精密加工設備主軸精細化維修探討

張 均，蘇 玲

（陜西寶成航空儀表有限責任公司機動分公司，陜西寶雞 721006）

0 前言

隨著機械加工技術的飛速發展，集計算機控制技術、高速加工技術于一身的數控加工中心，在公司航空產品的生產試制過程中得到了廣泛運用，并發揮出重要作用。數控加工中心主軸箱作為機床最重要的核心部件，在加工過程中承擔著最繁重任務。主軸箱運轉正常與否，直接影響到零件加工精度、表面粗糙度和加工效率等。而在設備使用過程中，主軸箱換刀故障發生頻率較多，在設備故障維修工作中占有很大的比例，對零件加工任務的順利完成起著決定性的作用。精準、快速的判斷和排除故障，對維修技術的掌握提出了較高要求。經過多年探索與積累，以立式加工中心XH714D型機械主軸箱為例，給出主軸部件的修理與調試排故的方法。

1 主軸箱結構與工作原理簡介

1.1 主軸箱結構

（1）立式加工中心XH714D型方形主軸箱，安裝在立柱導軌上。主軸前端錐孔為ISO BT40，前支承軸承為7012CDBT/GLP4型高精度三聯成組安裝向心推力球軸承，后支承軸承為7012CDB/PLP4高精度雙聯成對安裝向心推力球軸承。通過前端法蘭盤將主軸總成固定在主軸箱體內。前軸承預緊力通過前端蓋及備帽（調整螺母，下同）調整，后軸承預緊力由后備帽直接調整。主軸運轉動力由伺服電機通過同步齒形帶提供，運轉速度及方向由NC控制通過伺服放大器實現。主軸準停由伺服電機內部編碼器檢測，伺服電機執行，通過同步齒形帶帶動主軸定位準停，為自動換刀提供準確位置。主軸上端的氣缸活塞桿（裝卸刀氣缸，下同）作用于拉刀桿實現自動、手動換刀。通過冷卻油在主軸箱內部循環，保證主軸不發熱和恒溫運轉（圖1）。

（2）根據多年維修經驗，對主軸箱維修流程進行了歸納與總結（圖 2）。

（3）由于加工中心主軸在加工過程中高速運轉，承受著巨大的切削抗力。隨著使用年限的增加零件磨損精度下降或由于意外事故的發生導致個別零件精度失效，造成工件加工面粗糙度不能滿足要求、圓度超差、尺寸精度下降、運行噪聲過大、主軸準停位置無規律變化、裝卸刀報警等故障。因此對主軸回轉精度的修復與提高，將會更好地保證和提高零件的加工精度，提升機床的加工能力。

圖1 主軸結構

1.2 主軸箱的修理

1.2.1 修理前的準備工作

主軸出現故障后首先要根據主軸的工作原理、結構進行全面診斷分析，初步確定故障點及造成故障的原因。運用現場詢問法、觀察測量法、排除法、邏輯推理法、受力分析法等多種手段綜合判斷，結合平時的工作經驗進一步確認故障部位及損壞零部件，制定相應的修理工藝路線，預報可能要更換的備件，準備好拆卸修理工具、專用潤滑脂、清洗用具和清洗煤油，以及零件存放箱等。零件較多時，為了便于記憶和保證順利裝配，需按照拆卸順序分組編號存放和保管。

1.2.2 主軸的拆卸

開始修理前，為便于工作應將主軸箱停在合適的高度；拆除護罩；拆下裝、卸刀氣缸；松開主軸伺服電機的4個緊固螺釘及2個調整螺釘，拆下主傳動同步齒形帶；拆下主軸拉桿上端2個備帽，取出拉桿及碟型彈簧；拆下主軸上端備帽以及主軸下端法蘭盤6個M10內六角螺釘并墊好木墩，從上往下用紫銅棒輕輕將主軸連同前軸承一并敲出，松掉前軸承備帽，從主軸上輕輕取出前軸承；從主軸箱下端向上用紫銅棒輕輕敲出后支承軸承，完成主軸的拆卸工作。

圖2 主軸箱維修流程

1.2.3 主軸零件的清洗與檢查

拆下的零件需用煤油清洗干凈，嚴禁使用汽油等其他易燃易爆、有腐蝕性的介質進行清洗。清洗的步驟按照軸承、主軸、隔套、襯墊、箱體孔及其他聯接傳動件等依次進行。零件清洗結束，待煤油晾干后進行仔細檢查。首先根據工作經驗和手感（在沒有軸承檢查工裝、儀器情況下）檢查主軸軸承游隙是否符合要求，在放大鏡下面檢查軸承滾道是否有研傷拉毛、剝蝕等缺陷；檢查主軸及其安裝孔、隔套、襯墊有無擠傷、壓傷以及毛刺等情況產生；測量襯墊、隔套幾何精度并記錄，以便裝配時調整軸承配合間隙；最后檢查其他零件有無影響裝配的瑕疵。根據分解前、后檢查情況以及零件加工缺陷，最終確定故障以及損壞原因，確認更換件的名稱、型號、規格、數量，并制訂修理工藝等。

1.2.4 主軸的修理精化與失效零件的更換

（1）主軸及箱體孔的修理。主軸及箱體缺陷主要是指主軸與軸承配合面及箱體孔表面的劃傷、碰傷、壓傷、擠傷等，主要是在主軸裝配、拆卸過程中配合面清理不干凈、拆裝工藝不合理、拆裝方法不正確造成。如果處理不好會影響主軸的回轉精度，并且造成裝配困難。因此在主軸裝配前必須要用干凈煤油認真清洗各零部件，特別是配合面；仔細檢查主軸表面是否光滑整潔、軸承精度是否符合要求、內外隔套尺寸和平行度以及箱體主軸安裝孔是否滿足裝配要求。發現缺陷時先用刮刀祛除周圍高點，再用細膩的剛玉油石把周圍毛刺去除干凈。條件具備時也可以自制研具，使用細膩的氧化鉻研磨拋光膏進行研拋，確保安裝配合面光滑無高點，以達到理想的精化裝配效果。

（2）主軸軸承的更換。主軸軸承作為保證回轉精度最關鍵的備件之一，稍有缺陷就會對零件加工精度造成嚴重影響。軸承失效多見于滾道的研傷、剝蝕、滾珠燒黑等。造成這類故障的原因是：潤滑油污染失效、主軸在潤滑不良情況下高速運轉時間過久、吃刀量過大產生過載或受過大的沖擊力造成。出現上述情況之一就必須更換。由于主軸回轉精度要求高，因此選用了德國FAG公司高精度成組安裝軸承。安裝前首先要嚴格檢查軸承的質量與精度，用干凈煤油對軸承進行清洗3遍，用綢布擦凈煤油，嚴禁使用壓縮空氣直接吹干軸承滾道；然后再清洗主軸及箱體主軸安裝孔，同樣用綢布擦干。清洗干凈后給2組軸承分別填充主軸專用潤滑脂，油量為滾道空間的1/6，最多≤1/5，否則軸承容易發熱。

（3）軸承隔套的修復。隔套是保證軸承裝配精度的關鍵件之一，其兩端面的平面度、平行度對主軸的回轉精度至關重要。修復前先用著色法在O級平臺上推研，取接觸面最好的端面作為基準。用氧化鉻研磨膏，10號錠子油作研磨劑，在專用平臺上仿8字運動研磨。隔套要拿正輕研，保證不變形。用0.001的千分表在0級平臺上測量上、下端面的平行度，必須保證＜0.002 mm，決不能出現局部凸點。如果有凸點就必須研拋祛除，且保證基本尺寸不變，只有保證隔套的精度才能保證主軸裝配后的回轉精度。隔套修復技術要求，見圖3。

圖3 隔套修復技術要求

（4）主軸的組成與裝配要點。在精整后的主軸及箱體主軸孔也涂上薄薄一層專用潤滑脂，主軸套上墊圈及前法蘭盤，按照組配順序及方式裝入前面2個軸承再依次裝入內外隔套前端最后1個軸承，注意不能把順序裝錯。再裝入襯墊帶上備帽調整好間隙，用手轉動主軸軸承或者主軸，手感靈活、轉動輕快、沒有間隙時鎖死備帽。將準備好的自制精密小型千斤頂（圖4）放在工作臺面上，然后將組合好的主軸總成置于千斤頂上面，將高度墊到上軸承與箱體主軸孔接觸，轉動千斤頂升降螺母將主軸輕輕推入孔內。帶上6個內六角螺絲轉動主軸手感靈活、平穩、自如、無阻滯現象時，擰緊6個安裝緊固螺釘。嚴禁用Z向進給向下移動主軸箱將主軸壓人主軸孔內，這樣極容易損壞軸承或者擠傷主軸孔。用千分表檢查主軸徑向跳動及軸向竄動全部符合精化要求時，按照組配方式依次從主軸上端向下裝入成對安裝軸承及墊圈、皮帶輪用備帽調整好間隙，將備帽鎖死防止松動。檢查無誤后，安裝調整好同步齒形帶即可運轉試車，試車時從1000 r/min開始到最高速8000 r/min，分9擋逐擋運轉，各級轉速運轉時間≥20 min，最高速連續運轉≥40 min。運轉聲音、溫度正常時，再次復查主軸回轉精度。

圖4 自制精密小型千斤頂結構

（5）主軸精度的檢查。手動方式將BT40標準檢驗棒裝入主軸。確認拉緊后主軸啟動，低速運轉進行。依次檢查主軸定心軸頸的徑向跳動、主軸錐孔中心線的徑向跳動、軸向竄動。各項精度指標全部達到要求時，結束主軸修理精化工作，準備加工試件。修理精化結束后的精度檢驗記錄，見表1。

表1 修理精化后的精度檢驗記錄

（6）主軸箱精化修復后的效果。修理精化結束后，經過試運行以及試加工，主軸各項指標良好，性能與加工精度穩定，生產效率、產品合格率得到提高。特別是長時間困擾零件加工表面粗糙度達不到要求問題得以解決。

1.3 主軸換刀故障的診斷與排除

主軸換刀常見故障有：加工過程中掉刀、刀柄震動；刀柄裝不上或者卸不下；裝刀未拉緊、卸刀未松開等。這些故障有些有報警提示，有些無報警提示。對于無報警提示的故障，就需要憑工作經驗和維修技術進行排故和修理。

1.3.1 刀柄振動和換刀故障檢查與修復

（1）加工過程中出現刀柄振動，直接影響零件加工面的粗糙度，而加工過程中出現掉刀會直接造成零件報廢，必須高度重視。出現刀柄振動或掉刀的直接原因就是刀柄與主軸錐孔錐面配合不好、刀柄拉緊力不夠等造成。

（2）檢查、排故方法。首先檢查刀具錐柄及主軸錐孔表面是否有高點，拉釘是否有嚴重的磨損變形等情況。錐面有高點時需用油石去掉高點再對錐面進行研拋，使內、外配合錐面貼合率＞70%。如果拉緊力不夠，大多是刀柄拉釘或主軸拉刀卡爪嚴重磨損造成，更換拉釘或卡爪即可。更換后拉緊力仍然不夠時就要檢查蝶型彈簧是否損壞。檢查時先要松開備帽拉桿，取出主軸孔內的蝶形彈簧進行檢查，清理出損壞蝶形彈簧片并更換。更換時檢查新蝶形彈簧有無裂紋、表面是否光滑等，符合要求時在彈簧表面涂上一層薄薄的潤滑脂，按照2片一組，2組一對組合，依次裝入蝶型彈簧、墊片，帶上調整備帽。備帽的松緊以卡爪能打開，拉釘能順利進入卡爪且拉緊刀柄為宜。備帽的調整不能過松或過緊，否則不是拉不緊刀柄就是壓碎彈簧。安裝完畢后可多次進行裝卸刀試驗，裝刀順暢、卸刀自如、無異常聲音時，方可交付操作工操作。

1.3.2 主軸準停無規律變化故障的檢查與修復

主軸準停就是機床在執行自動換刀時，主軸必須停在固定位置，以便刀柄順利裝入主軸或還回刀庫。如果主軸準停位置發生無規律變化就會使自動換刀無法順利進行，甚至損壞刀具或刀庫。造成準停位置變化的原因有：主軸控制參數的變化或者機械故障。現以機械故障為例進行分析。從傳動鏈結構便可分析得出，造成主軸準停位置無規律變化的原因，就是由于同步齒形帶老化掉齒或者同步帶輪與主軸聯接鍵出現間隙，使主軸與伺服電機運動不同步造成。檢查確認時，首先檢查皮帶有無老化掉齒現象，再用手捏緊主軸檢查皮帶輪與主軸聯接鍵的間隙情況。當同步齒形帶老化損壞時就必須更換。更換皮帶時先拆掉換刀氣缸，松開電機固定及調整螺絲把電機推到靠近主軸位置取出舊皮帶，把主軸旋轉到準停位置，電機定位準停，把新皮帶套在電機及主軸皮帶輪上，把電機向后推到固定位置，轉動調整螺絲調整皮帶松緊，檢查主軸前端面2個鍵塊側面的平行度＜0.02 mm，以保證刀柄能順利插入主軸錐孔。齒形帶松緊合適鍵塊平行度符合要求時，擰緊固定電機的4個螺栓。如果是主軸與皮帶輪聯接鍵有間隙，就要先拆掉皮帶，松開皮帶輪備帽，拆除皮帶輪，重新配制平形鍵。主軸鍵槽損壞嚴重時就要將主軸整體拆出修復2個鍵槽。修復時必須要保證2個鍵槽的對稱度＜0.01 mm，以方便皮帶輪安裝。由于主軸鍵槽修復后尺寸變寬，因此聯結鍵就要加工成“凸”形，具體尺寸根據實際情況確定。將皮帶輪毛刺清洗干凈，再涂上潤滑脂后組合安裝，主軸以及同步齒形帶的安裝調整同前述。反復操作主軸準停，位置準確無誤后修理調整結束。

1.3.3 裝卸刀故障的檢查與修復

這類故障比較常見，主要有主軸刀柄不能裝入主軸錐孔或者刀柄從主軸錐孔內不能卸出，刀柄拉緊后仍然顯示刀柄未拉緊，或者刀柄松開后仍然顯示刀柄未松開等，使程序換刀不能正常進行。故障的檢查與排除方法：

（1）主軸刀柄不能裝入主軸錐孔或者從主軸錐孔內不能卸出的故障檢查與排除。根據主軸換刀機構的動作原理分析，出現這類故障是由于氣動打刀缸出現故障，造成活塞桿行程不夠所致。造成的原因有：氣壓未達到要求壓力、增壓油缸缺油、增壓油缸密封件損壞造成油缸拉傷等。檢查修理時應遵循從易發故障、最易檢查部位開始逐步排查，直至故障排除。

檢查程序：檢查氣壓是否≥0.5 MPa；壓力達到要求時用手動操作方式檢查打刀缸活塞桿的行程是否符合要求，如果活塞桿行程短不能將刀柄拉桿壓到位時，就要檢查打刀缸增壓油缸是否缺油，如缺油就向油缸旁邊油壺內加N46抗磨液壓油（約200 ml）,手動重復操作換刀動作，直至換刀正常為止；如不缺油就是由于打刀缸內部零件老化破碎拉傷油缸，活塞桿阻力過大不能完全伸出造成。修理方法：拆下打刀缸分解增壓油缸更換活塞桿上Y形密封圈及O形密封圈，然后修復油缸拉傷。修復時把油缸清理干凈，用曲面刮刀祛除高點，再用剛玉油石油光（有條件時可絎桁磨修復），再次清洗后缸內加油組合安裝，觀察調整活塞桿前端調整螺釘長度，以活塞桿全部壓下后刀柄卡爪全部打開，刀柄能順利取出；油缸活塞桿全部退回油缸后，卡爪能把刀柄拉緊并且離拉桿后端有2～3 mm間隙為宜。

（2）刀柄拉緊后顯示刀柄未拉緊，刀柄松開后顯示刀柄未松開故障的檢查與修復。出現這類故障的原因有開關位置變化和開關損壞。檢查排故方法：用手動操作方式裝、卸刀柄，在打刀缸活塞桿全部伸出或者退回的情況下，仔細調整限位開關的安裝位置，以活塞桿到位，接觸片壓下相應的開關觸頭，限位開關接通，發出裝、卸刀柄到位信號為宜。切不可提前發出到位信號，否則將會出現活塞桿未全部伸出或退回，甚至活塞桿未脫離拉桿，機床已經開始下一步動作，而損壞其他零部件。

如果開關觸頭壓下，開關仍未接通時就必須用萬用表檢查確認是否存在開關損壞或者線路故障，如果開關損壞就必須更換，線路故障就要檢查和排故，徹底排除換刀故障，確保主軸箱及部件的正常運轉。

2 主軸箱維護與保養

（1）開機前應先檢查主軸恒溫油箱液位高度是否符合要求，壓縮空氣壓力、質量是否達到標準，主軸錐孔及外表面是否干凈、整潔。

（2）通電后，手動檢查裝卸刀柄吹氣是否正常；刀柄裝、卸是否順暢；恒溫油循環是否流暢；裝入刀柄后，啟動主軸低速運轉5 min，中速運行≥5 min，然后再高速運行≥5 min，主軸達到熱平衡時方可開始零件加工。禁止主軸不裝刀柄高速運轉。

（3）根據所加工材料及加工余量選擇合理的轉速，一般將加工所用的最高轉速設定在額定最高轉速的80%以內。

（4）為了主軸長期保持良好的精度及性能，工作前認真檢查、校驗操作程序，對刀要認真仔細；進刀量選擇要科學合理，使主軸避免遭受沖擊或者過載。

（5）工作中要保持刀柄及主軸錐孔干凈，拉釘型號、長度符合要求。發現漏油、漏氣、噪聲、溫度過高等其他故障時，要立即停機找專業維修人員檢查處理，以免損壞其他部件；嚴禁使用壓縮空氣清潔主軸。

（6）工作結束后要及時將刀柄還回刀庫，將切削液清理干凈，擦干刀柄，用主軸清潔棒及時清潔主軸錐孔，以免生銹影響正常使用。

3 結束語

加工中心的修理是一項非常精細的工作，修理者不但要有高超的機修技術，還要有過硬的鉗工技術和相應的電工技術，這樣才能具備數控機床故障的準確診斷、分析、修理能力。主軸箱作為機床最重要的部件，對零件加工任務的完成至關重要，修理要求特別高，驗收條件極為苛刻，因此對修理人員的技術素質要求也就特別高。經過主軸精化修理，能夠提高主軸的回轉精度，提升機床的加工能力和穩定性，保證公司多項關鍵件的零件加工。