第8章机械部件的维修与调整

第8章机械部件的维修与调整8.1数控机床主传动系统的结构原理与维修主传动系统是用来实现机床主运动的，它将主电动机的原动力变成可供主轴上刀具切削加工的切削力矩和切削速度。为适应各种不同的加工及各种不同的加工方法，数控机床的主传动系统应具有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，同时主传动系统还需要有较大精度及刚度并尽可能降低噪声，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。8.1.1主传动系统目前数控机床主传动系统大致可以分为以下几类：1.电动机与主轴直联的主传动其优点是结构紧凑，但主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性一致，因而使用上受到一定的限制，如图8-1所示。2.经过一级变速的主传动一级变速目前多用V带或同步带来完成，其优点是结构简单安装调试方便，且在一程度上能够满足转速与转矩输出要求，但主轴调速范围比仍与电动机一样，受电动机调速范围比的约束，如图8-2所示。3.带有变速齿轮的主传动这种配置方式大、中型数控机床采用较多。它通过少数几对齿轮降速，使之成为分无极变速，确保低速大转矩，以满足主轴输出转矩特性要求，如图8-3所示。4.电主轴电主轴通常作为现代机电一体化的功能部件，装备在高速数控机床上（如图8-4所示）。其主轴部件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声；缺点是制造和维护困难且成本较高。电动机运转产生的热量直接影响主轴，主轴的热变形严重影响机床的加工精度，因此合理选用主轴轴管以及润滑、冷却装置十分重要。8.1.2主轴部件数控机床主轴部件是影响机床加工精度的主要部件，它的回转精度影响工件的加工精度，它的功率大小与回转速度影响加工效率，它的自动变速、准停和换刀等影响机床的自动化程度。因此，要求主轴部件具有与本机床工作性能相适应的高回转精度、刚度、抗韧性、耐磨性和低的温升。在结构上，必须很好地解决刀具和工具的装夹、轴承的配置、轴承间隙调整和润滑密封等问题。主轴的结构根据数控机床的规格、精度采用不同的主轴轴承。一般中小规格数控机床的主轴部件多采用成组高精度滚动轴承，重型数控机床则采用液体静压轴承，高速主轴常采用氮化硅材料的陶瓷滚动轴承。1.主轴轴承的配置形式加工中心的主轴轴承一般采用2个或3个角接触球轴承组成，或用角接触球轴承与圆柱滚子轴承组成，这种轴承经过预紧后可得到较高的刚度。当要求有很大刚性时，则采用圆柱滚子轴承和双向推力球轴承的组合。常用的加工中心主轴支承的典型结构有以下3种，如图8-5所示。1）前后支承用双列圆柱滚子轴承来承受径向负荷，用安装在主轴前端的双向角接触球轴承来承受轴向负荷，如图8-5a所示。这种结构刚性较好，能进行强力切削，适用于中等转速的机床。2）前支承用角接触球轴承，背靠背安装，以2~3个轴承为一套，用以承受轴向和径向负荷；后支承用圆柱滚子轴承，如图8-5b所示。这种结构适应较高转速、较重切削负荷，主轴精度较高，但所承受轴向负载较前一种结构小。3）前后支承都采用成组角接触球轴承，承受轴向好径向负荷，如图8-5c所示。这种结构适应高转速、中等切削负荷的数控机床。使用角接触球轴承，采用脂润滑，其极限dn值达80×104；如采用油气润滑或喷油润滑，则转速可进一步提高。目前高速主轴多数采用陶瓷滚动轴承，在脂润滑情况下dn值可达120×104（d为轴承平均直径mm，n为轴承每分钟转数）。2.主轴内刀具的自动夹紧和切削的清除装置在自动换刀机床的刀具自动夹紧装置中，刀杆常采用7：24的大锥度锥柄，既利于定心，也为松刀带来方便。用碟形弹簧通过拉杆及夹头拉住刀柄的尾部，使刀具锥柄和主轴锥孔紧密配合，夹紧力达10000N以上。松刀时，通过液压缸活塞推动拉杆来压缩碟形弹簧，使夹头涨开，夹头与刀柄上的拉钉脱离，刀具即可拔出进行新旧刀具的交换；新刀装入后，液压缸活塞后移，新刀具又被碟形弹簧拉紧。在活塞推动拉杆松开刀柄的过程中，压缩空气由喷头经过活塞中心孔和拉杆中的孔吹出，将锥孔清理干净，防止主轴锥孔中掉入切削和灰尘，把主轴孔表面和刀杆的锥柄划伤，保证刀具的正确位置。3.主轴准停装置数控机床为了完成ATC（刀具自动交换）的动作过程，必须设置主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀；为此，主轴必须准确停在某固定的角度上。由此可知主轴准停是实现ATC过程的重要环节。通常主轴准停机构有2种方式，即机械式与电气式。机械方式采用机械凸轮机构或光电盘方式进行粗定位，然后有一个液动或气动的定位销插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位，完成换刀后定位销退出，主轴才开始旋转。采用这种传统方法定位，结构复杂，在早期数控机床上使用较多。而现代数控机床采用电气方式定位较多。电气方式定位一般有以下两种方式。一种是用磁性传感器检测定位，这种方法如图8-6所示，在主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹1~2mm处固定一个磁传感器，它经过放大器并与主轴控制单元相连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。另一种是用位置编码器检测定位，这种方法是通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主轴箱上安装一个与主轴1:1同步旋转的位置编码器来实现准停控制，准停角度可任意设定，如图8-3所示。4.主轴润滑与密封（1）主轴润滑为了保证主轴有良好的润滑，减少摩擦发热，同时又能把主轴组件热量带走，通常采用循环式润滑系统。用液压泵供油强力润滑，在油箱中使用油温控制器控制油液温度。近年来一部分数控机床的主轴轴承采用高级油脂封放式润滑，每加一次油脂可以使用7~10年，简化了结构，降低了成本且维护保养简单，但需防止润滑油和油脂混合，通常采用迷宫式封密方式。为了适应主轴转速向更高速化发展的需要，新的润滑冷却方式相继开发出来。这些新的润滑冷却方式不单要减少轴承温升，还要减少轴承内外圈的温差，以保证主轴的热变形小。①油气润滑方式：这种润滑方式近似于油雾润滑方式，所不同的是，油气润滑是定时定量地把油雾送进轴承空隙中，这样既实现了油雾润滑，又不至于油雾太多而污染周围空气；而油雾润滑则是连续供给油雾。②喷注润滑方式：它用较大流量的恒温油（每个轴承3~4L/min）喷注到主轴轴承上，以达到润滑、冷却的目的。这里需特别指出的是，较大流量喷注的油，不是自然回流，而是用排油泵强制排油，同时，采用专用高精度大容量恒温油箱，油温变动控制在±0.5℃。（2）密封在密封件中，被密封的介质往往是以穿漏、渗透或扩散的形式越界泄漏到密封连接处的彼侧。造成泄漏的基本原因是流体从密封面上的间隙中溢出，或是由于密封部件内外两侧密封介质的压力差或浓度差，致使流体向压力或浓度低的一侧流动。图8-7所示为一卧式加工中心主轴前支承的密封结构。该卧式加工中心主轴前支承处采用的双层小间隙密封装置。主轴前端车出两组锯齿形护油槽，在法兰盘4和5上沟槽及泄漏孔，当喷入轴承2内的油液流出后被法兰盘4内壁挡住，并经其下部的泄油孔9和箱体3上的回油斜孔8流回油箱，少量油液沿主轴6流出时，主轴护油槽在离心力的作用下被甩至法兰盘4的沟槽内，经回油斜孔8流回油箱，达到防止润滑介质泄漏的目的。当外部切削液、切屑及灰尘等沿主轴6与法兰盘5之间的间隙进入时，经法兰盘5的沟槽由泄漏孔7排出，达到主轴端部密封的目的。要使间隙密封结构能在一定的压力和温度范围内具有良好的密封防漏性能，必须保证法兰盘4和5与主轴及轴承端面的配合间隙。8.1.3主传动系统的常见故障及排除方法主传动系统的常见故障及排除方法见表8-1表8-1主传动系统的常见故障及排除方法序号故障现象故障原因排除方法1主轴发热主轴轴承预紧力过大调整预紧力轴承研伤或损坏更换新轴承润滑油脏或有杂质清洗主轴箱，重新换油轴承润滑油脂耗尽或润滑油脂过多涂抹润滑油，每个轴承3mL2主轴在强力切削时停转电动机与主轴连接的传动带过松张紧传动带传动带表面有油用汽油清洗后擦干净传动带使用过久而失效更换新带磨擦离合器调整过松或磨损调整离合器，修磨或更换磨擦片3刀具不能夹紧碟形弹簧位移量太小调整碟形弹簧行程长度弹簧夹头损坏更换新弹簧夹头碟形弹簧失效更换新碟形弹簧刀柄上拉钉过长更换拉钉，并正确安装4刀具夹紧后不能松开松刀液压缸压力和行程不够调整液压力和行程开关位置碟形弹簧压合过紧调整碟形弹簧上螺母，减小弹簧压合量5主轴无变速变档液压缸压力不足检测工作压力，若低于额定压力，应调整变档液压缸研损或卡死修去毛刺和研伤，清洗后重装变档电磁阀卡死检修电磁阀并清洗变档液压缸拨叉脱落修复或更换变档液压缸窜油或内泄更换密封圈变档复合开关失灵更换新开关6主轴箱噪声大主轴部件动平衡不良重做动平衡齿轮磨损修理或更换齿轮轴承拉毛或损坏更换轴承传动带松弛或磨损调整或更换传动带润滑不良调整润滑油量，保证主轴箱清洁度8.1.4主传动系统故障维修7例例351.主轴定位不良的故障维修故障现象：加工中心主轴定位不良，引发换刀过程发生中断。分析及处理过程：某加工中心主轴定位不良，引发换刀过程发生中断。开始时，出现的次数不很多，重新开机后又能工作，但故障反复出现。经在故障出现后，对机床进行了仔细观察，才发现故障的真正原因是主轴在定向发生位置偏移，且主轴在定位后如用手碰一下（和工作中在换刀时当刀插入主轴时的情况相近），主轴则会产生相反方向的漂移。检查电气单元无任何报警，该机床的定位采用的是编码器，从故障的现象和可能发生的部位来看，电气部分的可能性比较小；机械部分又很简单，最主要的是联接，所以决定检查联接部分。在检查到编码器的联接是发现编码器上联接套的紧定螺钉松动，使联接套后退造成与主轴的联接部分间隙过大使旋转不同步。将紧定螺钉按要求固定好后故障消除（见图8-3）注意：发生主轴定位方面的故障时，应根据机床的具体结构进行分析处理，先检查电气部分，如确认正常后再考虑机械部分。例352.主轴出现噪音的故障维修故障现象：主轴噪声较大，主轴无载情况下，负载表指示超过40‰。分析及处理过程：首先检查主轴参数设定，包括放大器型号，电动机型号以及伺服增益等，在确认无误后，则将检查重点放在机械侧。发现主轴轴承损坏，经更换轴承之后，在脱开机械侧的情况下检查主轴电动机运转情况。发现负载表指示已正常但仍有噪声。随后，将主轴参数00号设定为1，也即让主轴驱动系统开环运行，结果噪声消失，说明速度检测器件PLG有问题。经检查，发现PLG的安装不正，调整位置之后再运行主轴电动机，噪声消失，机床能正常工作。例353.变档滑移齿轮引起主轴停转的故障维修故障现象：机床在工作过程中，主轴箱类内机械变档滑轮自动脱离啮合，主轴停转。分析及原理过程：图8-3为带有变速齿轮的主传动，采用液压缸推动滑移齿轮进行变速，液压缸同时也锁住滑移齿轮。变档滑移齿轮自动脱离啮合，原因主要是液压缸内压力变化引起的。控制液压缸的O形三位四通换向阀在中间位置时不能闭死，液压缸前后两腔油路相渗漏，这样势必造成液压缸上腔推力大于下腔，使活塞杆渐渐向下移动，逐渐使滑移齿轮脱离啮齿，造成主轴停转。更换新的三位四通换向阀后即可解决问题：或改变控制方式，采用二位四通，使液压缸一腔始终保持压力油。例354.变档不能啮合的故障维修故障现象：发出主轴箱变档指令后，主轴处于慢速来回摇摆状态，一直挂不上档。分析及处理过程：图8-3为带有变速齿轮的主传动。为了保证滑移齿轮移动顺利啮合于正确位置，机床接到变档指令后，在电气设计上指令主电动机带动主轴作慢速来回摇摆运动。此时，如果电磁阀发生故障（阀芯卡空或电磁铁失效），油路不能切换，液压缸不动作，或者液压缸动作，发反馈信号的无触点开关失效，滑移齿轮变档到位后不能发出反馈信号，都会造成机床循环动作中断。更换新的液压阀或失效的无触点开关后，故障消除。例355.变档后主轴箱噪声大的故障维修故障现象：主轴箱经过数次变档后，主轴箱噪声变大。分析及处理过程：图8-3为带有变速齿轮的主传动。当机床接到变档指令后，液压缸通过拨叉带动滑移齿轮移动。此时，相啮合的齿轮相互间必然发生冲击和摩擦。如果齿面硬度不够，或齿端倒角、倒圆不