浅析高精数控机床主轴维修

2024-03-20程永丰刘亚玲

设备管理与维修 2024年4期

程永丰，刘亚玲

（河北第二机械工业有限公司，河北石家庄 050031）

1 主轴市场的需求分析

1.1 高转速需求

随着质量强国战略的提出，对产品质量特性的要求，国家标准、规范相关的要求越来越高。在机械、航空、航天、军工、化工、矿山等领域，对产品的可靠性、安全性、测试性、维修性、保障性和环境适应性提出越来越高的要求，对应的技术规范、工艺规程标准也越来越高。根据工件光洁度、加工效率的要求，客户对机床高速稳定运行随之提出高要求；随着刀具表面涂层技术、刀具合金技术、刀具整体加工技术的进步，高速切屑刀具日渐成熟，大功率高速电主轴、放大驱动模块以及数字化控制系统和防护、报警系统等技术的日渐成熟，机床主轴高速运行成为行业发展的必然发展方向，知名机床制造企业争相开发运用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展进程。不同品牌的机床，均配备有高转速的机床主轴（图1、图2）。

图1 高速双端数控机床

图2 高精度数控机床

1.2 静态特性需求

（1）无变形或微变形。在不运转时，主轴除了承受自身质量之外，前端会承受卡盘、工装、工件的质量，后端承受液压缸、皮带轮、拉杆等部件的质量，同时还承受安装自身、卡盘等部件的系统内部应力。受外部环境温度变化的影响，为达到机床加工时的稳定性，整个主轴系统要求无变形。这就要求合理选用主轴材料与加工工艺、热处理工艺及装配工艺方法、技术等，以保证主轴静态无变形、无应力的要求。

（2）高精度。数控机床组装、安装完成之后，所需的静态轴向窜动、回转跳动、与导轨的平行度等，应符合国家、行业、企业的标准要求，同时重点考虑客户的专项要求。

1.3 动态特性要求

（1）固有频率。由于机床主轴组成、结构的特点，各回转部件质点必然存在不同心、不同线的情况，因此主轴在不同转速旋转时必然会产生不同频率的振动。由于主轴自身存在一个固有频率，当旋转产生的频率与固有频率相同或成倍数时，振动必然放大，这将严重影响工件的表面光洁度和其他表面质量。因此，机床动平衡测试成为机床安装后需要测试的重要项目之一。

（2）临界转速。当机床主轴运转在特定转速形成的频率与固有频率一致时，产生的振动最为强烈，甚至造成部件的损害，这个问题在主轴维修、装配时需要特别关注。另外，在拆卸、安装过程中，应严格按照装配工艺要求执行，避免敲打、撞击造成个别受力部位变形，造成动态平衡的破坏，加大固有频率的范围。

（3）动态响应。高速机床主轴在运行时，应具有较好的启动、制动、受力切削、螺纹车削的良好响应特性，这需要主轴有很好的刚性、动平衡和良好的惯性指标。

1.4 快速、经济维修的需求

高精设备主轴一般结构为预装免维护式，主轴轴承精度、价格高，动辄数万元。设备主轴出现故障的原因，一般是轴承长期使用后造成的，且设备主轴处，设备生产厂家粘贴不得拆卸的警示标识。由于设备本身价值较高，如长时间停机，不仅设备的时间磨损较大，另外高精设备一般担负关键、精密零部件的加工任务，出现故障后将大大影响生产进度。一般返厂维修时间是，在不包括往返运输时间外的15 个工作日，总体时间在20 个工作日左右；维修费用，不包括现场拆装，维修费数万元，并且售后人员来现场无手段修复，须返厂维修；部分设备部件返厂维修时间为3 个月。在高精设备普遍使用的情况下，进行自主维修势在必行。机床故障主要表现以下4 个方面：①主轴运行时声音、温度异常；②工件表面光洁度超差、刀痕杂乱；③工件切削时振刀；④工件尺寸、外观形状等异常。

2 解决措施

故障解决的一般流程为：首先，根据图纸和实物，掌握主轴的结构、构成材料性能（图3、图4）；然后分析主轴的原理、结构，轴承安装注意事项等；最后制作专用工具来解除故障。

图4 高精数控车床主轴结构

2.1 主轴的原理、结构

2.1.1 滚动轴承的间隙量

轴承间隙与主轴组件的静态刚度成反比，组件刚度最大时，是轴承在零间隙附近。然而，主轴组件动态特性与轴承间隙量之间的关系却较复杂。在主轴前端装夹处激振时，轴端的共振频率与轴承间隙减小成反比，但轴端共振幅值却具有最小值。不适合的间隙量会造成主件动态特性的下降，若间隙量过大，这是因静态刚度较低所造成；若间隙量过小（即过盈量过大），则是因阻尼减小所造成。

主轴轴承在安装时，轴承由锁紧螺母施加轴向锁紧力，来调整轴承内外环与滚珠（滚柱）之间的间隙，和各零件、部件之间形成工作系统。当锁紧力较小时，轴承将工作在较大间隙会造成主轴径向或轴向的窜动、跳到，而直接影响零件的加工尺寸和精度。此时轴承的受力区域也相应减小，负载主要作用于受力方向的个别滚动体上，造成负荷未完全分布在应受力的全部轴承区域上，引起轴承振动而发热和磨损的加剧，从而缩短使用周期。由于轴承装配紧固力相对较小，各零件之间相对松散，抗振性能必然削弱。当锁紧力使轴承各零件之间零间隙时，受力面积将增大，滚珠与轴承内、外圈滚道理论上全部可靠接触，形成封闭的圆环点、线接触，主轴的回转精度、抗振性能的效果较好。当锁紧力使轴承各零件之间过盈配合时，滚珠、滚道产生微小弹性变形，与滚道的接触面积较零间隙时增大，使受力范围扩大到整个轴承内、外圈，则主轴组件的刚度和抗振性都能得到显著提高，但轴承易发生过热现象。因此，滚动轴承安装、调整过程中，调整、保持合理的间隙量，是保障主轴旋转精度基本条件，同时还应考虑阻尼比，以得到最佳的轴头共振幅度，理想的刚度、共振频率和动态加工精度。

2.1.2 滚动轴承的间隙量选择

主轴滚动轴承的最佳间隙量（或最佳预加载荷量）需要考虑机床的工作环境和轴承类型，根据积累的试验和生产经验加以确定。调整轴承间隙（或预加载荷）的一般原则是：对于高速、轻载或高精机床主轴组件，轴承间隙量可采用较大间隙，以便弥补主轴高速运转后的热膨胀，同时消除轴承间隙并起到附加载荷的从用；对于中低速、载荷较大或一般精度的机床主轴组件，轴承间隙量可采用其较小间隙，以便提高刚度和抗振性。通常球轴承比滚子轴承允许的预加载荷要大些，精度较高的轴承所允许的预加载荷也要大些。