數(shù)控加工中心主軸部件在機(jī)械加工中的應(yīng)用及維護(hù)

喬婷婷

摘要：文中以主軸為研究對(duì)象，介紹了主軸的工作原理，普通主軸及電主軸的典型結(jié)構(gòu)，對(duì)維修中遇到的主軸故障進(jìn)行分析。對(duì)直接依賴于高速精密軸承技術(shù)，依賴于高度機(jī)電一體化高速電機(jī)與驅(qū)動(dòng)技術(shù)的電主軸的后期維護(hù)，從油氣潤(rùn)滑與冷卻技術(shù)方面進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工;主軸電主軸;故障分析;維護(hù)保養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G353.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-6487（2019）02-0097-02

0引言

數(shù)控機(jī)床在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，將高效、高精度和高柔性集為一體，數(shù)控機(jī)床是一個(gè)國(guó)家技術(shù)水平和綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)。主軸是數(shù)控機(jī)床加工中實(shí)現(xiàn)高速高效的重要?jiǎng)恿Σ考歉咚贁?shù)控加工機(jī)床的“心臟”，其性能直接影響數(shù)控機(jī)床的整機(jī)特性和加工產(chǎn)品的質(zhì)量。

1加工中心主軸基本結(jié)構(gòu)

主軸結(jié)構(gòu)隨主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的不同而有多種形式。加工中心的主軸結(jié)構(gòu)除了基本機(jī)構(gòu)之外，還有它的一些特有的結(jié)構(gòu)要求，比如，道具的自動(dòng)夾緊裝置，主軸準(zhǔn)停裝置等等。數(shù)控加工中心所使用的主軸可以分為兩類，一類是普通的伺服電機(jī)帶動(dòng)的主軸，一類是電主軸。

1.1普通加工中心所使用的主軸及其結(jié)構(gòu)

主軸的主要尺寸參數(shù)包括：主軸直徑、內(nèi)孔直徑、懸伸長(zhǎng)度和支承跨距。決定主軸主要尺寸參數(shù)的依據(jù)是主軸的剛度、結(jié)構(gòu)工藝性和主軸部件的工藝適用范圍。

1.2主軸的主要尺寸參數(shù)

①主軸直徑：主軸直徑越大，其剛性越高，但軸承和主軸上其他零件的尺寸也相應(yīng)增大。主軸后端支承軸頸的直徑一般為前支承軸頸的0.7～0.8倍，實(shí)際尺寸要到主軸組件設(shè)計(jì)時(shí)確定”。

②主軸內(nèi)孔直徑：主軸內(nèi)孔是用來(lái)通過(guò)棒料及刀具夾緊裝置，也可用于通過(guò)氣動(dòng)、液壓卡盤的聯(lián)結(jié)件。

③懸伸長(zhǎng)度：主軸的懸伸長(zhǎng)度與主軸前端結(jié)構(gòu)的形狀尺寸、前軸承的類型和組合方式及軸承的潤(rùn)滑與密封有關(guān)。

④支承跨度：跨距對(duì)主軸部件綜合剛度的影響不是單向的。如跨距較大，則主軸變形較大;如跨距較小，則軸承的變形對(duì)主軸前端的位移影響較大。

1.3主軸端部的結(jié)構(gòu)形式

主軸端部的結(jié)構(gòu)與其需實(shí)現(xiàn)的功能有關(guān)，加工及裝配的工藝性也是影響其形狀的因素。

主軸端都是用來(lái)安裝刀具或夾持工件的夾具，在設(shè)計(jì)上，應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、聯(lián)接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。主軸端部的結(jié)構(gòu)已標(biāo)準(zhǔn)化[2]。

1.4電主軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤(rùn)滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置等。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直接作為機(jī)床的主軸，主軸單元的殼體就是電動(dòng)機(jī)機(jī)座，并且配合其他零部件，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。

1.5電主軸結(jié)構(gòu)

電主軸由無(wú)外殼電機(jī)、主軸、軸承、主軸單元?dú)んw、驅(qū)動(dòng)模塊和冷卻裝置等組成。電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用壓配方法與主軸做成一體，主軸則由前后軸承支承。電機(jī)的定子通過(guò)冷卻套安裝于主軸單元的殼體中。主軸的變速由主軸驅(qū)動(dòng)模塊控制，而主軸單元內(nèi)的溫升由冷卻裝置限制。在主軸的后端裝有測(cè)速、測(cè)角位移傳感器，前端的內(nèi)錐孔和端面用于安裝刀具3。

2加工中心主軸故障舉例

故障現(xiàn)象：執(zhí)行換刀指令時(shí)，執(zhí)行到N3G91G30P2Z0;N4M19;時(shí)宏程序停止，主軸一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

排除過(guò)程：為了執(zhí)行主軸定位或者換刀，必須將機(jī)床主軸在回轉(zhuǎn)的圓周方向定位于某一個(gè)轉(zhuǎn)角上，作為動(dòng)作的基準(zhǔn)點(diǎn)。FANUC系統(tǒng)提供了3種方法：位置編碼器定向，磁性傳感器定向，外部一轉(zhuǎn)信號(hào)定向。

定位過(guò)程如下：

（1）PMC向主軸驅(qū)動(dòng)器發(fā)送主軸定位指令，同時(shí)串行主軸的轉(zhuǎn)向控制信號(hào)SFRN為0。

（2）串行主軸在接收到定位指令ORCMN后，分兩種情況處理。①如果主軸原來(lái)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，則立即按參數(shù)4003.24003.3規(guī)定的定位方向減速到參數(shù)4008設(shè)定的定向速度，定位到參數(shù)4031設(shè)定的位置（確保告訴定位功能有效的情況下）。②如果主軸原來(lái)處于停止位置，則立即按照參數(shù)4003.24003.3規(guī)定的定位方向加速到參數(shù)4008設(shè)定的定向速度，定位到參數(shù)4031設(shè)定的位置。

（3）到達(dá)定向位置后，主軸驅(qū)動(dòng)器向PMC發(fā)送定

向完成信號(hào)ORARN，并且保持位置閉環(huán)狀態(tài)。

（4）PMC在收到主軸定向完成信號(hào)后方可執(zhí)行其他指令。最后在刀具交換完成后撤銷定位指令。

該機(jī)床屬于外部一轉(zhuǎn)信號(hào)定向，由磁感應(yīng)接近開關(guān)進(jìn)行定位檢測(cè)。梯形圖如下：

其中M19為主軸定向指令，F(xiàn)45.1為零速信號(hào)，M03主軸正轉(zhuǎn)，M04主軸反轉(zhuǎn)，M05主軸停止，F(xiàn)1.1復(fù)位信號(hào)。G70.6為主軸定向信號(hào)。對(duì)M19完成譯碼后就可以對(duì)G70.6進(jìn)行置位，同時(shí)要求M03，M04，MO5，F(xiàn)1.1都為“0”狀態(tài)。經(jīng)查看PMC發(fā)現(xiàn)為F45.1無(wú)效，檢查感應(yīng)開關(guān)，發(fā)現(xiàn)己內(nèi)部短路，更換后正常。

3加工中心電主軸的油氣潤(rùn)滑與冷卻技術(shù)

由于電主軸將電機(jī)集成于主軸單元中，且轉(zhuǎn)速很高，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，引起電主軸溫升，使電主軸的熱態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性變差[4，從而影響電主軸的正常工作。因此，必須采取一定措施控制電主軸的溫度，使其恒定在一定值內(nèi)。機(jī)床目前一般采取強(qiáng)制循環(huán)油冷卻的方式對(duì)電主軸的定子及主軸軸承進(jìn)行冷卻，即將經(jīng)過(guò)油冷卻裝置的冷卻油強(qiáng)制性地在主軸定子外和主軸軸承外循環(huán)，帶走主軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量。另外為了減少主軸軸承的發(fā)熱，也有采用專用冷卻劑的方式，循環(huán)帶走熱量，同時(shí)必須對(duì)主軸軸承進(jìn)行合理的潤(rùn)滑（陶瓷軸承不需要加潤(rùn)滑油）。

4結(jié)束語(yǔ)

推動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)在制造加工行業(yè)的普及性，必須依托于具有高效率、高精密度且綜合性能優(yōu)良的復(fù)合數(shù)控加工中心。主軸作為數(shù)控加工中心的關(guān)鍵核心零部件之一，其性能的可靠性與穩(wěn)定性直接影響著機(jī)械加工制造企業(yè)的加工效率和經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)主軸系統(tǒng)的性能分析和對(duì)其結(jié)構(gòu)的熟悉，包括主軸投入使用后的后期維保，就顯得至關(guān)重要，這是很長(zhǎng)一段要走的路。

參考文獻(xiàn)

[1]張瑜勝.電主軸在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā)，2011（1）：137-138.

[2]王先逵制造技術(shù)的未來(lái)[J].中國(guó)機(jī)械工程，1994（5）：27-28.

[3]李彥.數(shù)控機(jī)床高速電主軸技術(shù)及應(yīng)用[J].電器工業(yè)，2010，（8）：64-66.

[4]戴玲.淺談高速切削加工技術(shù)及應(yīng)用[J].科學(xué)大眾（科學(xué)教育），2011（11）：136.