加工中心電主軸結(jié)構(gòu)分析及典型故障修理
2021-7-27 來源： 中國航發(fā)貴州黎陽航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 作者：黃智勇，劉志勇
摘要：敘述 SAJO10000 加工中心電主軸的機(jī)械及電氣結(jié)構(gòu)，分析各組成部分和功用，列舉兩個(gè)維修實(shí)例。
關(guān)鍵詞：電主軸；結(jié)構(gòu)；故障維修
0 引言
SAJO10000 加工中心為瑞典薩耀公司生產(chǎn)的 5 軸聯(lián)動(dòng)加工中心，機(jī)床的精度及自動(dòng)化程度高，機(jī)床尺寸大，工作臺尺寸1000×1000，各軸行程：X=1600，Y=1500，Z=1750，A=0°~110°，B=0°~360°。該設(shè)備使用方便，加工能力強(qiáng)。特別是它的主軸為電主軸，即主電機(jī)的轉(zhuǎn)子即為機(jī)床的主軸，是目前較為先進(jìn)的一種主軸結(jié)構(gòu)。電主軸機(jī)械電器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度非常高，其電器控制能力技術(shù)含量高，主軸可實(shí)現(xiàn) 0~6000 r/min 的無級調(diào)速，其轉(zhuǎn)速控制非常精確，可實(shí)現(xiàn)軸聯(lián)動(dòng)攻絲、加工高精度螺紋等作業(yè)。
1、加工中心電主軸結(jié)構(gòu)
SAJO10000 加工中心電主軸的結(jié)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成（圖 1）。
圖1 SAJO10000 加工中心電主軸結(jié)構(gòu)
1.1 轉(zhuǎn)子
轉(zhuǎn)子部分包括：刀具碟簧拉緊部件，刀具松開液壓油缸部件，主軸內(nèi)錐空氣清潔裝置，刀具的內(nèi)部冷卻供水裝置等。
（1）刀具碟簧拉緊部件。刀具碟簧拉緊部分的作用是將主軸上的刀具牢牢固定在主軸錐孔上，由數(shù)組碟簧通過預(yù)緊螺母及拉桿帶動(dòng) 1 個(gè)可伸縮的 4 爪拉緊鉤，鉤住刀具尾錐后部的拉釘，使刀具緊緊固定在主軸上。刀具拉緊力可通過調(diào)整碟簧拉桿后面的預(yù)緊螺母來實(shí)現(xiàn)，拉緊力的調(diào)整要適當(dāng)，過松刀具易松動(dòng)，過緊碟簧易損壞。
（2）刀具松開液壓油缸部件。刀具松開液壓油缸部件是用來反向推動(dòng)碟簧使刀具與主軸分離，此液壓缸體積小，工作油壓較高，達(dá)到 15 MPa，對油缸的質(zhì)量要求較高。
（3）主軸內(nèi)錐空氣清潔裝置。主軸內(nèi)錐空氣清潔裝置的作用是在主軸換刀的同時(shí)從主軸內(nèi)部吹出壓縮空氣，清潔主軸內(nèi)錐面，保證刀具定位準(zhǔn)確、拉緊可靠。壓縮空氣的吹出由安裝于刀具松開液壓油缸上部的組合式液氣控制閥來控制。
（4）刀具的內(nèi)部冷卻供水裝置。刀具的內(nèi)部冷卻供水裝置專用于主軸內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的設(shè)備，其刀具的中心部位開有冷卻液通路，主軸內(nèi)部的冷卻液通過此通路直接噴淋到刀具與零件的接觸面，達(dá)到極佳的冷卻效果。加工中可以采用較高的主軸轉(zhuǎn)速和較大的進(jìn)給量，大大提高生產(chǎn)率。主軸中心部位的冷卻液也是通過刀具松開液壓油缸上部的組合式液氣控制閥來控制實(shí)現(xiàn)。
1.2 定子
定子部分包括：定子線圈及定子線圈冷卻水循環(huán)裝置，主軸速度檢測傳感器，刀具冷卻噴淋管路，軸承油霧潤滑及循環(huán)水冷卻裝置等。
（1）定子線圈。此電主軸的定子線圈裝在一長方體殼體內(nèi)，與 A 軸連成一體并隨 A 軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。其上裝有電機(jī)電纜，在電機(jī)電纜內(nèi)裝有 2 組熱保護(hù)傳感器，對電機(jī)的過流過載起到很好的保護(hù)作用。此電機(jī)功率較大，電機(jī)定子線圈發(fā)熱較大，通常的風(fēng)冷散熱方式滿足不了要求。在設(shè)計(jì)上廠家采取了定子線圈殼體外加循環(huán)水的冷卻方式，大大提高了散熱效果。電機(jī)線圈產(chǎn)生的熱量能夠很快被帶走，進(jìn)一步提高了電機(jī)的過流過載能力。增加了水冷卻裝置，對主軸的密封性要求也提高了。
（2）主軸速度檢測傳感器。此電主軸的速度反饋是通過安裝在主軸轉(zhuǎn)子上的齒形碼盤和位于電機(jī)定子端蓋上的磁性傳感器來檢測，碼盤的每個(gè)齒經(jīng)過磁性傳感器的檢測面時(shí)傳感器發(fā)出1 個(gè)脈沖信號，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)通過主軸伺服控制器的處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號來控制主軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，同時(shí)將主軸的狀態(tài)反饋給數(shù)控系統(tǒng)。
（3）刀具冷卻噴淋管路。刀具冷卻噴淋管路通過定子殼體將冷卻液直接輸送到主軸刀具兩側(cè)的 6 個(gè)噴嘴，對主軸上的刀具進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。此設(shè)計(jì)比一般的機(jī)床冷卻液注入量大很多，從而減小刀具磨損及工件熱變形。
（4）軸承油霧潤滑。該電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子殼體靠一組 5 個(gè)精密的軸承安裝支撐，軸承為7020ACD/P4A，轉(zhuǎn)子軸前端安裝 3 個(gè)軸承，后端 2 個(gè)軸承。這組軸承的轉(zhuǎn)速高、負(fù)荷大，特別是前部的3 個(gè)軸承，對潤滑要求較高。此電主軸在設(shè)計(jì)上采用了油霧潤滑方式，潤滑油在油霧發(fā)生器中與壓縮空氣充分混合，通過管路輸
送到各軸承的滾動(dòng)體上，使軸承得到充分潤滑及冷卻。同時(shí)在設(shè)計(jì)上對前部的 3 個(gè)軸承安裝座采用了循環(huán)水冷包強(qiáng)制冷卻，又進(jìn)一步保證了軸承的良好工作狀態(tài)。
2、電主軸典型故障的修理
2.1 電主軸進(jìn)水定子線圈燒壞故障
該機(jī)床在加工零件時(shí)，操作者聽到主軸發(fā)出異常聲音，隨后機(jī)床自動(dòng)停機(jī)，打開工作門，發(fā)現(xiàn)主軸與 A 軸相接處冒出白煙，散發(fā)出焦糊味。這期間顯示功率輸出已達(dá) 99﹪，出現(xiàn)了主軸伺服故障、主軸伺服測量回路電流絕對值錯(cuò)誤報(bào)警。
關(guān)機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)主電機(jī)三相線圈對地電阻為零，決定對主電機(jī)進(jìn)行拆卸。當(dāng)取下電機(jī)上部端蓋時(shí)發(fā)現(xiàn)有水汽和煙灰的混合物噴附在電機(jī)的上端蓋，電機(jī)的三相繞組出線處已燒焦，定子內(nèi)腔壁已銹蝕，用吊車取下電機(jī)轉(zhuǎn)子后，在定子線圈的下部有很多積水。拆下主軸下端冷卻水循環(huán)盤時(shí)，發(fā)現(xiàn)其上部有一個(gè)帶密封墊圈的 M5 內(nèi)六角螺釘頭部已斷掉，密封墊圈失去密封性，冷卻水滲到電機(jī)內(nèi)造成電機(jī)損壞。此電機(jī)為德國西門子公司產(chǎn)品，如購買原廠備件要 3~4 個(gè)月的定貨周期，最終由國內(nèi)專業(yè)廠家在一周內(nèi)重新繞制完成。裝配后試機(jī)，電主軸工作正常。
2.2 電主軸軸承的更換
該機(jī)床在運(yùn)行中出現(xiàn)電主軸編碼器錯(cuò)誤報(bào)警。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整了編碼器與檢測齒盤的間隙，但沒有好轉(zhuǎn)。與操作者溝通了解到該主軸近來振動(dòng)有點(diǎn)大，加工孔的光度不好。檢查主軸的靜態(tài)精度，徑向跳動(dòng)在 0.02~0.04 mm、軸向跳動(dòng)在0.05~0.08 mm，在檢測排除了測量方法和其他各軸的影響后，判定可能是主軸軸承有問題，決定進(jìn)行拆卸更換。
此電主軸比較重，電機(jī)約有 300 kg，拆卸需多人合作。特別是在分解轉(zhuǎn)子軸時(shí)要將整個(gè)電機(jī)落穩(wěn)在工作臺的墊鐵座上，人爬到 4 m 多高的機(jī)床上部，手盤 Y 軸絲杠將電機(jī)定子殼體向上移出，才能將電機(jī)軸轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子前部的軸承安裝殼體拆下。拆下了電機(jī)軸轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子前部的軸承安裝殼體后要對內(nèi)部的 3 個(gè)軸承進(jìn)行分解，但對照機(jī)械圖用常規(guī)方法進(jìn)行拆卸時(shí)發(fā)現(xiàn)固定軸承的前端壓緊端蓋無法拆開。后咨詢廠家得知，該處軸承前端壓緊端蓋的內(nèi)孔與軸的過盈量達(dá) 0.1 mm，軸向需用 2000 kg 的力才能拆開，拆卸有很大風(fēng)險(xiǎn)。此機(jī)床在軸承壓緊端蓋上設(shè)計(jì)了拆卸專用油壓空腔，用高壓手壓泵將高壓油通過專用接頭注入方可拆下，通過計(jì)算高壓油壓要達(dá)到 50 MPa 左右。為此設(shè)計(jì)制作了專用接頭，在四五個(gè)人的配合下終于將其拆出。
通過檢查，軸承已明顯磨損。更換新軸承時(shí)預(yù)先加熱軸承，避免影響新軸承精度又便于安裝，特別在加熱安裝固定軸承的前端壓緊端蓋時(shí)，對加熱溫度進(jìn)行了仔細(xì)計(jì)算，結(jié)合有效施控軸承預(yù)緊力，通過幾天認(rèn)真仔細(xì)的操作終于將軸承更換完畢。
3、 結(jié)語
通過這次 SAJO10000 電主軸軸承的更換，增強(qiáng)了對電主軸機(jī)床的認(rèn)識，為今后電主軸的修理積累了經(jīng)驗(yàn)。
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