張日升 劉維新 余 緯 胡 秋

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

高速高精電主軸是高檔數(shù)控機床的核心組成部件，其性能和可靠性直接影響加工質(zhì)量[1]。在長期運行過程中，電主軸性能會逐漸退化[2]，剩余壽命逐步下降，發(fā)生故障的潛在可能性逐漸增加[3]。故障一旦發(fā)生，可能造成嚴(yán)重的質(zhì)量和經(jīng)濟損失，建立科學(xué)有效的預(yù)防性維修體系、避免電主軸退化型事故和確保電主軸長期安全穩(wěn)定運行，是目前機床故障診斷領(lǐng)域需要解決的問題之一[4]。

高速高精電主軸一般無齒輪箱結(jié)構(gòu)，采用變頻器直接進行調(diào)速，結(jié)構(gòu)上包括電機定子、電機轉(zhuǎn)子、冷卻系統(tǒng)、拉刀機構(gòu)、支撐軸承、潤滑系統(tǒng)和主軸殼體[5]。長期服役過程中，潤滑不良會造成軸承過快磨損，使用不當(dāng)會造成拉刀機構(gòu)碟簧或拉刀損壞，長期高負(fù)載使用會造成軸承故障引起加工振紋等現(xiàn)象。上述電主軸漸變型故障大多會經(jīng)歷由正常到退化直至失效的過程，通常會經(jīng)過一系列不同的性能退化狀態(tài)[6]，性能的退化又會引起故障敏感特征的變化，掌握故障敏感特征與性能退化之間的映射關(guān)系，通過對故障敏感特征的監(jiān)測預(yù)警能夠?qū)崿F(xiàn)故障預(yù)測[7]。電主軸預(yù)防性維修的意義在于，通過長期跟蹤，掌握電主軸性能退化趨勢，進而預(yù)測部件的剩余壽命，在適當(dāng)?shù)臅r間進行擇機修復(fù)[8]，減少或降低電主軸故障對正常排產(chǎn)造成的沖擊，以有效預(yù)防一些隱性的質(zhì)量問題，如加工件表面振紋、粗糙度超差等問題。

本文針對電主軸預(yù)防性維修問題，首先分析電主軸結(jié)構(gòu)和常見故障，得到電主軸故障多發(fā)部位和故障原因；然后基于分析結(jié)果設(shè)計預(yù)防性維修體系，對故障多發(fā)的關(guān)鍵部位設(shè)計性能測試方案和評價標(biāo)準(zhǔn)，形成體系化的電主軸預(yù)防性維修方法；最后將設(shè)計的預(yù)防性維修方法應(yīng)用于長期服役的電主軸，以驗證所提電主軸預(yù)防性維修方法的有效性。

1 電主軸常見故障

1.1 電主軸基本結(jié)構(gòu)

電主軸與機械主軸的主要區(qū)別是采用了電機內(nèi)置的結(jié)構(gòu)，具有高剛度、小轉(zhuǎn)動慣量的特點。由于轉(zhuǎn)速較機械主軸高出很多，傳統(tǒng)的油脂潤滑不能滿足高速潤滑的要求，加工中心電主軸多采用油氣潤滑方式；由于轉(zhuǎn)速高發(fā)熱大，電主軸大多需要專門的冷卻設(shè)備，殼體內(nèi)部開有冷卻管道。常見的電主軸基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

1.2 電主軸常見故障

結(jié)合工程實踐中維修的多個型號電主軸，試分析電主軸基本結(jié)構(gòu)與常見故障。

(1)拉爪和碟簧組成拉刀機構(gòu)，是電主軸實現(xiàn)快速自動換刀功能的關(guān)鍵功能部件。在長期服役過程中，拉爪與刀柄存在碰撞、摩擦，是電主軸的常見故障源之一；碟簧的作用是拉緊刀柄，松刀時在打刀缸作用下克服碟簧拉力松開刀柄，碟簧本質(zhì)上等效于一段彈簧，在長期服役過程中，彈簧會逐漸產(chǎn)生變形、失效，碟簧上限壽命一般推薦20萬次，超過壽命上限后其可靠性大幅下降，也是電主軸常見故障源之一。

(2)前端軸承和后端軸承是電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支撐部分，是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與外部殼體的耦合部位。高速高精電主軸軸承精度較高，大多采取前端固定后端游動的安裝方式。在長期服役過程中，軸承滾子與軸承滾道之間高速相對運動，摩擦產(chǎn)生的熱量如不能及時排出會造成潤滑油膜失效，進而造成滾子、滾道之間的相對摩擦，是電主軸常見故障源之一[9]。

(3)高速高精電主軸一般采用油氣潤滑，通過壓縮空氣和油氣發(fā)生器向電主軸軸承供應(yīng)精確微量潤滑油，降低因潤滑油攪動而產(chǎn)生的過多熱量，減小軸承溫升，延長軸承的精度壽命。在長期服役過程中，由于供氣壓力不穩(wěn)定、氣密性不良和潤滑油泵損壞等原因，導(dǎo)致油氣潤滑質(zhì)量下降，進而導(dǎo)致軸承發(fā)熱過快磨損，是電主軸常見故障之一。

(4)電主軸液壓系統(tǒng)主要功能是在快速自動換刀過程中克服碟簧拉刀力使拉刀機構(gòu)松刀，根據(jù)拉刀機構(gòu)形式不同所需的液壓松刀力也不同。在長期服役過程中，由于液壓系統(tǒng)的液壓油只在本系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，經(jīng)常會忽視對液壓系統(tǒng)液壓油相關(guān)的檢測，由于油液變質(zhì)、泄漏和雜質(zhì)混入導(dǎo)致的液壓壓力不足會造成松刀力不夠，極端情況下會造成換刀故障，更多的情況下會造成換刀偶發(fā)卡頓報警，是電主軸常見故障之一。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)分析和故障原因分析，梳理總結(jié)如表1所示。

表1 電主軸常見故障部位和故障原因

2 電主軸預(yù)防性維修方法

2.1 基于性能測試的預(yù)防性維修體系設(shè)計

常規(guī)的電主軸性能檢測方法是每隔2～3年對電主軸進行精度檢測[10]，周期較長，如表2所示。它能夠準(zhǔn)確辨識出電主軸精度下降問題，在以往的單機生產(chǎn)過程中對設(shè)備維保起到了重要支撐作用。

表2 電主軸幾何精度檢驗表

但隨著自動化生產(chǎn)模式的推進，數(shù)控機床及其主要組成部分的電主軸的工作負(fù)荷增大、工作頻率升高，以往2～3年的精度定檢周期已不能滿足自動化生產(chǎn)模式對設(shè)備維保的新需求；并且，精度檢測結(jié)果是所有故障的綜合體現(xiàn)，還需要進一步分解到電主軸的各個組成部分進行進一步分析和定位。

電主軸預(yù)防性維修的主要目標(biāo)是從常見故障部位和故障原因出發(fā)，設(shè)計一套檢測頻率更高、基本不影響自動化生產(chǎn)節(jié)拍及故障定位更準(zhǔn)確的預(yù)防性維修體系。結(jié)合本文第1節(jié)的結(jié)構(gòu)分析和故障原因分析結(jié)果，設(shè)計電主軸預(yù)防性維修體系如圖2所示。

其中，換刀測試可從換刀流暢度上直觀反映拉刀、液壓2個系統(tǒng)的狀態(tài)，只需編制簡單的換刀程序循環(huán)執(zhí)行即可；溫升測試采用主軸最高轉(zhuǎn)速持續(xù)運行20～30 min，用場溫儀每隔1 min記錄主軸溫度最高處溫度并判斷，即可直觀反映冷卻、潤滑2個系統(tǒng)的狀態(tài)。圖中重點關(guān)鍵部件性能測試詳細(xì)方案設(shè)計如下。

2.2 電主軸拉刀力測試

電主軸拉刀力由碟簧提供，通常成組安裝成碟簧組，多片碟簧通過自身變形和互相壓縮產(chǎn)生拉刀力。碟簧封裝在電主軸內(nèi)部，如想直接檢查碟簧狀態(tài)需要將拉刀機構(gòu)取出，但拉刀機構(gòu)的拆裝比較繁瑣，并且頻繁地拆裝可能對電主軸性能造成一定的影響。因此，針對電主軸常見故障源之一的碟簧進行研究，從碟簧的用途出發(fā)，根據(jù)碟簧是拉刀力產(chǎn)生的唯一來源角度出發(fā)，通過拉刀力測試來間接判斷碟簧狀態(tài)。

測量拉刀力時，首先通過數(shù)控系統(tǒng)控制打刀缸電磁閥使刀具軸處于松刀狀態(tài)，手動將組裝好的、安裝了對應(yīng)刀柄轉(zhuǎn)接頭的拉刀計放入電主軸錐孔內(nèi)，數(shù)控系統(tǒng)控制打刀缸電磁閥失電拉刀，拉刀計被拉緊并顯示一個穩(wěn)定的目前拉刀力讀數(shù)，如圖3所示。

常見的主軸拉刀機構(gòu)接口形式主要有BT、HSK、CAPTO等，本文主要主要針對高速高精電主軸預(yù)防性維修，BT形式拉刀機構(gòu)由于設(shè)計原理并不適合高速高精電主軸，所以本文不做討論。表3列出高速高精電主軸常見的HSK、CAPTO拉刀機構(gòu)的拉刀力測試結(jié)果的評價標(biāo)準(zhǔn)。

表3 電主軸常見拉刀機構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)拉刀力

工程實踐中，為提高主軸、刀具系統(tǒng)的剛度，機床廠商往往會增大拉刀力數(shù)值，HSK、CAPTO拉刀機構(gòu)的拉刀力測試結(jié)果正常情況下均比上表中列出的數(shù)值大，一般認(rèn)為實際測量值比表中標(biāo)準(zhǔn)值大20%以內(nèi)均屬正常。

2.3 電主軸拉刀機構(gòu)EM值測試

EM值(eject measurement)指拉爪受后端打刀缸作用伸出電主軸錐孔的長度，即伸出錐孔的拉爪端面與電主軸錐孔端面之間的距離，該距離必須在電主軸冷卻狀態(tài)下測量。

測量電主軸EM值時，首先退出刀具，使刀具軸拉刀機構(gòu)處于松刀狀態(tài)；然后用深度尺測量拉爪端面與錐孔端面之間距離；重復(fù)上述步驟反復(fù)測量3次，取3次測量平均值作為EM值，如圖4所示。

表4列出常見的高速高精電主軸采用的HSK、CAPTO拉刀機構(gòu)拉刀力測試結(jié)果評價標(biāo)準(zhǔn)。

表4 電主軸常見拉刀機構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)EM值 mm

表4中，HSK形式拉刀機構(gòu)的拉刀爪在松刀狀態(tài)下會伸出電主軸錐孔，而CAPTO形式拉刀機構(gòu)的拉刀爪在松刀狀態(tài)下不會伸出電主軸錐孔，測量的EM值相對HSK拉刀機構(gòu)而言相當(dāng)于是1個負(fù)值。CAPTO拉刀機構(gòu)松刀狀態(tài)EM值示意如圖5所示。

2.4 電主軸軸承振動測試

電主軸軸承振動測試方法為：采用磁吸式振動傳感器，布置在距離電主軸前端軸承最近的主軸箱箱體處，主軸夾緊動平衡刀具以最高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，采集該狀態(tài)下電主軸振動加速度時域信號，并將其處理為振動速度時域信號和均方根值(RMS值)。基于ISO 10816標(biāo)準(zhǔn)，對監(jiān)測得到的振動速度時域信號進行評價，如表5所示。

表5 電主軸非旋轉(zhuǎn)部位振動測量值評價參考標(biāo)準(zhǔn)

在采用上表評價電主軸振動信號時域RMS值變化趨勢的同時，還可以對振動信號進行傅里葉變換，對振動信號頻域特征進行分析。參考文獻[11]給出電主軸軸承故障特征頻率的理論計算方法如下式所示。

(1)

(2)

(3)

式中：BPFO為軸承外圈故障特征頻率；BPFI為軸承內(nèi)圈故障特征頻率；BSF為滾動體故障特征頻率；n為滾動體數(shù)量；fr為主軸轉(zhuǎn)速頻率；d為滾動體直徑；D為軸承節(jié)徑；φ為接觸角度。

上述軸承故障特征頻率理論計算方法，在未拆除電主軸機械結(jié)構(gòu)的情況下，較難獲取軸承的一些特征尺寸來計算準(zhǔn)確的故障特征頻率。工程實踐中，經(jīng)常根據(jù)正常狀態(tài)下與疑似故障狀態(tài)下電主軸頻域特征圖的比對，分析電主軸軸承振動測試結(jié)果。

2.5 電主軸潤滑測試

高速高精電主軸一般采用油氣潤滑，通過壓縮空氣和油氣發(fā)生器向電主軸軸承供應(yīng)精確微量潤滑油。工程實踐中，由于服役時間較長，油/氣管路老化破損、潤滑油添加不及時和密封不良等原因?qū)е掠蜌鉂櫥涣棘F(xiàn)象較多，大多會導(dǎo)致電主軸軸承潤滑不良磨損加劇、溫度異常升高及性能快速退化[12]。

針對上述問題，本文設(shè)計了基于點檢的電主軸潤滑測試方案，通過對電主軸潤滑系統(tǒng)的長期離線點檢測試，獲取油氣潤滑系統(tǒng)性能狀態(tài)，確保電主軸輔助支撐系統(tǒng)工作正常。潤滑測試部位示例如圖6所示，潤滑測試方案和評價標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

表6 電主軸潤滑測試方案與評價標(biāo)準(zhǔn)

3 實驗驗證

為驗證本文設(shè)計的電主軸預(yù)防性維修方法的有效性，在多個長期服役的電主軸上開展實驗驗證，典型故障的預(yù)防性維修情況如下。

3.1 基于拉刀機構(gòu)測試的電主軸預(yù)防性維修

某型號車銑復(fù)合中心電主軸最高轉(zhuǎn)速30 000 r/min，采用CAPTO C4形式拉刀機構(gòu)，在長期服役過程中，采用本文設(shè)計的預(yù)防性維修方法對電主軸性能進行監(jiān)測，其中拉刀機構(gòu)測試數(shù)據(jù)如下表所示。

表7 某型號電主軸拉刀機構(gòu)測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表中測試記錄數(shù)據(jù)，結(jié)合本文表3、表4給出的拉刀力、EM值評價標(biāo)準(zhǔn)可以看出，該電主軸拉刀機構(gòu)EM值測量一直正常，拉刀力測試值初期正常，在推薦拉刀力的1.2倍左右，但隨著服役時間的增長，拉刀力出現(xiàn)顯著下降趨勢。最近一次測試甚至已經(jīng)低于本文表3給出的推薦拉刀力，顯著不正常。雖然此時并未發(fā)現(xiàn)加工質(zhì)量有顯著異常，但根據(jù)測試結(jié)果電主軸拉刀機構(gòu)性能已顯著退化。

選擇在該設(shè)備加工間隙對電主軸拉刀機構(gòu)進行排查。將拉刀機構(gòu)前端從電主軸錐孔中拆出，檢查發(fā)現(xiàn)前端配對使用的拉刀爪中的1個有明顯斷裂損壞跡象，如圖7所示，損壞的刀爪導(dǎo)致拉刀機構(gòu)在抓刀時剛度不足拉刀力下降。同時，拉刀機構(gòu)碟簧廠家推薦壽命在20萬次以內(nèi)，雖然該電主軸沒有換刀次數(shù)統(tǒng)計，但從服役周期來看應(yīng)已達到或接近碟簧壽命上限。

基于上述實驗現(xiàn)象和分析，對電主軸拉刀機構(gòu)進行了整體快速更換，對更換后的電主軸拉刀力和EM值進行測試，分別為14.8 kN和8.31 mm，符合本文表3、表4中評價標(biāo)準(zhǔn)。

實驗結(jié)果表明：基于本文設(shè)計的預(yù)防性維修方法，在該電主軸拉刀機構(gòu)性能進一步退化前及時發(fā)現(xiàn)了隱患，擇機實施了更換處理，預(yù)防由于電主軸故障導(dǎo)致的加工質(zhì)量問題。

3.2 基于振動測試的電主軸預(yù)防性維修

采用本文設(shè)計的預(yù)防性維修方法對某型號車銑復(fù)合中心電主軸性能進行監(jiān)測，其中軸承振動測試數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 某型號電主軸軸承振動測試數(shù)據(jù)

該電主軸功率13 kW，根據(jù)本文表5給出的的電主軸軸承振動評價標(biāo)準(zhǔn)，A級別時振動速度RMS應(yīng)小于0.71 mm/s，B級別時振動速度RMS應(yīng)小于1.80 mm/s，大于1.80 mm/s則屬于C級別。該型號設(shè)備廠家給出了電主軸軸承處的振動速度RMS值最大允差為3 mm/s。

根據(jù)表8中振動測試數(shù)據(jù)可以看出，雖然該電主軸軸承振動測試結(jié)果沒有超出廠家給定的最大允差3 mm/s(常規(guī)維修閾值上限)，但在長期服役過程中，相同刀具、相同工況條件下，振動測試數(shù)據(jù)的評價結(jié)果從初始的A級逐漸退化至C級，表征該電主軸軸承性能有較大幅度下降，雖然還沒有退化至發(fā)生嚴(yán)重故障、影響加工質(zhì)量的程度，但已經(jīng)處于正常工作壽命周期的末期。

本文對上述振動測試數(shù)據(jù)進行傅里葉變化，結(jié)合頻域特征進一步分析電主軸性能變化趨勢，頻域分析結(jié)果如圖8所示。

多次實驗頻域特征整理如表9所示。

表9 某型號電主軸軸承振動頻域特征

從表9中頻域特征可以看出，頻域特征最大值始終是轉(zhuǎn)速基頻500 Hz占主導(dǎo)地位，但隨著服役時間的增長，頻域特征從最初的只有轉(zhuǎn)速基頻及其自然整數(shù)倍頻，逐漸發(fā)展為出現(xiàn)非轉(zhuǎn)速基頻及其自然整數(shù)倍頻的其他頻率特征。由于該電主軸廠商并不提供主軸軸承相關(guān)數(shù)據(jù)，無法根據(jù)本文前述式(1)～(3)計算是否由軸承引起，但與電主軸初始狀態(tài)比較，頻域特征的變化比較顯著，表征電主軸內(nèi)部可能存在松動、磨損、斷裂類的早期故障征兆。

基于上述實驗現(xiàn)象和分析，提前對該電主軸整體進行了備份，待該型號機床工作間隙時對電主軸進行了快速整體更換，更換下來的電主軸返廠維修。更換后新電主軸軸承振動速度RMS測試結(jié)果為0.6 mm/s，頻域特征與被更換電主軸早期頻域特征相同，僅有轉(zhuǎn)速基頻及其自然整數(shù)倍頻，且轉(zhuǎn)速基頻特征值最大。

實驗結(jié)果表明：基于本文設(shè)計的預(yù)防性維修方法，在該電主軸軸承性能進一步退化前及時發(fā)現(xiàn)了隱患，擇機實施了更換處理，預(yù)防由于電主軸軸承故障導(dǎo)致的加工質(zhì)量問題。

4 結(jié)語

本文針對電主軸預(yù)防性維修問題，通過電主軸結(jié)構(gòu)分析和常見故障分析得到故障多發(fā)部位和故障原因；基于故障多發(fā)部位和原因設(shè)計了電主軸預(yù)防性維修體系，設(shè)計了性能測試方案和評價標(biāo)準(zhǔn)，得到了電主軸預(yù)防性維修方法；將該方法應(yīng)用于長期服役的精密數(shù)控機床電主軸，驗證了所提方法的有效性。驗證實驗結(jié)果表明：所提方法有效識別出了電主軸早期性能退化，為后續(xù)的提前介入預(yù)防性維修和性能退化趨勢監(jiān)測提供了有效依據(jù)。本文研究成果為高速高精電主軸預(yù)防性維修提供一種可借鑒的技術(shù)手段。

需要指出的是，本文設(shè)計的電主軸預(yù)防性維修方法主要依賴人工、離線開展，后續(xù)還需進一步開展將預(yù)防性維修方法所需數(shù)據(jù)實時在線自動采集存儲分析預(yù)警的研究，以更好適應(yīng)自動化生產(chǎn)模式的需求。