淺談電主軸的基本結構和維修保養

高海玉

（中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春130000）

在重工業高速發展的今天，數控加工設備得到了廣泛的應用，特別是在國家提出“一帶一路”的發展戰略后，軌道交通車輛在國內和國際都開辟了前所未有的市場，隨著產量的上升，生產設備的負荷必然加重，數控加工設備的核心部件電主軸就發揮了重中之重的作用。那么設備的管理人員和維修人員怎樣維護好電主軸長時間無故障運行呢？首先就要深入剖析電主軸的組成結構和原理。

1 電主軸的結構組成

主軸是指從發動機或電動機接受動力，并將動力傳遞給其它機件的軸。主軸的結構形式主要有三種，第一種是內裝式主軸，也就是本文論述的電主軸，是電機和傳動裝置都裝在一個密閉的殼體內，主要用于數控銑床、數控車床和內磨圓床，在我公司的加工中心等設備得到了廣泛應用；第二種是直聯式機械主軸，是電機外置于主軸殼體，電機與主軸在同一軸心上放置，并由聯軸器進行連接，這種連接方式可以最大程度的體現伺服電機的性能，通過聯軸器連接可以杜絕電機和主軸之間的游離間隙，傳動精度較高，但對聯軸器本身和安裝要求提出了嚴格的要求，主要用于加工中心和數控銑床；第三種是同步帶傳動機械主軸，相比直聯式的主軸結構，同步帶式結構具有安裝方便、維護簡單、運行噪音低等特點，最主要是對兩軸之間的位置精度要求不高。由于機械主軸在高速運行時無需潤滑，具有免維護的特點，并且在主軸超出額定負載時，可以通過同步帶“爬齒”的形式進行緩沖，可有效保護主軸和伺服電機。這種連接形式主要應用于數控銑床、數控車床、內磨圓床，一些攪拌摩擦焊設備也是采用這種同步帶連接式主軸。

電主軸具有高轉速、高精度、低噪音、響應快等特性。作者將電主軸歸納為以下幾部分組成，包括無外殼電機、測量系統、傳動機構、拉刀單元、冷卻單元、潤滑系統、殼體等組成。

電機，即為我們常說的定子和轉子，定子是由線圈纏繞組成，繞組絕緣是由匝間絕緣、槽絕緣和相間絕緣等三個絕緣單元結合，完成繞組絕緣的綜合體。轉子是由硅鋼片疊加和軸芯鑄造而成。電機由伺服驅動器提供電源動力和轉速，我們公司的CYTEC 電主軸最高轉速可達15000rpm，OMLAT 電主軸最高轉速可達16000rpm，加工中常用轉速為8000～10000rpm。

測量系統包括編碼器、位置傳感器、溫度傳感器。編碼器采用與主軸同步的光電脈沖發生器，通過中間軸上的齒輪1:1 地同步傳動。位置傳感器是在拉刀機構的后端，通過檢測油缸的位置，以確認主軸松抓刀狀態，有松開、有刀夾緊和無刀夾緊三種狀態。溫度傳感器，是預埋在繞組內部，以用于檢測電機溫度。

傳動機構主要由軸芯和前后端軸承組成，一般前端裝3 口軸承，后端裝2 口軸承，軸承會受到端蓋和彈簧施加的預緊力，軸承潤滑常用的方式是油氣潤滑、油霧潤滑和油脂潤滑三種。

拉刀單元也是電主軸的重要組成部分之一，包括液壓油缸、拉桿壓頭、碟形彈簧組、拉桿、液/氣切換套、墊座、夾緊錐和夾爪等組成。其中的碟形彈簧屬于易損件，由于長時間使用后，碟簧受力會出現碎裂，導致夾緊錐的伸縮量不夠，從而使主軸出現不能松刀的故障。

冷卻單元主要由外部的水冷機提供水循環的動力源，冷卻水流經主軸內部的冷卻水套，將主軸內部的熱量帶走到水冷機內部并冷卻繼續循環，這樣一個給主軸降溫的過程。

2 電主軸的常見故障

2.1 主軸伺服故障。西門子系統常見報警號為300504，主要由于過載、振動超限或驅動故障等引起。過載的原因有多方面，比如電機性能下降、定子繞組短路、吃刀量過大或軸承抱死，都有可能導致過載；振動過大的原因，主要是軸向間隙或徑向間隙超差導致；電源供給主軸的三相中頻電壓過高、缺相或驅動器、軸卡故障，也會導致出現伺服報警；剛性差會導致加工中丟轉，從而引起主軸伺服故障。

2.2 主軸抓刀后，機床報警顯示沒有刀。此故障通常是由于疊簧碎裂，導致拉刀機構行程距離不夠，未能被傳感器檢測到；其它故障原因包括刀位傳感器故障、線纜故障以及夾緊錐伸縮量超范圍；還可能是由于液壓站輸出壓力不足，導致主軸拉刀不到位。

2.3 編碼器報警。主要由于振動過大引起，超出設定的振動檢測范圍；同時插頭、插針插接不好，線纜虛接或編碼器自身故障也會導致出現編碼器報警。

2.4 主軸溫升過高。主軸冷卻方式同常為水冷、油冷、風冷，其中水冷機循環水冷卻方式應用最為廣泛。水（油）冷機制冷效果不好，或者介質流動不暢通，都會導致主軸過熱；軸承潤滑不充分，會導致軸承發熱，如果油脂填充量太多，主軸運轉時無法在短時間內將多余的油脂全部甩出工作區域，也會導致軸承發熱；另外，軸承裝配時反莊、軸承外徑與軸承座孔內徑配合間隙過小、過盈偏大、調整墊偏差等，都會導致軸承迅速升溫。

3 電主軸維修方法

電主軸維修過程中經常會涉及到以下幾部分內容：纏繞線圈繞組、更換軸承、修復拉桿、維修或更換編碼器、更換疊簧，通常根據電主軸維修前整體檢測和拆解檢測結果來確定具體維修內容。

3.1 檢查

檢查電主軸外殼名牌編號，并記錄到維修卡上。查找該主軸相關資料，找到主軸參數及裝配圖。檢查主軸受損程度，了解故障原因，并做記錄。自外圍開始逐一拆卸主軸零件。（轉下頁）邊拆解變檢查損壞程度，并分析損壞原因。對結構復雜或比較特殊的電主軸，拆卸時應同步拍照記錄，以利于確定裝配方法和順序。

3.2 拆卸

拆下前后防塵蓋或后蓋，清理主軸前端污垢。用兩腳扳手卸去前端右旋螺母。用專用套扳手卸去后端左旋螺母。用小桐棒頂入軸端小孔（不可碰傷內螺紋），用大銅棒輕擊小銅棒，自前向后拆出轉軸、后軸承組合和后端預負荷系統，同時拆去前小蓋。用撐鉤將前軸承組合從座孔中取出，從軸上取下后軸承組合。

裝有后滾動導套的電主軸，應將后軸承座、后軸承座組合和滾動導套隨轉軸一起從后孔拆出。然后再從軸上卸下后軸承座與后軸承組合，從后軸承座中退出后軸承組合。

需要拆修定子的電主軸應先松去殼體側面頂絲，卸去前、后大蓋，用電烙鐵將電機引線從插接件上燙下，使定子從殼體內腔滑出。

3.3 軸承的裝配

更換軸承時一般按照原軸承型號、數量、組合方式就可以，主要是注意安裝方法，必須保證軸承鋼球在工作溝道內以額定轉速無間隙滾動。并能承受主軸工作時所受到的軸向力和徑向力之軸向分量。同時，應能克服定轉子偏心產生的單邊磁拉力對主軸的影響。

4 電主軸保養方法

使用中電主軸的保養主要包括清潔、潤滑、冷卻三方面。操作者在換刀過程中，要做好刀柄的清潔，需要用干凈的擦紙或擦布清理刀柄里外的鋁屑（鐵屑）和油污，以及觀察夾緊錐和夾爪是否干凈，如果有鋁屑、鐵屑等雜質，要立即清理。在加工時，要經常關注主軸和水冷機的溫度。加工結束后，徹底清理主軸上的鋁屑（鐵屑）和油污。前面提到了主軸的三種潤滑方式，我們常用的油氣潤滑方式是通過微量油泵，將潤滑油定時、定量地傳輸到軸承的潤滑區，所以，操作人員和維修人員要做好潤滑系統點檢工作，發現異常及時處理。油脂潤滑方式，是潤滑脂置于免維護軸承的內部，在日常使用中，只要關注主軸外殼的溫度就可以。除做好軸承潤滑，維修人員還需要定期做好以下工作：①定期對夾緊裝置加金屬潤滑脂，以對夾緊錐和夾爪進行保養。②定期測量鉗刀距離是否符合范圍，刀柄HSK63 的范圍是10.5±0.1mm，HSK100 的范圍是13±0.1mm。③定期檢測拉刀力，刀柄HSK63 的拉刀力正常值范圍是18+5.4/-1.8kN，HSK100 的拉刀力正常值范圍是45+15.5/-4.5kN。冷卻單元的保養，首先保證循環水為純凈水，以免導致水箱和主軸水套等金屬生銹；第二要保證水路暢通，無泄漏；第三要經常關注水冷機的工作狀態。除以上，還要定期對水冷機的壓縮機進行保養，對散熱器片進行清潔，以保證制冷效果。長期不用的電主軸，從機床拆下后，應用氣管吹盡電主軸冷卻腔內殘水，然后進行油封。啟用時，首先用煤油洗去表面防銹油，然后應做以下工作：a.通油霧3-5 分鐘，用手擰動轉軸，感覺無滯阻；b.用兆歐表檢測對地絕緣。通常應≥10MΩ；c. 接通電源先以1/3 額定轉速運轉1小時，無異常現象時升速1/2 額定轉速運轉1 小時，無異常現象再以額定轉速運轉1 小時。

5 結論

對電主軸進行專業、精細的維保可以延長使用壽命，不正確的使用使用和不到位的維保不但會增加維修經費，而且會大大增加停臺時間，對生產造成嚴重影響，導致效益上受到嚴重損失。所以，正確的維保電主軸可以起到事半功倍的作用，在生產中具有長遠的意義。