機床電主軸冷卻系統油品問題的原因分析及排除

張　璐

(上海汽車變速器有限公司，上海 201807)

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機床電主軸冷卻系統油品問題的原因分析及排除

張璐

(上海汽車變速器有限公司，上海 201807)

高速加工中心的電主軸使用冷卻循環油進行冷卻和潤滑，冷卻油的品質直接影響主軸的使用壽命。通過介紹某品牌加工中心的電主軸冷卻油循環系統，分析了該主軸冷卻循環油中混入切削液的原因，詳細闡述了故障維修的全過程及機床缺欠的改進，解決了同型號機床電主軸冷卻循環油混入切削液的問題，顯著提高了機床主軸的使用壽命。

加工中心故障；電主軸；主軸冷卻；故障診斷

高速加工中心的電主軸通常使用冷卻油循環系統，冷卻油經過油溫控制系統后流經主軸內部對主軸整體進行冷卻；同時，冷卻油在主軸高速旋轉時受到離心力的作用，進入主軸軸承內圈上的小孔直接潤滑軸承內部。這種冷卻潤滑的方式稱為主軸中心冷卻和內壓潤滑，保證了主軸可以長時間持續工作于最高轉速。主軸冷卻油的品質直接影響冷卻潤滑的效果及主軸的使用壽命。

1　故障現象

筆者單位自動變速箱支架類工件加工區域的6條生產線共18臺機床全部使用同一品牌和型號的高速加工中心，每臺機床均發生主軸冷卻油混入切削液的問題，導致原本無色的主軸冷卻油變為乳白色。兩種流體的相混使冷卻油品質下降，觸發冷卻油過濾濾芯的堵塞報警，更換濾芯及全箱換油十分頻繁，甚至發生因冷卻油潤滑效果下降導致主軸軸承過早磨損的情況，對生產影響極大。

設備供應商多次上門維修檢查，問題不能解決，供應商提出用新主軸一半價格以舊換新的解決方式，但生產車間無法接受。最終決定對問題主軸自主維修。

維修人員選擇一臺機床的主軸自主修復。打開主軸防護罩殼，主軸外圍分布數根各種顏色的流體管路，如圖1所示。主軸冷卻油與切削液均由獨立的供給源和管路提供。在著手維修主軸前，需整理并明確各流體管路的用途及其內部流體的走向，重點檢查可能發生兩種流體混入的區域。

2　主軸冷卻油循環回路

主軸冷卻油由單獨的冷卻油箱及泵供給，如圖2所示，從油泵出口通過藍色管路流經過濾器和流量開關后分為兩路進入主軸形成兩套循環回路。

循環回路一：

冷卻油進入五通歧管，通過綠色管路，分別進入主軸前端套筒、主軸電動機定子外套及主軸后軸承外殼處，通過紅色管路流出主軸并流回冷卻油箱。該回路中的冷卻油帶走主軸高速旋轉時前軸承、后軸承及電機定子工作所產生的熱量，對主軸整體進行冷卻降溫。

循環回路二：

冷卻油從主軸后端進入主軸中心，在主軸高速旋轉的離心力的作用下流入主軸前軸承、主軸后軸承和高壓切削液旋轉進液器的支承軸承，由裝于冷卻油箱上方的8個真空泵通過黃色管路抽回冷卻油箱。該回路中的冷卻油起到潤滑軸承的作用。

3　工件加工用切削液的冷卻方式

加工中心切削液的冷卻方式一般分為噴淋、高壓與低壓。噴淋是指切削液通過低壓管路對工件加工區域整體進行淋浴，降低加工區域溫度。高壓切削液通過位于主軸最末端的旋轉進液器引入主軸，通過主軸中心孔，從刀具出水孔噴出，用于加工時刀具的冷卻降溫與工件切削的潤滑。低壓切削液在加工時不斷噴射在加工件表面，降低加工工件的溫度。該機床低壓切削液通過一根獨立的管路供給(圖1)，不會發生與主軸冷卻油的相混。

4　故障分析及檢查

將主軸整體吊離機床，檢查可能發生兩種流體混入的區域，對檢查區域的可疑密封件進行更換，逐一排除。

4.1檢查切削液旋轉進液器

根據之前的主軸維修經驗，發生過因旋轉進液器的密封件破損造成主軸中心切削液出口滲出主軸冷卻油的情況，因此首先對該區域進行檢查。圖3為包括旋轉進液器的主軸末端結構圖。

高壓切削液通過旋轉進液器的中心流入主軸中心。用于潤滑“高壓切削液旋轉進液器的支承軸承”的冷卻油從冷卻油入口進入，潤滑支承軸承后從冷卻油出口處被真空泵抽出。如果圖中圓圈標記的密封件失效，高壓切削液可能透過密封件進入冷卻油存在的區域，與冷卻油相混。

拆解主軸末端包含旋轉進液器的部分，檢查并更換了O形密封圈。

4.2檢查主軸前端套筒及法蘭蓋的密封件

根據前文對主軸流體回路的分析，除了旋轉進液器區域，在主軸內部兩種流體再無交集，考慮到存在機床加工區域切削液飛濺進入主軸內部，與冷卻油相混的可能性，對主軸前端套筒及主軸法蘭的密封件進行檢查。

拆解主軸前端套筒、法蘭蓋和軸承壓蓋(圖4)，檢查并更換了全部O形密封圈。

重新裝配主軸后，開機試驗，一小時后出現冷卻油過濾濾芯堵塞報警，檢查冷卻油箱中的油液，已明顯可見乳白色的切削液，兩種流體的混入故障沒有解決。

4.3主軸前端區域的進一步檢查

進一步分析主軸前端結構，發現兩區域存在故障隱患。

4.3.1主軸前端的間隙密封

如果間隙密封效果不佳，加工區域的切削液會通過法蘭蓋與主軸軸頸之間的間隙飛濺進入主軸內部，到達前軸承冷卻油潤滑區域，與冷卻油相混。如圖5所示。

該主軸設計為機床開機后，在主軸前端法蘭蓋與主軸軸頸之間的迷宮環形腔內引入一定壓力的壓縮空氣，隔斷外部切削液進入主軸，壓縮空氣壓力要求為0.3 MPa。檢查該引入氣源的壓力，確為0.3 MPa，用手靠近前端法蘭，能明顯感覺到壓縮空氣從主軸前端吹出。維修人員再次拆除主軸前端套筒和法蘭蓋，測量法蘭蓋與主軸軸頸之間的間隙，單邊間隙小于0.05 mm，間隙正常。檢查法蘭蓋上的開槽迷宮銅環，無明顯磨損和劃痕跡象，平均分布于環槽內的壓縮空氣出口無堵塞情況，氣體通道暢通，由此可知主軸前端間隙密封良好，不會發生切削液飛濺進入主軸的情況，因此不是流體相混故障的原因。

4.3.2主軸錐孔吹氣

加工中心執行換刀動作時，使用一定壓力的壓縮空氣從主軸前端刀具接觸區域吹出，防止換刀時切屑附于主軸的刀柄接觸錐孔及端面。

如圖6所示，主軸在執行換刀錐孔吹氣時，壓縮空氣通過法蘭蓋上的氣體通道吹出，將安裝在主軸旋轉本體上的單向閥內的鋼球頂開，從傾斜氣道排出，吹走可能附于錐孔及端面上的切鐵屑。單向閥負責流體的單向通過，如果單向閥失效，則單向閥雙向暢通，機床加工區域內的切削液便會從主軸外部沿著箭頭連線方向，順傾斜氣道，通過失效的單向閥進入冷卻油存在區域，發生兩種流體的相混。檢查圖7所示的單向閥，6個單向閥圍繞主軸平均分布，將單向閥逐個拆下，問題出現，6個單向閥中的4個發生內部鋼球與彈簧錯位的情況，甚至鋼球已經嵌入彈簧內部，單向閥失去單向作用，雙向暢通。此即兩種流體發生相混的最大隱患。

在主軸上安裝單向閥時，首先需將彈簧塞入主軸上的單向閥安裝孔內，再將鋼球放入，最后擰入螺紋蓋壓住鋼球。因單向閥內彈簧線徑過細，鋼球直徑相對彈簧外徑過小，此操作過程很容易在安裝時已使彈簧與鋼球錯位。即使單向閥內的鋼球與彈簧在安裝時位置良好，由于主軸高速旋轉產生的離心力，也容易使單向閥內尺寸不合適的彈簧與鋼球發生錯位，造成單向閥失效。

5　缺陷的改進及故障的解決

鑒于單向閥的不良結構，維修人員決定改進單向閥，如圖8所示。選擇合適直徑的鋼球與合適外徑線徑的彈簧，并將單向閥設計為一體式。此單向閥安裝方便，直接擰入即可，不會再發生鋼球與彈簧錯位的單

向閥失效情況。

使用改進的單向閥安裝于主軸后重新開機試驗，并將機床投入正常生產使用，該臺機床未再發生主軸冷卻油混入切削液的故障。將該故障解決的方法運用于加工區域的其他17臺機床，此類問題均得到了解決。

6　結語

通過本次加工中心電主軸的自主維修，解決了筆者公司該型號18臺機床主軸冷卻油混入切削液的通病，攻克了供應商無法解決的原設備缺陷，提高了機床主軸的使用壽命和設備的開動率，工件加工生產更加流暢。

維修過程中，主軸各流體通道的整理和分析、故障可疑區域的檢查和逐一排除、故障根源的確診和最終改進方案的實施都由維修人員自主完成，為今后維修解決主軸各類流體故障積累了經驗。

[1]孔祥志,李長英,王家興,等.內裝式電主軸冷卻方式的探討[J].機械工程師,2011(1):30-31.

[2]劉偉.臥式加工中心主軸系統設計[D].大連：大連理工大學,2009.

(編輯孫德茂)

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Failure analysis and troubleshooting on cooling oil of motorspindle cooling system in CNC machine

ZHANG Lu

(Shanghai Automobile Gear Works Co., Ltd., Shanghai 201807, CHN)

Motorspindle of high speed machining center uses cooling system for cooling and lubrication. The quality of cooling oil directly affects the working life of the spindle. By introducing the cooling oil circulation system of the spindle in machining center, this paper analyses the reason of cutting fluid being mixed into oil of spindle cooling system, elaborates the whole course of troubleshooting as well as the improvement of the machine tool, solves the common problem of cutting fluid being mixed into oil of spindle cooling system in the same type machines, increases the working life of the spindle dramatically.

CNC machine failure; motorspindle; spindle cooling; troubleshooting

TP23

A

張璐，男，1981年生，工程師，主要從事制造設備的機械維修技術工作。

2015-12-15)

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