加工中心電主軸結構分析及典型故障修理

黃智勇，劉志勇

（中國航發貴州黎陽航空發動機有限公司，貴州貴陽 550016）

0 引言

SAJO10000 加工中心為瑞典薩耀公司生產的5 軸聯動加工中心，機床的精度及自動化程度高，機床尺寸大，工作臺尺寸1000×1000，各軸行程：X=1600，Y=1500，Z=1750，A=0°～110°，B=0°～360°。該設備使用方便，加工能力強。特別是它的主軸為電主軸，即主電機的轉子即為機床的主軸，是目前較為先進的一種主軸結構。電主軸機械電器結構復雜，精度非常高，其電器控制能力技術含量高，主軸可實現0～6000 r/min 的無級調速，其轉速控制非常精確，可實現軸聯動攻絲、加工高精度螺紋等作業。

1 加工中心電主軸結構

SAJO10000 加工中心電主軸的結構主要由轉子和定子兩大部分組成（圖1）。

1.1 轉子

轉子部分包括：刀具碟簧拉緊部件，刀具松開液壓油缸部件，主軸內錐空氣清潔裝置，刀具的內部冷卻供水裝置等。

（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，由數組碟簧通過預緊螺母及拉桿帶動1 個可伸縮的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。刀具拉緊力可通過調整碟簧拉桿后面的預緊螺母來實現，拉緊力的調整要適當，過松刀具易松動，過緊碟簧易損壞。

（2）刀具松開液壓油缸部件。刀具松開液壓油缸部件是用來反向推動碟簧使刀具與主軸分離，此液壓缸體積小，工作油壓較高，達到15 MPa，對油缸的質量要求較高。

（3）主軸內錐空氣清潔裝置。主軸內錐空氣清潔裝置的作用是在主軸換刀的同時從主軸內部吹出壓縮空氣，清潔主軸內錐面，保證刀具定位準確、拉緊可靠。壓縮空氣的吹出由安裝于刀具松開液壓油缸上部的組合式液氣控制閥來控制。

（4）刀具的內部冷卻供水裝置。刀具的內部冷卻供水裝置專用于主軸內冷結構的設備，其刀具的中心部位開有冷卻液通路，主軸內部的冷卻液通過此通路直接噴淋到刀具與零件的接觸面，達到極佳的冷卻效果。加工中可以采用較高的主軸轉速和較大的進給量，大大提高生產率。主軸中心部位的冷卻液也是通過刀具松開液壓油缸上部的組合式液氣控制閥來控制實現。

圖1 SAJO10000 加工中心電主軸結構

1.2 定子

定子部分包括：定子線圈及定子線圈冷卻水循環裝置，主軸速度檢測傳感器，刀具冷卻噴淋管路，軸承油霧潤滑及循環水冷卻裝置等。

（1）定子線圈。此電主軸的定子線圈裝在一長方體殼體內，與A 軸連成一體并隨A 軸同時轉動。其上裝有電機電纜，在電機電纜內裝有2 組熱保護傳感器，對電機的過流過載起到很好的保護作用。此電機功率較大，電機定子線圈發熱較大，通常的風冷散熱方式滿足不了要求。在設計上廠家采取了定子線圈殼體外加循環水的冷卻方式，大大提高了散熱效果。電機線圈產生的熱量能夠很快被帶走，進一步提高了電機的過流過載能力。增加了水冷卻裝置，對主軸的密封性要求也提高了。

（2）主軸速度檢測傳感器。此電主軸的速度反饋是通過安裝在主軸轉子上的齒形碼盤和位于電機定子端蓋上的磁性傳感器來檢測，碼盤的每個齒經過磁性傳感器的檢測面時傳感器發出1 個脈沖信號，單位時間內發出的脈沖數通過主軸伺服控制器的處理，產生相應的控制信號來控制主軸的轉速和轉角，同時將主軸的狀態反饋給數控系統。

（3）刀具冷卻噴淋管路。刀具冷卻噴淋管路通過定子殼體將冷卻液直接輸送到主軸刀具兩側的6 個噴嘴，對主軸上的刀具進行強制冷卻。此設計比一般的機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）軸承油霧潤滑。該電機轉子與定子殼體靠一組5 個精密的軸承安裝支撐，軸承為7020ACD/P4A，轉子軸前端安裝3 個軸承，后端2 個軸承。這組軸承的轉速高、負荷大，特別是前部的3 個軸承，對潤滑要求較高。此電主軸在設計上采用了油霧潤滑方式，潤滑油在油霧發生器中與壓縮空氣充分混合，通過管路輸送到各軸承的滾動體上，使軸承得到充分潤滑及冷卻。同時在設計上對前部的3 個軸承安裝座采用了循環水冷包強制冷卻，又進一步保證了軸承的良好工作狀態.

2 電主軸典型故障的修理

2.1 電主軸進水定子線圈燒壞故障

該機床在加工零件時，操作者聽到主軸發出異常聲音，隨后機床自動停機，打開工作門，發現主軸與A 軸相接處冒出白煙，散發出焦糊味。這期間顯示功率輸出已達99%，出現了主軸伺服故障、主軸伺服測量回路電流絕對值錯誤報警。

關機檢查發現主電機三相線圈對地電阻為零，決定對主電機進行拆卸。當取下電機上部端蓋時發現有水汽和煙灰的混合物噴附在電機的上端蓋，電機的三相繞組出線處已燒焦，定子內腔壁已銹蝕，用吊車取下電機轉子后，在定子線圈的下部有很多積水。拆下主軸下端冷卻水循環盤時，發現其上部有一個帶密封墊圈的M5 內六角螺釘頭部已斷掉，密封墊圈失去密封性，冷卻水滲到電機內造成電機損壞。此電機為德國西門子公司產品，如購買原廠備件要3～4 個月的定貨周期，最終由國內專業廠家在一周內重新繞制完成。裝配后試機，電主軸工作正常。

2.2 電主軸軸承的更換

該機床在運行中出現電主軸編碼器錯誤報警。根據以往的經驗，調整了編碼器與檢測齒盤的間隙，但沒有好轉。與操作者溝通了解到該主軸近來振動有點大，加工孔的光度不好。檢查主軸的靜態精度，徑向跳動在0.02～0.04 mm、軸向跳動在0.05～0.08 mm，在檢測排除了測量方法和其他各軸的影響后，判定可能是主軸軸承有問題，決定進行拆卸更換。

此電主軸比較重，電機約有300 kg，拆卸需多人合作。特別是在分解轉子軸時要將整個電機落穩在工作臺的墊鐵座上，人爬到4 m 多高的機床上部，手盤Y 軸絲杠將電機定子殼體向上移出，才能將電機軸轉子及轉子前部的軸承安裝殼體拆下。拆下了電機軸轉子及轉子前部的軸承安裝殼體后要對內部的3 個軸承進行分解，但對照機械圖用常規方法進行拆卸時發現固定軸承的前端壓緊端蓋無法拆開。后咨詢廠家得知，該處軸承前端壓緊端蓋的內孔與軸的過盈量達0.1 mm，軸向需用2000 kg 的力才能拆開，拆卸有很大風險。此機床在軸承壓緊端蓋上設計了拆卸專用油壓空腔，用高壓手壓泵將高壓油通過專用接頭注入方可拆下，通過計算高壓油壓要達到50 MPa 左右。為此設計制作了專用接頭，在四五個人的配合下終于將其拆出。

通過檢查，軸承已明顯磨損。更換新軸承時預先加熱軸承，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，對加熱溫度進行了仔細計算，結合有效施控軸承預緊力，通過幾天認真仔細的操作終于將軸承更換完畢。

3 結語

通過這次SAJO10000 電主軸軸承的更換，增強了對電主軸機床的認識，為今后電主軸的修理積累了經驗。