直聯式主軸松刀缸漏油分析及對策
2023-2-20 來源： 通用技術集團大連機床股份有限責任公司 作者：荊立萍 周吉貞
摘要: 直聯式主軸的松刀缸發現漏油現象。對其工作原理進行了論述，結合生產現場的實際情況分析了產生漏油的原因，并制定切實可行的技術改造方案，最終解決了漏油問題，為業內直聯主軸松刀缸漏油解決提供參考。
直聯式主軸是數控機床行業常用的一種主軸，它是由聯軸器直接將電動機和主軸單元相聯，對比皮帶傳動主軸省去了中間傳動環節，具有傳輸功率損耗小、噪音低、振動小、靈活性高的特點。直聯式主軸大大提高了數控機床鉆孔、攻絲的效率及質量，實現了高速加工，成就了鉆攻中心的時代。
松刀油缸是直聯式主軸關鍵核心部件之一，它的故障率直接影響到主軸乃至機床的可靠性。直聯主軸的油缸是一個多功能集成的復雜結構油缸，具有松刀作用的同時，兼備動作指令發出、油和氣路輸入等作用。油缸結構的復雜性決定了它的易損、多故障，其中漏油故障，一直以來是直聯式主軸的頑疾。機床在工作過程中，油缸頻繁的執行松拉刀動作，經常會出現油缸漏油現象，造成油缸失效。為了解決油缸漏油問題，我們從松刀油缸工作原理入手，對油缸結構及密封件進行分析，結合漏油的實際狀況，查找漏油原因，制定相應的技術改進方案。該方案經過在小型立式加工中心機床的應用，達到了預期效果。
1. 主軸概況及松刀缸工作原理
此油缸應用的主軸，主要由支撐部分、驅動部分和換刀部分等組成。換刀組件要完成拉刀和松刀兩種動作。拉刀由碟簧和拉桿共同實現，松刀是由油缸壓力油實現。該主軸的油缸主要針對于 BT40 刀柄換刀，需要拉刀力 8000N，松刀力15000N 以上，工作行程 6mm 以上 , 承受油壓5MPa 以上，換刀速度 5s。
油缸主要零件包括活塞、缸體、油缸蓋和密封圈等，如圖1所示。油缸蓋與缸體通過螺栓聯接，然后整體固定連接到主軸體上。油缸體上有兩路油孔，壓力油推動活塞沿主軸軸線方向進行反復的軸向運動。油缸右側進油，活塞在油壓力的驅動下向左端運動接觸到拉桿，推動拉桿繼續向左一直壓縮彈簧，最終由油缸體硬限位。拉桿帶動拉抓完成張開動作，實現松刀動作，油缸蓋和活塞上的氣路聯通，觸發油缸體上的傳感器，發出松刀信號，打開氣閥，通入壓縮空氣，進行錐孔吹氣。反之左側油缸進油，推動活塞右移，與此同時彈簧彈性復位推動拉桿向右，拉抓收縮拉緊刀柄，觸發油缸體上的傳感器，發出拉刀信號，活塞在油壓的作用下繼續向右運動，最終靠到油缸蓋上，觸發油缸蓋上的傳感器，發出活塞復位信號，主軸旋轉。
2. 松刀缸的設計
該油缸的要求也比較高，要滿足成本低、批量大、結構小、行程小、在沖擊力和頻繁換刀的工況下可靠工作，還要兼顧便于安裝和調試的需求等。
O 型圈和星型圈可以很好地滿足以上要求，尤其是對于批量大的主軸油缸產品非常具有應用價值。兩種密封圈應用領域相似，大部分技術參數相同，但是因為截面形狀不同，星型圈在動密封性能方面更具有優勢。星型密封圈是一種自緊密封型的雙作用密封元件，采用四唇口密封，形狀類似 X，特殊的星型截面使其在往復運動時，不會在溝槽內發生滾動和扭曲，而且需要的徑向預壓縮比較小，有較好的壓力分布，產生的摩擦力較小，磨損量小，壽命長。星型圈密封唇之間形成了潤滑容腔，可以改善啟動狀況，適合動密封，見圖 2。
圖 2
此油缸的密封結構共有四處密封，1 處靜密封處采用 O 形圈，3 處動密封處采用星形圈和擋圈結構。
該油缸在油缸蓋與油缸體的徑向密封處選用 O型圈靜密封。O 型圈是一種雙向密封元件，初始安裝壓縮量決定了 O 型圈的初始密封能力。油缸蓋和油缸體設計需要考慮從 O 型圈的選型和具體零件結構設計兩方面綜合考慮。O 型圈選型具體包括應用條件評估、材料選擇、初始壓縮量和徑向間隙等。零件設計包括溝槽設計和安裝倒角等。該油缸的應用條件見表 1。
表 1
根據應用條件選擇橡膠材料 NBR70，此種材料具有良好的耐油性，廣泛的工作溫度范圍，整體性能優良。O 型圈的初始壓縮量為壓縮尺寸與密封圈橫截面的比值。允許徑向間隙取決于系統壓力、橫截面和材料硬度，見表 2。
表 2
從零件特點和工藝性考慮，采用活塞式密封結構，便于加工和測量。具體結構見圖 3。
圖 3
此三處動密封決定了油缸的主要性能，包括活塞與缸體處密封，活塞與缸體的內腔密封和活塞與缸體蓋處的密封。星型圈是自緊密封型密封元件，密封能力主要受系統壓力和壓縮量共同影響。星型圈選用除了考慮 O 型圈選用的因素，還要考慮動密封引起的新的限制參數、線速度和零件的表面處理（見表 3），具體結構見圖 4。
表 3
圖 4
在主軸實際工作時，出現液壓缸漏油、燒著、密封圈磨損等現象。一般都是從活塞偏心和密封圈失效進行分析。工作時活塞受到的是復雜變化的力，拉桿的彈簧彈力、氣壓力、重力作用、油壓力等多種作用力導致偏心。在安裝時，活塞需要經過油缸蓋和缸體共三處的內孔進行徑向定位，由于不同零件的加工誤差和安裝等因素導致活塞偏心。活塞長期在油缸內作往復運動，導致活塞的接觸部位存在不同程度的磨損，間隙變大，造成活塞偏心?，F具體現象分別列舉如下。
實例 1: 油缸多次打刀后，在油缸蓋和活塞接觸處發現明顯漏油現象。
實例 2: 在活塞復位時，在活塞外表面發現密封圈的黑色顆粒狀物體。
以上兩種現象大部分原因是實際密封間隙大、密封圈失效和零件磨損等?？砂凑杖缦虏襟E進行排查找出主要原因。
（1）油缸體，活塞等各零件尺寸，形位公差，粗糙度和密封圈尺寸是否合格，這些都可以造成密封間隙大引起漏油的現象。
（2）油缸各部件是否清潔干凈，油缸體里是否有雜質顆粒等，缸體的雜質顆粒會造成缸體過渡磨損，引起密封間隙變大。
（3）檢查裝配過程中，是否有劃傷密封圈，零件劃傷等現象。
實例 3: 拆卸油缸后，發現活塞徑向局部有磨損光痕，活塞與拉桿接觸部分，發現燒傷性溝痕。
造成部件的燒傷故障和磨損故障，一般是尺寸鏈干涉和受力不均所致，解決此類問題方法可按如下步驟進行。
（1）檢查所有尺寸鏈上相關尺寸是否超差，尤其是裝配鏈上的尺寸。
（2）檢查油缸和拉桿裝配時是否偏心。
（3）檢查零件上具體磨損部位，具體分析受力情況。
4. 漏油的解決方法
（1）增加耐磨環。在油缸蓋上徑向增加寬為10mm 的耐磨環。耐磨環具有精確的導向作用，并可吸收徑向力，同時，耐磨環可防止液壓缸內滑動部件的金屬接觸。良好的耐磨性，避免金屬間的接觸，且能抑制機械震動。耐磨環還具有對中作用，允許配合件之間有較大的徑向間隙，便于裝配。
（2）油壓進口位置更改。油缸體上油口由徑向入口改為油缸蓋上的軸向入口，并且在油缸蓋上增加緩沖腔。這個措施可以改變油壓口進油一瞬間對活塞的沖擊力方向，減小了活塞的顛覆力矩，使活塞在運動過程中，不偏心。
（3）發令環尺寸縮小。油缸蓋上的密封圈裝配時，需要穿過活塞的發令環和空刀槽部位，會經過兩次的擠壓有被損傷的風險，優化設計后減小發令環徑向尺寸，使密封圈只經過一次的擠壓，并且在裝配時增加潤滑劑，進一步保護密封圈。
（4）嚴格做好產品質量管理。加強各零部件檢查工作，規范清潔工序，規范現場操作，例如使用符合清潔度及干燥度要求的氣源和清洗劑進行部件清洗，安裝活塞時添加潤滑脂減少摩擦等。
5. 結束語
經過對該油缸的技術改造后，解決了油缸泄漏的問題，提高了油缸可靠性，為同行解決類似問題提供了借鑒。
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