加工中心電主軸結(jié)構(gòu)分析及典型故障修理
2021-7-27 來(lái)源： 中國(guó)航發(fā)貴州黎陽(yáng)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(tái)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(wú)級(jí)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(kāi)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(guò)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(guò)調(diào)整碟簧拉桿后面的預(yù)緊螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)，拉緊力的調(diào)整要適當(dāng)，過(guò)松刀具易松動(dòng)，過(guò)緊碟簧易損壞。
（2）刀具松開(kāi)液壓油缸部件。刀具松開(kāi)液壓油缸部件是用來(lái)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(duì)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(kāi)液壓油缸上部的組合式液氣控制閥來(lái)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(kāi)有冷卻液通路，主軸內(nèi)部的冷卻液通過(guò)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(guò)刀具松開(kāi)液壓油缸上部的組合式液氣控制閥來(lái)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(cè)傳感器，刀具冷卻噴淋管路，軸承油霧潤(rùn)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(zhǎng)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(duì)電機(jī)的過(guò)流過(guò)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(guò)流過(guò)載能力。增加了水冷卻裝置，對(duì)主軸的密封性要求也提高了。
（2）主軸速度檢測(cè)傳感器。此電主軸的速度反饋是通過(guò)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(lái)檢測(cè)，碼盤的每個(gè)齒經(jīng)過(guò)磁性傳感器的檢測(cè)面時(shí)傳感器發(fā)出1 個(gè)脈沖信號(hào)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)通過(guò)主軸伺服控制器的處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)來(lái)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(guò)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(duì)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(rùn)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(duì)潤(rùn)滑要求較高。此電主軸在設(shè)計(jì)上采用了油霧潤(rùn)滑方式，潤(rùn)滑油在油霧發(fā)生器中與壓縮空氣充分混合，通過(guò)管路輸
送到各軸承的滾動(dòng)體上，使軸承得到充分潤(rùn)滑及冷卻。同時(shí)在設(shè)計(jì)上對(duì)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(tīng)到主軸發(fā)出異常聲音，隨后機(jī)床自動(dòng)停機(jī)，打開(kāi)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(cè)量回路電流絕對(duì)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(duì)地電阻為零，決定對(duì)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(guó)西門子公司產(chǎn)品，如購(gòu)買原廠備件要 3~4 個(gè)月的定貨周期，最終由國(guó)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(cè)齒盤的間隙，但沒(méi)有好轉(zhuǎn)。與操作者溝通了解到該主軸近來(lái)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(cè)排除了測(cè)量方法和其他各軸的影響后，判定可能是主軸軸承有問(wèn)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(tái)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(duì)內(nèi)部的 3 個(gè)軸承進(jìn)行分解，但對(duì)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(wú)法拆開(kāi)。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(guò)盈量達(dá) 0.1 mm，軸向需用 2000 kg 的力才能拆開(kāi)，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(guò)專用接頭注入方可拆下，通過(guò)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(guò)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(duì)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(guò)幾天認(rèn)真仔細(xì)的操作終于將軸承更換完畢。
3、 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)這次 SAJO10000 電主軸軸承的更換，增強(qiáng)了對(duì)電主軸機(jī)床的認(rèn)識(shí)，為今后電主軸的修理積累了經(jīng)驗(yàn)。
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