数控加工中心主轴部件在机械加工中的应用及维护

乔婷婷

摘要：文中以主轴为研究对象，介绍了主轴的工作原理，普通主轴及电主轴的典型结构，对维修中遇到的主轴故障进行分析。对直接依赖于高速精密轴承技术，依赖于高度机电一体化高速电机与驱动技术的电主轴的后期维护，从油气润滑与冷却技术方面进行阐述。

关键词：数控加工;主轴电主轴;故障分析;维护保养

中图分类号：G353.1

文献标识码：A文章编号：2095-6487（2019）02-0097-02

0引言

数控机床在国民经济各个领域中广泛应用，将高效、高精度和高柔性集为一体，数控机床是一个国家技术水平和综合实力的集中体现。主轴是数控机床加工中实现高速高效的重要动力部件，是高速数控加工机床的“心脏”，其性能直接影响数控机床的整机特性和加工产品的质量。

1加工中心主轴基本结构

主轴结构随主轴系统设计要求的不同而有多种形式。加工中心的主轴结构除了基本机构之外，还有它的一些特有的结构要求，比如，道具的自动夹紧装置，主轴准停装置等等。数控加工中心所使用的主轴可以分为两类，一类是普通的伺服电机带动的主轴，一类是电主轴。

1.1普通加工中心所使用的主轴及其结构

主轴的主要尺寸参数包括：主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。决定主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴部件的工艺适用范围。

1.2主轴的主要尺寸参数

①主轴直径：主轴直径越大，其刚性越高，但轴承和主轴上其他零件的尺寸也相应增大。主轴后端支承轴颈的直径一般为前支承轴颈的0.7～0.8倍，实际尺寸要到主轴组件设计时确定”。

②主轴内孔直径：主轴内孔是用来通过棒料及刀具夹紧装置，也可用于通过气动、液压卡盘的联结件。

③悬伸长度：主轴的悬伸长度与主轴前端结构的形状尺寸、前轴承的类型和组合方式及轴承的润滑与密封有关。

④支承跨度：跨距对主轴部件综合刚度的影响不是单向的。如跨距较大，则主轴变形较大;如跨距较小，则轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。

1.3主轴端部的结构形式

主轴端部的结构与其需实现的功能有关，加工及装配的工艺性也是影响其形状的因素。

主轴端都是用来安装刀具或夹持工件的夹具，在设计上，应能保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴端部的结构已标准化[2]。

1.4电主轴的结构简述

電主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。电动机的转子直接作为机床的主轴，主轴单元的壳体就是电动机机座，并且配合其他零部件，实现电动机与机床主轴的一体化。

1.5电主轴结构

电主轴由无外壳电机、主轴、轴承、主轴单元壳体、驱动模块和冷却装置等组成。电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支承。电机的定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。主轴的变速由主轴驱动模块控制，而主轴单元内的温升由冷却装置限制。在主轴的后端装有测速、测角位移传感器，前端的内锥孔和端面用于安装刀具3。

2加工中心主轴故障举例

故障现象：执行换刀指令时，执行到N3G91G30P2Z0;N4M19;时宏程序停止，主轴一直处于旋转状态。

排除过程：为了执行主轴定位或者换刀，必须将机床主轴在回转的圆周方向定位于某一个转角上，作为动作的基准点。FANUC系统提供了3种方法：位置编码器定向，磁性传感器定向，外部一转信号定向。

定位过程如下：

（1）PMC向主轴驱动器发送主轴定位指令，同时串行主轴的转向控制信号SFRN为0。

（2）串行主轴在接收到定位指令ORCMN后，分两种情况处理。①如果主轴原来处于旋转状态，则立即按参数4003.24003.3规定的定位方向减速到参数4008设定的定向速度，定位到参数4031设定的位置（确保告诉定位功能有效的情况下）。②如果主轴原来处于停止位置，则立即按照参数4003.24003.3规定的定位方向加速到参数4008设定的定向速度，定位到参数4031设定的位置。

（3）到达定向位置后，主轴驱动器向PMC发送定

向完成信号ORARN，并且保持位置闭环状态。

（4）PMC在收到主轴定向完成信号后方可执行其他指令。最后在刀具交换完成后撤销定位指令。

该机床属于外部一转信号定向，由磁感应接近开关进行定位检测。梯形图如下：

其中M19为主轴定向指令，F45.1为零速信号，M03主轴正转，M04主轴反转，M05主轴停止，F1.1复位信号。G70.6为主轴定向信号。对M19完成译码后就可以对G70.6进行置位，同时要求M03，M04，MO5，F1.1都为“0”状态。经查看PMC发现为F45.1无效，检查感应开关，发现己内部短路，更换后正常。

3加工中心电主轴的油气润滑与冷却技术

由于电主轴将电机集成于主轴单元中，且转速很高，运转时会产生大量热量，引起电主轴温升，使电主轴的热态特性和动态特性变差[4，从而影响电主轴的正常工作。因此，必须采取一定措施控制电主轴的温度，使其恒定在一定值内。机床目前一般采取强制循环油冷却的方式对电主轴的定子及主轴轴承进行冷却，即将经过油冷却装置的冷却油强制性地在主轴定子外和主轴轴承外循环，带走主轴高速旋转产生的热量。另外为了减少主轴轴承的发热，也有采用专用冷却剂的方式，循环带走热量，同时必须对主轴轴承进行合理的润滑（陶瓷轴承不需要加润滑油）。

4结束语

推动数控加工技术在制造加工行业的普及性，必须依托于具有高效率、高精密度且综合性能优良的复合数控加工中心。主轴作为数控加工中心的关键核心零部件之一，其性能的可靠性与稳定性直接影响着机械加工制造企业的加工效率和经济效益。因此，对主轴系统的性能分析和对其结构的熟悉，包括主轴投入使用后的后期维保，就显得至关重要，这是很长一段要走的路。

参考文献

[1]张瑜胜.电主轴在数控机床中的应用[J].机械管理开发，2011（1）：137-138.

[2]王先逵制造技术的未来[J].中国机械工程，1994（5）：27-28.

[3]李彦.数控机床高速电主轴技术及应用[J].电器工业，2010，（8）：64-66.

[4]戴玲.浅谈高速切削加工技术及应用[J].科学大众（科学教育），2011（11）：136.