淺析高精數控機床主軸維修

程永豐，劉亞玲

（河北第二機械工業有限公司，河北石家莊 050031）

1 主軸市場的需求分析

1.1 高轉速需求

隨著質量強國戰略的提出，對產品質量特性的要求，國家標準、規范相關的要求越來越高。在機械、航空、航天、軍工、化工、礦山等領域，對產品的可靠性、安全性、測試性、維修性、保障性和環境適應性提出越來越高的要求，對應的技術規范、工藝規程標準也越來越高。根據工件光潔度、加工效率的要求，客戶對機床高速穩定運行隨之提出高要求；隨著刀具表面涂層技術、刀具合金技術、刀具整體加工技術的進步，高速切屑刀具日漸成熟，大功率高速電主軸、放大驅動模塊以及數字化控制系統和防護、報警系統等技術的日漸成熟，機床主軸高速運行成為行業發展的必然發展方向，知名機床制造企業爭相開發運用新一代高速數控機床，加快機床高速化發展進程。不同品牌的機床，均配備有高轉速的機床主軸（圖1、圖2）。

圖1 高速雙端數控機床

圖2 高精度數控機床

1.2 靜態特性需求

（1）無變形或微變形。在不運轉時，主軸除了承受自身質量之外，前端會承受卡盤、工裝、工件的質量，后端承受液壓缸、皮帶輪、拉桿等部件的質量，同時還承受安裝自身、卡盤等部件的系統內部應力。受外部環境溫度變化的影響，為達到機床加工時的穩定性，整個主軸系統要求無變形。這就要求合理選用主軸材料與加工工藝、熱處理工藝及裝配工藝方法、技術等，以保證主軸靜態無變形、無應力的要求。

（2）高精度。數控機床組裝、安裝完成之后，所需的靜態軸向竄動、回轉跳動、與導軌的平行度等，應符合國家、行業、企業的標準要求，同時重點考慮客戶的專項要求。

1.3 動態特性要求

（1）固有頻率。由于機床主軸組成、結構的特點，各回轉部件質點必然存在不同心、不同線的情況，因此主軸在不同轉速旋轉時必然會產生不同頻率的振動。由于主軸自身存在一個固有頻率，當旋轉產生的頻率與固有頻率相同或成倍數時，振動必然放大，這將嚴重影響工件的表面光潔度和其他表面質量。因此，機床動平衡測試成為機床安裝后需要測試的重要項目之一。

（2）臨界轉速。當機床主軸運轉在特定轉速形成的頻率與固有頻率一致時，產生的振動最為強烈，甚至造成部件的損害，這個問題在主軸維修、裝配時需要特別關注。另外，在拆卸、安裝過程中，應嚴格按照裝配工藝要求執行，避免敲打、撞擊造成個別受力部位變形，造成動態平衡的破壞，加大固有頻率的范圍。

（3）動態響應。高速機床主軸在運行時，應具有較好的啟動、制動、受力切削、螺紋車削的良好響應特性，這需要主軸有很好的剛性、動平衡和良好的慣性指標。

1.4 快速、經濟維修的需求

高精設備主軸一般結構為預裝免維護式，主軸軸承精度、價格高，動輒數萬元。設備主軸出現故障的原因，一般是軸承長期使用后造成的，且設備主軸處，設備生產廠家粘貼不得拆卸的警示標識。由于設備本身價值較高，如長時間停機，不僅設備的時間磨損較大，另外高精設備一般擔負關鍵、精密零部件的加工任務，出現故障后將大大影響生產進度。一般返廠維修時間是，在不包括往返運輸時間外的15 個工作日，總體時間在20 個工作日左右；維修費用，不包括現場拆裝，維修費數萬元，并且售后人員來現場無手段修復，須返廠維修；部分設備部件返廠維修時間為3 個月。在高精設備普遍使用的情況下，進行自主維修勢在必行。機床故障主要表現以下4 個方面：①主軸運行時聲音、溫度異常；②工件表面光潔度超差、刀痕雜亂；③工件切削時振刀；④工件尺寸、外觀形狀等異常。

2 解決措施

故障解決的一般流程為：首先，根據圖紙和實物，掌握主軸的結構、構成材料性能（圖3、圖4）；然后分析主軸的原理、結構，軸承安裝注意事項等；最后制作專用工具來解除故障。

圖4 高精數控車床主軸結構

2.1 主軸的原理、結構

2.1.1 滾動軸承的間隙量

軸承間隙與主軸組件的靜態剛度成反比，組件剛度最大時，是軸承在零間隙附近。然而，主軸組件動態特性與軸承間隙量之間的關系卻較復雜。在主軸前端裝夾處激振時，軸端的共振頻率與軸承間隙減小成反比，但軸端共振幅值卻具有最小值。不適合的間隙量會造成主件動態特性的下降，若間隙量過大，這是因靜態剛度較低所造成；若間隙量過小（即過盈量過大），則是因阻尼減小所造成。

主軸軸承在安裝時，軸承由鎖緊螺母施加軸向鎖緊力，來調整軸承內外環與滾珠（滾柱）之間的間隙，和各零件、部件之間形成工作系統。當鎖緊力較小時，軸承將工作在較大間隙會造成主軸徑向或軸向的竄動、跳到，而直接影響零件的加工尺寸和精度。此時軸承的受力區域也相應減小，負載主要作用于受力方向的個別滾動體上，造成負荷未完全分布在應受力的全部軸承區域上，引起軸承振動而發熱和磨損的加劇，從而縮短使用周期。由于軸承裝配緊固力相對較小，各零件之間相對松散，抗振性能必然削弱。當鎖緊力使軸承各零件之間零間隙時，受力面積將增大，滾珠與軸承內、外圈滾道理論上全部可靠接觸，形成封閉的圓環點、線接觸，主軸的回轉精度、抗振性能的效果較好。當鎖緊力使軸承各零件之間過盈配合時，滾珠、滾道產生微小彈性變形，與滾道的接觸面積較零間隙時增大，使受力范圍擴大到整個軸承內、外圈，則主軸組件的剛度和抗振性都能得到顯著提高，但軸承易發生過熱現象。因此，滾動軸承安裝、調整過程中，調整、保持合理的間隙量，是保障主軸旋轉精度基本條件，同時還應考慮阻尼比，以得到最佳的軸頭共振幅度，理想的剛度、共振頻率和動態加工精度。

2.1.2 滾動軸承的間隙量選擇

主軸滾動軸承的最佳間隙量（或最佳預加載荷量）需要考慮機床的工作環境和軸承類型，根據積累的試驗和生產經驗加以確定。調整軸承間隙（或預加載荷）的一般原則是：對于高速、輕載或高精機床主軸組件，軸承間隙量可采用較大間隙，以便彌補主軸高速運轉后的熱膨脹，同時消除軸承間隙并起到附加載荷的從用；對于中低速、載荷較大或一般精度的機床主軸組件，軸承間隙量可采用其較小間隙，以便提高剛度和抗振性。通常球軸承比滾子軸承允許的預加載荷要大些，精度較高的軸承所允許的預加載荷也要大些。

2.2 軸承安裝注意事項

（1）采用熱裝。由于主軸的體積較大，而且是永久使用部件，一般不采用加熱、冷卻的方式處理；采用軸承熱裝的方法，同時做好各種安全防護措施：①采用機油（10 號）加熱的方法；②采用電磁爐加熱的方法；③軸承加熱器；④溫度控制在120 ℃以下，根據不同加熱方法采用不同的測溫裝置。

（2）環境清潔、無粉塵。

（3）加熱用的介質必須經過濾，容器也需經過加熱清洗，以免軸承在加熱過程中有異物進入。

（4）加注的潤滑油脂牌號不得低于ARCANOLSPEED2.6-250G#KFAG。

（5）務必按軸承標記安裝才能達到軸承性能最優。

（6）做靜態、動態的平衡性實驗，并調整至符合工藝要求的數據之內。

2.3 軸承螺母預緊力

軸承螺母預緊力是主軸軸承安裝成功的重要參考指標，也是軸承一次安裝成功的技術保障。表1 為經部分實踐采用的數據，其中718、719、70、72 為軸承大類規格。

表1 鎖緊螺母的鉗緊力與預緊力

2.4 制作專用工具

（1）利用力矩限制器等標準件和計算后的加長杠桿，制作的數控車床軸承預緊力施加工具（圖5）。

圖5 主軸安裝用工具（部分）

（2）制作的雙端數控車床動力回轉主軸內孔軸承拆裝工具（圖6）。

圖6 動力主軸拆裝工具

3 應用成效

（1）修后效果。高精數控車床維修后，設備精度與入廠時的精度相差0.001 mm，高于近期日常驗證的標準。另外，設備運行聲音正常，加工工件穩定性、一致性良好。

（2）節省維修費用和維修時間。

（3）自制工具。通過自制軸承拆卸工具，使工作過程受力均在其部件系統內部，避免拆卸時動力回轉頭與機床本體的位置公差的變化，同時保證其本身的形變、機床整體精度以及電絕緣性、潤滑油霧、水冷系統的密封性。

（4）提高設備利用率，確保生產計劃節點的實現。

（5）提升維修人員的維修技能，部分人員掌握了對高精設備及電驅動主軸的維修方法。

（6）逐步建立完善維修工作工藝，完善了維修工裝、工具。