數(shù)控加工中心主軸部件在機械加工中的應用及維護

喬婷婷

摘要：文中以主軸為研究對象，介紹了主軸的工作原理，普通主軸及電主軸的典型結構，對維修中遇到的主軸故障進行分析。對直接依賴于高速精密軸承技術，依賴于高度機電一體化高速電機與驅動技術的電主軸的后期維護，從油氣潤滑與冷卻技術方面進行闡述。

關鍵詞：數(shù)控加工;主軸電主軸;故障分析;維護保養(yǎng)

中圖分類號：G353.1

文獻標識碼：A文章編號：2095-6487（2019）02-0097-02

0引言

數(shù)控機床在國民經(jīng)濟各個領域中廣泛應用，將高效、高精度和高柔性集為一體，數(shù)控機床是一個國家技術水平和綜合實力的集中體現(xiàn)。主軸是數(shù)控機床加工中實現(xiàn)高速高效的重要動力部件，是高速數(shù)控加工機床的“心臟”，其性能直接影響數(shù)控機床的整機特性和加工產(chǎn)品的質(zhì)量。

1加工中心主軸基本結構

主軸結構隨主軸系統(tǒng)設計要求的不同而有多種形式。加工中心的主軸結構除了基本機構之外，還有它的一些特有的結構要求，比如，道具的自動夾緊裝置，主軸準停裝置等等。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帶動的主軸，一類是電主軸。

1.1普通加工中心所使用的主軸及其結構

主軸的主要尺寸參數(shù)包括：主軸直徑、內(nèi)孔直徑、懸伸長度和支承跨距。決定主軸主要尺寸參數(shù)的依據(jù)是主軸的剛度、結構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，實際尺寸要到主軸組件設計時確定”。

②主軸內(nèi)孔直徑：主軸內(nèi)孔是用來通過棒料及刀具夾緊裝置，也可用于通過氣動、液壓卡盤的聯(lián)結件。

③懸伸長度：主軸的懸伸長度與主軸前端結構的形狀尺寸、前軸承的類型和組合方式及軸承的潤滑與密封有關。

④支承跨度：跨距對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，則軸承的變形對主軸前端的位移影響較大。

1.3主軸端部的結構形式

主軸端部的結構與其需實現(xiàn)的功能有關，加工及裝配的工藝性也是影響其形狀的因素。

主軸端都是用來安裝刀具或夾持工件的夾具，在設計上，應能保證定位準確、安裝可靠、聯(lián)接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉矩。主軸端部的結構已標準化[2]。

1.4電主軸的結構簡述

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、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置等。電動機的轉子直接作為機床的主軸，主軸單元的殼體就是電動機機座，并且配合其他零部件，實現(xiàn)電動機與機床主軸的一體化。

1.5電主軸結構

電主軸由無外殼電機、主軸、軸承、主軸單元殼體、驅動模塊和冷卻裝置等組成。電機的轉子采用壓配方法與主軸做成一體，主軸則由前后軸承支承。電機的定子通過冷卻套安裝于主軸單元的殼體中。主軸的變速由主軸驅動模塊控制，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速、測角位移傳感器，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，執(zhí)行到N3G91G30P2Z0;N4M19;時宏程序停止，主軸一直處于旋轉狀態(tài)。

排除過程：為了執(zhí)行主軸定位或者換刀，必須將機床主軸在回轉的圓周方向定位于某一個轉角上，作為動作的基準點。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，外部一轉信號定向。

定位過程如下：

（1）PMC向主軸驅動器發(fā)送主軸定位指令，同時串行主軸的轉向控制信號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如果主軸原來處于旋轉狀態(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設定的定向速度，定位到參數(shù)4031設定的位置（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設定的定向速度，定位到參數(shù)4031設定的位置。

（3）到達定向位置后，主軸驅動器向PMC發(fā)送定

向完成信號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。

該機床屬于外部一轉信號定向，由磁感應接近開關進行定位檢測。梯形圖如下：

其中M19為主軸定向指令，F(xiàn)45.1為零速信號，M03主軸正轉，M04主軸反轉，M05主軸停止，F(xiàn)1.1復位信號。G70.6為主軸定向信號。對M19完成譯碼后就可以對G70.6進行置位，同時要求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無效，檢查感應開關，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滑與冷卻技術

由于電主軸將電機集成于主軸單元中，且轉速很高，運轉時會產(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)。機床目前一般采取強制循環(huán)油冷卻的方式對電主軸的定子及主軸軸承進行冷卻，即將經(jīng)過油冷卻裝置的冷卻油強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，同時必須對主軸軸承進行合理的潤滑（陶瓷軸承不需要加潤滑油）。

4結束語

推動數(shù)控加工技術在制造加工行業(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)良的復合數(shù)控加工中心。主軸作為數(shù)控加工中心的關鍵核心零部件之一，其性能的可靠性與穩(wěn)定性直接影響著機械加工制造企業(yè)的加工效率和經(jīng)濟效益。因此，對主軸系統(tǒng)的性能分析和對其結構的熟悉，包括主軸投入使用后的后期維保，就顯得至關重要，這是很長一段要走的路。

參考文獻

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

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

[4]戴玲.淺談高速切削加工技術及應用[J].科學大眾（科學教育），2011（11）：136.