù)據(jù)，其中718、719、70、72 為軸承大類規(guī)格。

表1 鎖緊螺母的鉗緊力與預(yù)緊力

2.4 制作專用工具

（1）利用力矩限制器等標(biāo)準(zhǔn)件和計(jì)算后的加長杠桿，制作的數(shù)控車床軸承預(yù)緊力施加工具（圖5）。

圖5 主軸安裝用工具（部分）

（2）制作的雙端數(shù)控車床動(dòng)力回轉(zhuǎn)主軸內(nèi)孔軸承拆裝工具（圖6）。

圖6 動(dòng)力主軸拆裝工具

3 應(yīng)用成效

（1）修后效果。高精數(shù)控車床維修后，設(shè)備精度與入廠時(shí)的精度相差0.001 mm，高于近期日常驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)。另外，設(shè)備運(yùn)行聲音正常，加工工件穩(wěn)定性、一致性良好。

（2）節(jié)省維修費(fèi)用和維修時(shí)間。

（3）自制工具。通過自制軸承拆卸工具，使工作過程受力均在其部件系統(tǒng)內(nèi)部，避免拆卸時(shí)動(dòng)力回轉(zhuǎn)頭與機(jī)床本體的位置公差的變化，同時(shí)保證其本身的形變、機(jī)床整體精度以及電絕緣性、潤滑油霧、水冷系統(tǒng)的密封性。

（4）提高設(shè)備利用率，確保生產(chǎn)計(jì)劃節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。

（5）提升維修人員的維修技能，部分人員掌握了對高精設(shè)備及電驅(qū)動(dòng)主軸的維修方法。

（6）逐步建立完善維修工作工藝，完善了維修工裝、工具。