數控磨床電主軸典型故障分析與排除方法

屠宏濤，魏平安，唐衛東

中國航發西安航空發動機有限公司 陜西西安 710021

1 序言

數控拉刀磨床專用電主軸出現主軸停止運轉故障，設備報警。發生原因分析：主軸轉子的軸出現0.5mm的軸向竄動，使主軸轉子運轉不平衡，造成電流劇增、負載大、溫升快及有異響。與制造商聯系，其暫不提供技術支持，需采購新備件，周期為16周，費用30萬元。

為打破國外技術壟斷，縮短修理周期及采購費用，在沒有維修資料說明的情況下，成立技術團隊，自主制定改進性修理方案。自主改進面臨的技術難點有：主軸高速（加工轉速超過18000r/min）運轉的平衡控制措施無參考依據；軸的預緊轉矩數值及方法無技術支持；專用電主軸的裝配、調試方案及專用調整工具缺失；損壞零件的加工圖和零件的材料無參考依據。

因此嘗試分解電主軸，對其內部結構進行分析和研究。著重分析該電主軸的機械結構，剖析故障產生的原因，掌握裝配調整方法，恢復設備加工功能。

2 電主軸結構

（1）電主軸外觀 電主軸（見圖1）是將主軸和電動機合二為一的機床部件，將主軸部件的主軸部分適當延長后，直接在延長段加裝電動機轉子，使電動機與主軸同軸，并在轉子外部加裝定子線包封閉，形成同軸電動機，電動機工作時直接帶動主軸工作。

圖1 電主軸

電動機與主軸同軸安裝，整體結構緊湊、剛性好、傳動效率和旋轉精度高，能快速實現零到數萬轉之間的轉速調整。電主軸是一套主軸組件，而不是一件孤立的主軸，包括電動機定子線圈、轉子、高速軸承、軸承潤滑裝置和主軸冷卻裝置。電主軸是一種集高速電動機、高速軸承、潤滑系統、冷卻系統、平衡技術及精密制造與裝配技術綜合運用的裝置[1]。電主軸局部機械結構如圖2所示。

（2）轉子軸 轉子軸由軸Ⅰ和軸Ⅱ兩部分組成（見圖3）。軸Ⅰ（見圖4）包括兩套角接觸球軸承、內外隔套、鎖緊螺母、軸套、滑動軸承、3片碟簧、墊片和內六角圓柱頭螺釘。兩套角接觸球軸承背對背安裝。軸套可以保證兩軸同步旋轉，另外可對兩軸起安全保護作用，使主軸的精度不下降。滑動軸承有兩套，支撐軸Ⅰ，可減小軸Ⅰ的徑向圓跳動量。在砂輪主軸發生碰撞時，瞬間發生微量變形，碟簧可以有效保護主軸。

圖2 電主軸局部機械結構

圖3 轉子軸組成

圖4 軸Ⅰ零件組成

（3）軸Ⅱ組成及磨損分析 軸Ⅱ由空心軸、墊片、調節螺母、空心調節螺釘、調節軸套、兩套角接觸球軸承（背對背安裝）、內外隔套及軸承壓蓋組成。

空心軸采用硅鋼材料，硬度低；墊片材料硬度高。長期使用過程中，電主軸高速旋轉，機械振動使內六角圓柱頭螺釘松動，造成軸Ⅰ和軸Ⅱ之間的軸向竄動增大，導致空心軸與墊片運轉不同步，加劇了空心軸內軸肩處的磨損。

3 電主軸的典型故障及處理方法

數控拉刀磨床專用電主軸的典型故障現象是電主軸停止運轉，設備報警。

3.1 故障檢查與分析

（1） 故障檢查 在檢查主軸不轉故障的過程中，電氣方面：測得電主軸的線圈燒壞，線圈委派外協單位繞制修復，可以達到其性能要求。機械方面：通過分解電主軸，發現其轉子軸由軸Ⅰ和軸Ⅱ兩部分連接組成。故障點如下：①軸承沒有預緊。②軸Ⅰ端部內六角圓柱頭螺釘松動。③空心軸內壁磨損。④軸套破裂。⑤調節螺母研死。

（2）故障分析 出現主軸不轉故障，轉子軸內的內六角圓柱頭螺釘松動，在主軸高速旋轉的過程中，軸Ⅱ與墊片運轉不同步，墊片會在軸Ⅱ內部自轉，墊片與軸Ⅱ的材料不同，并且墊片比軸Ⅱ的硬度高。主軸經常這樣工作，造成軸Ⅱ內軸肩處磨損，致使軸Ⅱ內軸肩處與軸套端面間的距離縮短，但是軸Ⅰ上的軸套與墊片左端面之間的距離保持不變，這就會出現“軸變長”的現象，導致轉子軸整體不能預緊，軸向竄動0.5mm；同時又造成了軸Ⅰ與軸Ⅱ的同軸度超差。軸Ⅰ與軸套是緊配合，軸套的破裂使軸套可以繞軸Ⅰ自轉，這樣主軸在高轉速旋轉時，會出現軸Ⅰ與軸Ⅱ的運轉不同步，造成電主軸的負載過大，電流增大。電主軸長期這樣工作，會導致線圈燒壞，電氣元件老化，縮短使用壽命。

3.2 故障排除方法

采取如下故障排除方法。

1）對主軸兩端的軸承進行預緊。

2）配做軸Ⅰ上的軸套（見圖5），并熱裝于軸Ⅰ上。

圖5 軸套零件圖

3）配做軸Ⅱ上的墊片，增加其厚度5mm，并在靠近滑動軸承端銑槽，槽深2mm（試裝時槽深分別為0.5mm、1mm、1.5mm和2mm）。配做軸Ⅱ上的調節螺母（見圖6）。

圖6 調節螺母

4）摸索專用電主軸的裝配方法，并配做專用調整工具。

3.3 裝配電主軸

軸Ⅰ上的兩套軸承為背對背安裝，軸承外環固定在線圈定子臺階孔內，兩套軸承之間安裝隔環，內環低于外環0.02mm。以空心軸和墊片為基準（見圖2），通過旋緊內六角圓柱頭螺釘，使軸Ⅰ承受向右的拉力，向右伸張，同時鎖緊螺母，推軸承內環向相反的方向移動，利用內外環高度差來消除軸Ⅰ的軸承游隙，實現軸Ⅰ軸向預緊。以空心軸的外圓軸肩和軸承內環為基準，通過旋緊空心調節螺釘（與調節螺母配合），間接拉緊軸Ⅱ的軸套，可以消除軸Ⅱ的軸向竄動，同時實現軸Ⅱ上軸承的軸向預緊[2]。

軸Ⅰ上裝有帶凹槽的軸套，軸Ⅱ上設計有與軸套的凹槽相配合的凸臺，在裝配時，空心軸與軸套連接，墊片的內圓與軸Ⅰ配合，墊片的外圓與空心軸的內壁配合，墊片上放置3片碟簧，將調節螺母旋緊，就可以把小墊片、墊片和碟簧固定在軸Ⅱ上。以空心軸和墊片為基準，通過旋緊內六角圓柱頭螺釘，可以消除軸Ⅰ的軸向竄動。以空心軸的外圓軸肩和軸承內環為基準，通過旋緊空心調節螺釘（與調節螺母配合），間接拉緊軸套，可以消除軸Ⅱ的軸向竄動。至此，電主軸裝配完成。

4 軸Ⅰ與軸Ⅱ之間的裝配關系及注意事項

1）軸Ⅰ上的兩套軸承為背對背安裝。滑動軸承的裝配要求主要是軸Ⅰ的軸頸與軸承孔之間獲得所需要的間隙和良好的接觸，可使軸Ⅰ在軸承中運轉平穩。

2）軸Ⅱ上兩套軸承的安裝和軸向預緊方法與軸Ⅰ相同。應該注意軸Ⅱ為空心軸，軸承與空心軸的配合應較緊，以避免軸的收縮使配合松動。

3）消除軸Ⅰ和軸Ⅱ軸向間隙。軸Ⅰ上裝有帶凹槽的軸套，空心軸與軸套裝配如圖7所示。軸Ⅱ上設計有與軸套的凹槽相配合的凸緣（見圖8）。在裝配時，以空心軸和墊片為基準，通過旋緊內六角圓柱頭螺釘，可以消除軸Ⅰ的軸向竄動。以空心軸的外圓軸肩和軸承內環為基準，通過旋緊空心調節螺釘，間接拉緊軸套，可以消除軸Ⅱ的軸向竄動。

圖7 空心軸與軸套裝配

圖8 凸緣和與之配合的凹槽

4）現場安裝、試車電主軸注意事項。開始起動時要監控冷卻、潤滑和壓縮空氣的工作情況，工作正常時，再開起主軸，同時觀察負載電流的變化。開始時主軸轉速應在3000r/min以下，運行10～20min，再慢慢加速至5000r/min進行試加工。電主軸的工作轉速應不超過額定轉速，讓主軸反復起動、運轉、加速和減速，一定要緩慢加、減速。另外，電主軸內部有冷卻水管、油管和氣管3組管路，3組管路循環工作，保證高速電主軸的可靠運轉[3]。

5 結束語

數控拉刀磨床專用電主軸結構比較特殊，它是一個轉子兩根軸。兩軸要同時旋轉，調整兩軸間隙的內六角圓柱頭螺釘不能松動，若內六角圓柱頭螺釘松動，則軸承沒有預緊，會影響到主軸的徑向圓跳動和軸向竄動。如果徑向圓跳動過大，同時主軸轉子與定子線圈間隙過小（0.25～0.5mm），則轉子和定子易發生剮蹭，電流不穩定，造成線圈或變頻器燒壞。變頻器外協修理時，發現參數設置范圍過大，造成變頻器電流參數過大，線圈已經燒壞。配備高速電主軸的數控設備在生產中發揮著重要的作用，每一臺設備都是設備維修人員難能可貴的教科書，只有掌握其結構、各個部件功能和工作原理，才能準確、徹底和快速地維護好設備。