柳林沖，石祥，魏巍，楊薪冉

（上海汽車集團股份有限公司乘用車公司，上海201306）

0 引言

隨著電氣傳動技術(shù)的迅速發(fā)展，加工中心主軸與主軸電機已能融為一體。主軸可由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，使機床主傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)得到了極大的簡化，基本取消了帶輪傳動和齒輪傳動。這種主軸電動機與機床主軸 “合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨立出來，由此稱之為 “電主軸”。多數(shù)電主軸的轉(zhuǎn)速在10000～400000r／min。電主軸用途很廣，已廣泛應用于機械、汽車、航天和電子工業(yè)等領［1-3］。

電主軸作為加工中心的核心零部件，其穩(wěn)定性將直接影響整臺機床的穩(wěn)定性及所加工工件的質(zhì)量。因此，做好電主軸的日常保養(yǎng)工作，及時掌握電主軸工作狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患，對保證產(chǎn)品制造質(zhì)量和極大延長電主軸的使用壽命有重要的實際意義。

本文將分別從電主軸的整體結(jié)構(gòu)、精度檢測、保養(yǎng)方式、常見失效模式等4個方面，闡述加工中心用電主軸的日常保養(yǎng)和維護。

1 電主軸原理和主要結(jié)構(gòu)

電主軸與電機的主要區(qū)別為電機的轉(zhuǎn)子內(nèi)安裝有刀具機構(gòu)，刀具機構(gòu)主要由夾爪、拉桿與彈簧組成，如圖1所示。刀具機構(gòu)可確保加工中心實現(xiàn)快速換刀，并且刀具的刀柄完全由電主軸夾持住，夾持力由彈簧提供；同時刀具機構(gòu)完全由電機單元固定。當電機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，帶動刀具機構(gòu)同步實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，因此電主軸可實現(xiàn)高速切削加工。

圖1 電主軸原理結(jié)構(gòu)

電主軸主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。電機單元驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)；拉刀機構(gòu)提供夾緊力，實現(xiàn)刀具夾緊；松刀機構(gòu)推動拉刀機構(gòu)，實現(xiàn)刀具松開；彈簧機構(gòu)配合拉刀機構(gòu)實現(xiàn)刀具夾緊；冷卻液入口與旋轉(zhuǎn)接頭相連，實現(xiàn)電主軸的高壓內(nèi)冷與刀具冷卻；鎖止機構(gòu)鎖緊拉刀機構(gòu)的彈簧；發(fā)信機構(gòu)與拉刀機構(gòu)同時伸出與復位，并通過模擬量傳感器判斷電主軸當前是處于夾刀狀態(tài)還是松刀狀態(tài)。

圖2 電主軸主要結(jié)構(gòu)

2 電主軸主要機構(gòu)

電主軸主要有四大機構(gòu)：軸系機構(gòu)、電主軸前端及夾爪機構(gòu)、后端機構(gòu)和拉刀機構(gòu)。

軸系機構(gòu)：為電動機部分，包括帶轉(zhuǎn)子的軸套、軸承、軸承殼、鎖緊螺母等，如圖3所示。電主軸前端及夾爪機構(gòu)：用于夾持刀具，包括夾頭、固定螺母、軸承等，如圖4所示。后端機構(gòu)：用于接通冷卻液、潤滑油、電纜線等，包括主軸外殼、彈簧組、軸承、環(huán)形套等，如圖5所示。拉刀機構(gòu)：與夾緊／松開氣缸，或者夾緊／松開油缸相連，用于夾緊或松開刀具，包括拉桿、拉桿鎖緊螺母、編碼器環(huán)等，如圖6所示。

3 電主軸的安裝

電主軸心軸為空心階梯軸，前端徑向尺寸大，中間徑向尺寸逐漸減小，尾部徑向尺寸最小。心軸前端結(jié)構(gòu)形式取決于機床類型和所夾刀具的形式。心軸的形狀和尺寸有相關設計標準可查閱參考。

圖3 軸系機構(gòu)

圖4 電主軸前端及夾爪機構(gòu)

圖5 后端機構(gòu)

圖6 拉刀機構(gòu)

電主軸的組裝過程如圖7所示。裝配順序為：1）在心軸上安裝電機轉(zhuǎn)子；2）在心軸前后兩端安裝軸承組；3）安裝電主軸端部機構(gòu)；4）心軸兩端安裝軸承與軸承滑套；5）在心軸上安裝定子及定子的冷卻套；6）安裝電主軸殼體；7）在心軸內(nèi)部插入拉刀系統(tǒng)。

4 電主軸精度檢測

4.1 日常精度測量

電主軸在日常使用過程中，每隔3個月，需對其進行精度測量。針對常用的HSK63和HSK100型號電主軸，其具體的日常精度檢查項目和要求如表1所示。

圖7 電主軸的組裝過程

表1 電主軸日常精度檢查項目和要求

夾爪磨損，則會影響主軸夾緊力。目視觀察夾爪，如出現(xiàn)磨損痕跡，則應立即更換夾爪。

電主軸前端密封圈用于密封刀柄底部的排水孔。由于加工中心加工過程中需頻繁換刀，所以密封圈與刀柄底部的排水孔二者間存在移動副，易磨損。因此，需定期檢查密封圈是否有磨損。如有磨損，會導致機床高壓冷卻液回路壓力泄漏，從而引發(fā)機床報警。

電主軸旋轉(zhuǎn)接頭是確保高壓管路不會隨著電主軸轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，因此內(nèi)部為軸系結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)接頭一端接冷卻液管路，旋轉(zhuǎn)接頭不會旋轉(zhuǎn)，另一端接電主軸轉(zhuǎn)子，此端旋轉(zhuǎn)接頭將始終伴隨電主軸轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，因此極易損壞。由于旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部通高壓冷卻液，所以旋轉(zhuǎn)接頭如有損壞，必引發(fā)冷卻液泄漏。

如果電主軸內(nèi)自帶振動傳感器，只需在電主軸振動報警時，測量此項；如果電主軸內(nèi)未裝振動傳感器，則需定期進行檢測。如果電主軸振動值＞0.71mm／s，說明電主軸內(nèi)軸系機構(gòu)有異常，極有可能由軸承振動所致。

電主軸伸出量EM值是指電主軸處于松開狀態(tài)時主軸夾爪端面與電主軸端面之間的距離。EM值偏大會影響電主軸夾緊力，EM值偏小則易導致夾爪與刀柄的接觸面磨損。

電主軸夾緊力由拉刀機構(gòu)上的彈簧提供，每次換刀過程中，彈簧都被壓縮與釋放一次，所以電主軸使用時間越長，彈簧損傷越大，電主軸夾緊力必定隨時間而呈下降趨勢。當夾緊力小于規(guī)定要求時，則必須更換彈簧。

如果近端與遠端芯棒跳動值過大，則表明電主軸軸系結(jié)構(gòu)有異樣，極有可能是軸承已失效。

如果上母線值與側(cè)母線值過大，則表明承載電主軸軸向移動的導軌與機床床身的平行度已超差，此精度需重新調(diào)整，否則會影響工件尺寸加工質(zhì)量。

與旋轉(zhuǎn)接頭相連的拉桿，其跳動值過大，會導致電主軸旋轉(zhuǎn)接頭損壞，因此需檢查拉刀機構(gòu)。

4.2 其他精度測量

除對電主軸進行日常精度測量外，必要時，還需對電主軸做如下精度測量。

（1）夾緊錐跳動。測量夾緊錐跳動方法如圖8所示。檢測夾爪與夾緊錐的接觸面，此接觸面的跳動直接影響電主軸夾緊力。夾緊錐跳動要求＜0.02mm。

（2）錐孔跳動。測量錐孔跳動方法如圖9所示。檢測錐孔與刀柄的接觸面，此接觸面的跳動直接影響電主軸夾緊力與加工精度。錐孔跳動要求＜0.005mm。

（3）軸向跳動。測量軸向跳動方法如圖10所示。電主軸軸系結(jié)構(gòu)中存在間隙，換刀時，端面會出現(xiàn)竄動，該間隙必須＜0.1mm。

圖8 夾緊錐跳動

圖9 錐孔跳動

（4）拉桿后端跳動。測量拉桿后端跳動如圖11所示。拉桿后端跳動過大，可極易造成電主軸后端旋轉(zhuǎn)接頭損壞。拉桿后端跳動要求 ＜0.02mm。

圖10 軸向跳動

圖11 拉桿后端跳動

5 電主軸保養(yǎng)

電主軸最重要的保養(yǎng)就是4.1節(jié)的日常精度測量，并記錄和分析數(shù)據(jù)，從中發(fā)現(xiàn)電主軸潛在的故障隱患。除定期實施日常精度測量外，還需要進行保養(yǎng)，具體內(nèi)容如表2所示。

表2 電主軸的其他保養(yǎng)工作

6 電主軸常見失效模式

電主軸常見失效模式主要有如下幾種。

（1）刀具與電主軸錐孔端面發(fā)生撞擊，此失效情況如圖12所示。造成這種失效的原因是操作失誤或換刀時刀柄與電主軸不同心造成的。該失效模式可通過以下方法進行預防：定期使用各機床廠商提供的專業(yè)工具，檢查刀柄與電主軸的同心度是否＜0.01mm，如超出該值，則進行調(diào)整或更換。

（2）電主軸錐孔磨損，此失效情況如圖13所示。造成這種失效的原因是電主軸達到使用壽命或潤滑不當。該失效模式可通過定期檢查并涂抹潤滑脂或在發(fā)現(xiàn)已磨損跡象時及時更換來預防。

（3）液壓缸活塞桿損壞，此失效情況如圖14所示。

圖12 刀具與電主軸錐孔端面發(fā)生撞擊

圖13 電主軸錐孔磨損

造成這種失效的原因是液壓缸活塞桿達到使用壽命。預防方式為，電主軸使用超8000 h后，檢查電主軸夾爪夾緊刀柄是否有松動跡象；如有，則檢查液壓缸，進行必要的修復。

（4）夾爪磨損或斷裂，此失效情況如圖15所示。造成這種失效的原因是夾爪達到使用壽命或潤滑不當。該失效模式可通過定期檢查并涂抹潤滑脂或發(fā)現(xiàn)有磨損跡象時及時更換來預防。

圖14 液壓缸活塞桿損壞

圖15 夾爪磨損或斷裂

（5）電主軸內(nèi)部冷卻水道腐蝕或堵塞，此失效情況如圖16所示。造成這種失效的原因是冷卻夜變質(zhì)。該失效模式可通過定期檢查或更換冷卻液濾芯來預防。

（6）拉刀拉桿變形，此失效情況如圖17所示。造成這種失效的原因是換刀時拉桿受到?jīng)_擊。該失效模式可通過檢查換刀位與刀夾狀態(tài)來預防。

圖16 電主軸內(nèi)部冷卻水道腐蝕或堵塞

圖17 拉刀拉桿變形

（7）拉刀彈簧變形、磨損或破碎，此失效情況如圖18所示；拉桿磨損，此失效情況如圖19所示。造成這2種失效的原因都是拉刀彈簧達到使用壽命。其失效模式可通過檢查拉刀力或發(fā)現(xiàn)拉刀力降至規(guī)定值則立即更換來進行預防。

（8）軸承磨損、生銹或破碎，此失效情況如圖20所示。造成這種失效的原因是密封失效，冷卻液進入；軸承安裝不當，電主軸遭受撞擊。該失效模式可通過定期檢查電主軸跳動或測試電主軸振動來預防。

圖18 拉刀彈簧變形、磨損或破碎

圖19 拉桿磨損

（9）監(jiān)控刀具狀態(tài)傳感器信號不良，此失效情況如圖21所示。造成這種失效的原因是傳感器老化失效、緊固傳感器的螺釘松動。通過返修而使用的電主軸，需要檢查合格后才能安裝至機床。這樣可預防此失效模式。

圖20 軸承磨損、生銹或破碎

圖21 監(jiān)控刀具狀態(tài) 傳感器信號不良

（10）編碼輪磨損，此失效情況如圖22所示。造成這種失效的原因是編碼輪使用時間過長。電主軸使用超8000 h后，需對編碼輪進行檢查，如出現(xiàn)磨損，應及時更換。這樣可以預防該失效模式。

圖22 編碼輪磨損

7 結(jié)論

理解電主軸的主要結(jié)構(gòu)，掌握主要結(jié)構(gòu)的精度測量方法，并能分析測得的精度數(shù)據(jù)，就可以及時發(fā)現(xiàn)電主軸潛在的故障隱患并加以排除。此外，掌握正確的電主軸保養(yǎng)方法并理解其主要失效模式可大大提高電主軸使用壽命。