高精度工具磨床電主軸精度超差的原因及解決措施

黃 毅

（廈門(mén)金鷺特種合金有限公司，福建 廈門(mén) 361024）

五軸數(shù)控工具磨床是現(xiàn)代生產(chǎn)中不可缺少的一種重要生產(chǎn)設(shè)備，是用于整體硬質(zhì)合金刀具磨削的關(guān)鍵設(shè)備。高精密電主軸作為五軸數(shù)控工具磨床的核心功能部件，其功能是帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高速精密加工，其精度好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品的優(yōu)良程度。然而目前我國(guó)中、高端五軸數(shù)控工具磨床的電主軸幾乎依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約了高檔數(shù)控工具磨床的技術(shù)發(fā)展，因此高性能電主軸的研發(fā)近年來(lái)備受關(guān)注。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)高速電主軸技術(shù)研究較早，且具備優(yōu)良的電主軸專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠家。雖然我國(guó)的電主軸技術(shù)已經(jīng)取得較大的進(jìn)展，但是不論在產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)品的性能等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家仍然存在不小的差距。在實(shí)際應(yīng)用中，國(guó)產(chǎn)電主軸可靠性低、使用壽命短，平均無(wú)故障間隔時(shí)間與國(guó)外相差幾乎1 倍。

筆者公司現(xiàn)有某品牌五軸數(shù)控工具磨床43 臺(tái)，均配套使用某國(guó)產(chǎn)品牌電主軸，在使用的3～4 年間，因電主軸精度超差導(dǎo)致故障維修或者直接更換電主軸合計(jì)20 余次，電主軸使用壽命短，維修及更換成本高。針對(duì)某國(guó)產(chǎn)品牌電主軸在實(shí)際應(yīng)用中存在精度易超差的問(wèn)題，研究該電主軸的不足之處，從而改善電主軸的使用性能，降低電主軸維修及更換成本。

1 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)條件及內(nèi)容

把室溫控制在26±1 ℃，車(chē)間濕度控制在55%～60%的工況下，先對(duì)電主軸進(jìn)行精度檢測(cè)，了解電主軸現(xiàn)有的精度和拉刀力狀態(tài)；當(dāng)電主軸精度超差或拉刀力不足時(shí)，對(duì)電主軸進(jìn)行拆解，以進(jìn)一步查找造成電主軸精度超差和拉刀力不足的原因，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果著重對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行解決，電主軸參數(shù)及精度要求見(jiàn)表1，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電主軸的結(jié)構(gòu)示意圖

表1 電主軸參數(shù)及精度要求

1.2 電主軸的性能指標(biāo)檢測(cè)

電主軸是一套組件，包括刀柄接口、拉刀機(jī)構(gòu)、軸芯、軸芯前后軸承組系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、液壓?jiǎn)卧退蓨A刀位置檢測(cè)傳感器等。其所涵蓋的技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)很多，但多數(shù)參數(shù)是電主軸制造商出廠檢測(cè)和標(biāo)定使用的參數(shù)[1]，對(duì)于終端用戶主要測(cè)試電主軸的徑向回轉(zhuǎn)精度。電主軸徑向回轉(zhuǎn)精度檢驗(yàn)，采用千分表、在電主軸的低轉(zhuǎn)速區(qū)（≤100 r/min）對(duì)電主軸錐孔的徑向和端面跳動(dòng)進(jìn)行檢驗(yàn)，錐孔和端面的允差均≤0.002 mm。為進(jìn)一步驗(yàn)證電主軸錐孔壁與刀具接口錐面的貼合程度，可分別使千分表指在HSK50E-200L 測(cè)試棒B點(diǎn)60 mm 和A點(diǎn)140 mm處，旋轉(zhuǎn)電主軸，記錄千分表讀數(shù)，電主軸的徑向允差分別為0.003 mm/60 mm 和0.005 mm/140 mm，圖2 顯示了檢測(cè)的方法。

圖2 電主軸徑向回轉(zhuǎn)精度檢驗(yàn)

根據(jù)電主軸的維修情況及相關(guān)電主軸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用KELCH 主軸拉刀力檢測(cè)儀檢測(cè)電主軸拉刀力大小，拉刀力標(biāo)準(zhǔn)值為10.5±1 kN，采用KELCH 主軸錐度規(guī)HSK50 檢測(cè)電主軸內(nèi)錐孔錐面是否存在磨損，間隙值±0.003 mm，采用NSK A10 便攜式振動(dòng)分析儀檢測(cè)軸承振動(dòng)，振動(dòng)值≤2.0 mm/s2。

2 回轉(zhuǎn)精度誤差產(chǎn)生的原因分析

2.1 電主軸徑向回轉(zhuǎn)精度誤差產(chǎn)生的原因

電主軸徑向回轉(zhuǎn)精度誤差是指電主軸在回轉(zhuǎn)過(guò)程中實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于理想回轉(zhuǎn)軸線的漂移[2]。根據(jù)電主軸結(jié)構(gòu)和常見(jiàn)故障問(wèn)題分析，造成電主軸產(chǎn)生徑向回轉(zhuǎn)精度誤差的部位主要是回轉(zhuǎn)部件和拉刀機(jī)構(gòu)；而回轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生徑向回轉(zhuǎn)精度誤差的主要原因是軸芯磨損或變形、電主軸接口的磨損、軸承磨損產(chǎn)生徑向間隙；拉刀機(jī)構(gòu)產(chǎn)生徑向回轉(zhuǎn)精度誤差則是因?yàn)榈傻膿p壞，導(dǎo)致拉刀力衰減。根據(jù)徑向回轉(zhuǎn)精度誤差產(chǎn)生的部位和原因，對(duì)電主軸進(jìn)行拆解，分析電主軸故障率高且使用壽命短的原因。

從拆解后的情況看，軸芯前端的精密軸承位置出現(xiàn)明顯的跑圈磨損痕跡，如圖3、圖4 所示前端精密軸承組有明顯的進(jìn)油污染痕跡，拆解前測(cè)得前端軸承在轉(zhuǎn)速8 000 r/min 以內(nèi)，振動(dòng)值＞2.0 mm/s2。內(nèi)部拉力碟形彈簧有明顯的液體污染，且出現(xiàn)破裂，拆解前檢測(cè)的實(shí)際拉力值為6.6 kN，明顯低于主軸的標(biāo)準(zhǔn)拉刀力10.5±1 kN，如圖5 和圖6 所示。因軸芯出現(xiàn)磨損，且電主軸前端軸承及拉桿碟簧受污染，使得電主軸前端軸承失效和拉刀力衰減過(guò)快，故需對(duì)軸芯材質(zhì)及熱處理工藝、電主軸前端密封結(jié)構(gòu)和拉刀機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖3 軸芯前端軸承位置

圖4 前軸承組進(jìn)油污染

圖5 碟形簧片受外界污染

圖6 拉刀力不足出現(xiàn)跑圈磨損

2.2 電主軸軸芯材質(zhì)及熱處理工藝分析

采用S-3700N（日立） 掃描電鏡的能譜分析檢測(cè)軸芯表層材料和定性分析芯部材料的元素成分，判斷是否有為防銹而在軸芯材料表面做鍍層處理。能譜分析檢測(cè)出的主要元素為Fe 和C 及其含量推測(cè)，軸芯材料表層沒(méi)有經(jīng)過(guò)鍍層處理。且軸芯為鐵基材料，表層的C 含量高于芯部。

為進(jìn)一步確認(rèn)鐵基材料的牌號(hào)，采用力克（LECO）CS844 碳硫儀對(duì)軸芯芯部鐵基材料內(nèi)的碳元素以及采用賽默飛ICP PE500 對(duì)鐵基材料的其他化學(xué)元素進(jìn)行定量分析，從表2 的分析結(jié)果可以推測(cè)鐵基材料為40Cr。

表2 40Cr 化學(xué)成分與ICP 檢測(cè)結(jié)果比對(duì)

對(duì)軸芯的材料性能進(jìn)行分析，從圖7 所示的軸芯上3 個(gè)具有代表性的位置（錐孔、軸承位、任意位置）處各取1 樣，并采用蔡司金相顯微鏡AXIO Imager A2m 對(duì)樣品進(jìn)行微觀組織觀察，3 個(gè)位置處的微觀組織從外層到內(nèi)部均為：滲碳層、片狀馬氏體和鐵素體+馬氏體，測(cè)得錐孔處的滲碳層深度為1.2 mm，軸承位和任意位置處的滲碳層深度為0.8～0.9 mm，如圖8～圖10 所示。

圖7 軸芯上取樣位置

圖8 滲碳層組織（×50）示意圖

圖9 片狀馬氏體組織（×200）

圖10 鐵素體+馬氏體組織（×200）

采用Wilson RB2000R 洛氏硬度計(jì)檢測(cè)出軸芯滲碳層表層硬度為60 HRC，芯部硬度28 HRC，說(shuō)明滲碳后的軸芯材料表面硬，里層強(qiáng)韌，能滿足電主軸工作條件的要求。

五軸數(shù)控工具磨床在使用中經(jīng)常需要自動(dòng)裝卸砂輪，且采用氣壓自動(dòng)裝卸砂輪時(shí)，砂輪桿中心對(duì)電主軸接口中心難免存在微量不同心，易使電主軸接口錐孔或端面產(chǎn)生局部微量塑形變形，從而影響砂輪桿與電主軸接口的接觸，因此電主軸接口錐孔表面必須具有一定的耐磨性和承受一定的沖擊力。電主軸接口與旋轉(zhuǎn)軸芯設(shè)計(jì)為一體結(jié)構(gòu)，因軸芯制備工藝復(fù)雜且成本高，故期望軸芯在使用過(guò)程中的壽命長(zhǎng)，為降低因電主軸錐口磨損而使整根旋轉(zhuǎn)軸芯報(bào)廢，錐孔的耐磨性要高于與其頻繁接觸的砂輪桿。

故選取砂輪桿上需經(jīng)常與電主軸錐孔反復(fù)接觸的接縫材料進(jìn)行分析，同理可推測(cè)出砂輪桿的材料為60Cr3，滲碳層深度0.9～1.0 mm，滲碳層表層硬度為53～54 HRC。而軸芯錐孔表面硬度可達(dá)60 HRC，高于砂輪桿硬度53～54 HRC，且滲層深度為1.2 mm，能承受刀柄的沖擊和具有一定的耐磨性能，對(duì)砂輪桿與電主軸錐孔的接觸影響較小。

選擇與軸芯配合的軸承內(nèi)圈進(jìn)行材質(zhì)分析，同理推測(cè)軸承內(nèi)圈的材料為GCr15，內(nèi)部微觀組織均為高溫回火馬氏體，材料表層硬度為63 HRC。選用不同軸承材料，對(duì)主軸軸頸的硬度要求不同，電主軸是由鋼制軸承支撐時(shí)，就必須具有更高的表面硬度[3]，而本文電主軸的軸芯表面硬度60 HRC 小于軸承內(nèi)圈的表面硬度63 HRC，致使軸芯較軸承內(nèi)圈而言，更容易磨損，故當(dāng)軸承和軸芯受外界污染而造成其配合面發(fā)生摩擦磨損時(shí)，軸芯表面產(chǎn)生了跑圈磨損。

2.3 電主軸前端密封結(jié)構(gòu)分析

在高速?gòu)?qiáng)力磨削時(shí)，為防止加工工件過(guò)熱，所用的磨削油流量和沖擊力都很大，電主軸前端如果沒(méi)有好的防油措施，很難適應(yīng)如此惡劣的工作環(huán)境，通常選用多種防油措施來(lái)加強(qiáng)其密封性。

根據(jù)圖11 電主軸密封結(jié)構(gòu)分析，電主軸前端采用的是迷宮密封[4]，先是利用前端端蓋和大端端蓋擋住絕大部分飛濺到主軸前端的磨削油，再利用前端端蓋與大端端蓋配合形成第一道迷宮密封，接著，密封環(huán)起到第二道密封的作用，其上設(shè)計(jì)的凹槽可收集第一道迷宮密封泄漏進(jìn)來(lái)的磨削油，并將泄漏進(jìn)來(lái)的磨削油通過(guò)大端端蓋下方的泄流口排出外部。密封環(huán)與隔圈配合間隙間形成了第三道密封，隔圈與大端端蓋間的配合形成了第四道迷宮密封，多道迷宮密封的組合，使電主軸具有良好的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)。

圖11 電主軸前端

電主軸除采用迷宮密封外，還采用氣密封來(lái)進(jìn)一步加強(qiáng)其密封性。通過(guò)通入壓力0.2～0.25 mbar且經(jīng)過(guò)濾精度為5 μm 的濾芯過(guò)濾后的干凈干燥的壓縮空氣，壓縮空氣沿著迷宮密封走向由內(nèi)向外吹氣，來(lái)防止外界磨削油進(jìn)入電主軸內(nèi)部，氣密封通道如圖12 所示。從上述電主軸前端密封組合形式看，電主軸已具有良好的密封性能。但電主軸拆開(kāi)后，主軸軸承和拉力機(jī)構(gòu)的碟簧上卻有明顯進(jìn)油污染的痕跡，與密封設(shè)計(jì)所應(yīng)達(dá)到的密封效果不符。經(jīng)過(guò)排查發(fā)現(xiàn)，氣密封通入的壓縮空氣氣壓為0.04 MPa＜0.2 mbar，導(dǎo)致氣密封功能未起到良好的密封效果。

圖12 氣密封的吹氣路徑密封形式

2.4 拉刀機(jī)構(gòu)分析

拉刀機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換砂輪功能的關(guān)鍵零部件[5]，拉刀機(jī)構(gòu)在拉刀時(shí)，由碟形彈簧產(chǎn)生拉緊力，當(dāng)?shù)螐椈沙霈F(xiàn)破裂，電主軸出現(xiàn)拉刀力不足，如圖13 所示拉刀機(jī)構(gòu)上的碟形彈簧出現(xiàn)破裂。如圖14 所示的電主軸拉刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有O 型密封圈密封及由軸芯內(nèi)向外吹氣的氣密封作用，防止磨削油及油內(nèi)的鎢粉通過(guò)主軸接口進(jìn)入到拉刀機(jī)構(gòu)，從而附著在碟簧上，加大碟形彈簧動(dòng)作時(shí)的阻力，降低碟形彈簧使用壽命。然而因主軸錐面清潔的氣壓為0.02 MPa＜0.2 MPa，導(dǎo)致機(jī)床內(nèi)部的磨削油通過(guò)主軸接口直接進(jìn)入到拉刀機(jī)構(gòu)，O 型密封圈長(zhǎng)期與具有腐蝕性的磨削油接觸，使得O 型密封圈變質(zhì)失效，磨削油進(jìn)入拉刀機(jī)構(gòu)內(nèi)部，使碟形彈簧受到污染，導(dǎo)致拉刀力衰減過(guò)快。

圖13 碟形彈簧破裂

圖14 碟形彈簧污染源來(lái)源渠道示意圖

2.5 改進(jìn)措施

（1）原電主軸的軸芯材料為40Cr，經(jīng)熱處理后表層硬度為60 HRC，低于軸承內(nèi)圈的表層硬度63 HRC。為提升軸芯的耐磨性能，軸芯材料可選用屬于中淬透性合金鋼的軸承鋼GCr15，其油淬臨界厚度為25 mm，具有高而均勻的硬度和耐磨性，高的彈性極限和接觸疲勞強(qiáng)度，以及足夠的韌性。在特制的熱處理工藝下，可獲得表層硬度為70～72 HRC，組織為針狀馬氏體+少量殘奧+碳氮化物析出（白色，均勻分布），如圖15 所示。

圖15 GCr15 熱處理后的組織

（2）提升氣密封壓力值設(shè)定至0.2 MPa，并確保壓縮空氣的過(guò)濾系統(tǒng)濾芯無(wú)堵塞。

（3）拉刀系統(tǒng)采用雙螺旋彈簧機(jī)構(gòu)來(lái)替代原有的組合式碟簧機(jī)構(gòu)。雙層螺旋彈簧由兩個(gè)扁線壓縮彈簧組成，通過(guò)螺旋互相擰緊，來(lái)實(shí)現(xiàn)與碟形彈簧組相似的截面，同時(shí)為單一組件設(shè)計(jì)，沒(méi)有拆分為單獨(dú)的片狀，避免了傳統(tǒng)碟簧組使用過(guò)程中的錯(cuò)位現(xiàn)象及破裂帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，如圖16 所示。

圖16 組合式碟簧與雙螺旋彈簧的機(jī)構(gòu)示意圖

2.6 改進(jìn)后實(shí)際應(yīng)用效果

應(yīng)用改善后的電主軸經(jīng)2 年的使用測(cè)試，其徑向允差分別為0.001 mm/60 mm 和0.003 mm/140 mm，拉刀力保持在10.2 kN，刀具接口錐面間隙值0.001 mm，前端軸承在轉(zhuǎn)速8 000 r/min 以內(nèi)，震動(dòng)值≤0.537 mm/s，前端軸承震動(dòng)值≤0.421 mm/s，使用壽命較原先提升1 倍以上。

3 結(jié)語(yǔ)

因電主軸前端迷宮密封部位和拉刀機(jī)構(gòu)進(jìn)油，導(dǎo)致電主軸軸芯磨損、前端軸承磨損失效以及拉刀機(jī)構(gòu)碟簧破裂使得拉刀力不足。通過(guò)對(duì)電主軸結(jié)構(gòu)、軸芯材質(zhì)及熱處理工藝進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及應(yīng)用改善情況如下：

（1）原電主軸錐面清潔氣壓和氣密封壓力均小于0.2 MPa，導(dǎo)致氣密封功能未起到良好的密封效果，故需提升電主軸錐面清潔氣壓和氣密封壓力至0.2 MPa。

（2）電主軸接口與旋轉(zhuǎn)軸芯設(shè)計(jì)為一體結(jié)構(gòu)，因軸芯制備工藝復(fù)雜且成本高，為提升軸芯在使用過(guò)程中的壽命，將原電主軸的軸芯材料為40Cr，改為軸芯材料為軸承鋼GCr15，并將材料表層硬度提升至70～72 HRC。

（3）為避免拉桿機(jī)構(gòu)的碟簧組在使用過(guò)程中因碟簧破裂帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，采用雙層螺旋彈簧的拉桿機(jī)構(gòu)。

（4）應(yīng)用改善后的電主軸經(jīng)2 年的使用測(cè)試，其徑向允差分別為0.001 mm/60 mm 和0.003 mm/140 mm，拉刀力保持在10.2 kN，錐口錐面間隙值0.001 mm，前端軸承在轉(zhuǎn)速8 000 r/min 以內(nèi)，震動(dòng)值≤0.537 mm/s，前端軸承震動(dòng)值≤0.421 mm/s，使用壽命較原先提升1 倍以上。