數(shù)控磨床電主軸典型故障分析與排除方法

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序言數(shù)控拉刀磨床專用電主軸出現(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。與制造商聯(lián)系，其暫不提供技術(shù)支持，需采購(gòu)新備件，周期為16周，費(fèi)用30萬(wàn)元。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；專用電主軸的裝配、調(diào)試方案及專用調(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。2

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。圖1電主軸電動(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。圖2電主軸局部機(jī)械結(jié)構(gòu)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?；瑒?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。圖3轉(zhuǎn)子軸組成圖4

軸Ⅰ零件組成（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?？招妮S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）摸索專用電主軸的裝配方法，并配做專用調(diào)整工具。圖5

軸套零件圖圖6

調(diào)節(jié)螺母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?；瑒?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)。圖7

空心軸與軸套裝配圖8

凸緣和與之配合的凹槽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（0.25～0.5m