1.       序言

數控拉刀磨床專(zhuān)用電主軸出現主軸停止運轉故障，設備報警。發(fā)生原因分析：主軸轉子的軸出現0.5mm的軸向竄動(dòng)，使主軸轉子運轉不平衡，造成電流劇增、負載大、溫升快及有異響。與制造商聯(lián)系，其暫不提供技術(shù)支持，需采購新備件，周期為16周，費用30萬(wàn)元。

為打破國外技術(shù)壟斷，縮短修理周期及采購費用，在沒(méi)有維修資料說(shuō)明的情況下，成立技術(shù)團隊，自主制定改進(jìn)性修理方案。自主改進(jìn)面臨的技術(shù)難點(diǎn)有：主軸高速（加工轉速超過(guò)18000r/min）運轉的平衡控制措施無(wú)參考依據；軸的預緊轉矩數值及方法無(wú)技術(shù)支持；專(zhuān)用電主軸的裝配、調試方案及專(zhuān)用調整工具缺失；損壞零件的加工圖和零件的材料無(wú)參考依據。

因此嘗試分解電主軸，對其內部結構進(jìn)行分析和研究。著(zhù)重分析該電主軸的機械結構，剖析故障產(chǎn)生的原因，掌握裝配調整方法，恢復設備加工功能。

2. 電主軸結構

（1）電主軸外觀(guān) 電主軸（見(jiàn)圖1）是將主軸和電動(dòng)機合二為一的機床部件，將主軸部件的主軸部分適當延長(cháng)后，直接在延長(cháng)段加裝電動(dòng)機轉子，使電動(dòng)機與主軸同軸，并在轉子外部加裝定子線(xiàn)包封閉，形成同軸電動(dòng)機，電動(dòng)機工作時(shí)直接帶動(dòng)主軸工作。

圖1 電主軸

電動(dòng)機與主軸同軸安裝，整體結構緊湊、剛性好、傳動(dòng)效率和旋轉精度高，能快速實(shí)現零到數萬(wàn)轉之間的轉速調整。電主軸是一套主軸組件，而不是一件孤立的主軸，包括電動(dòng)機定子線(xiàn)圈、轉子、高速軸承、軸承潤滑裝置和主軸冷卻裝置。電主軸是一種集高速電動(dòng)機、高速軸承、潤滑系統、冷卻系統、平衡技術(shù)及精密制造與裝配技術(shù)綜合運用的裝置。電主軸局部機械結構如圖2所示。

1—軸套　2—鎖緊螺母　3—角接觸球軸承　4—空心軸　5—滑動(dòng)軸承6—墊片　7—小墊片　8—內六角圓柱頭螺釘　9—調節軸套　10—空心調節螺釘　11—調節螺母　12—碟簧

圖2 電主軸局部機械結構

（2）轉子軸 轉子軸由軸Ⅰ和軸Ⅱ兩部分組成（見(jiàn)圖3）。軸Ⅰ（見(jiàn)圖4）包括兩套角接觸球軸承、內外隔套、鎖緊螺母、軸套、滑動(dòng)軸承、3片碟簧、墊片和內六角圓柱頭螺釘。兩套角接觸球軸承背對背安裝。軸套可以保證兩軸同步旋轉，另外可對兩軸起安全保護作用，使主軸的精度不下降?；瑒?dòng)軸承有兩套，支撐軸Ⅰ，可減小軸Ⅰ的徑向圓跳動(dòng)量。在砂輪主軸發(fā)生碰撞時(shí)，瞬間發(fā)生微量變形，碟簧可以有效保護主軸。

圖3 轉子軸組成

圖4 軸Ⅰ零件組成

（3）軸Ⅱ組成及磨損分析 軸Ⅱ由空心軸、墊片、調節螺母、空心調節螺釘、調節軸套、兩套角接觸球軸承（背對背安裝）、內外隔套及軸承壓蓋組成。

空心軸采用硅鋼材料，硬度低；墊片材料硬度高。長(cháng)期使用過(guò)程中，電主軸高速旋轉，機械振動(dòng)使內六角圓柱頭螺釘松動(dòng)，造成軸Ⅰ和軸Ⅱ之間的軸向竄動(dòng)增大，導致空心軸與墊片運轉不同步，加劇了空心軸內軸肩處的磨損。

3.       電主軸的典型故障及處理方法

數控拉刀磨床專(zhuān)用電主軸的典型故障現象是電主軸停止運轉，設備報警。

3.1 故障檢查與分析

（1） 故障檢查 在檢查主軸不轉故障的過(guò)程中，電氣方面：測得電主軸的線(xiàn)圈燒壞，線(xiàn)圈委派外協(xié)單位繞制修復，可以達到其性能要求。機械方面：通過(guò)分解電主軸，發(fā)現其轉子軸由軸Ⅰ和軸Ⅱ兩部分連接組成。故障點(diǎn)如下：①軸承沒(méi)有預緊。②軸Ⅰ端部?jì)攘菆A柱頭螺釘松動(dòng)。③空心軸內壁磨損。④軸套破裂。⑤調節螺母研死。

（2）故障分析 出現主軸不轉故障，轉子軸內的內六角圓柱頭螺釘松動(dòng)，在主軸高速旋轉的過(guò)程中，軸Ⅱ與墊片運轉不同步，墊片會(huì )在軸Ⅱ內部自轉，墊片與軸Ⅱ的材料不同，并且墊片比軸Ⅱ的硬度高。主軸經(jīng)常這樣工作，造成軸Ⅱ內軸肩處磨損，致使軸Ⅱ內軸肩處與軸套端面間的距離縮短，但是軸Ⅰ上的軸套與墊片左端面之間的距離保持不變，這就會(huì )出現“軸變長(cháng)”的現象，導致轉子軸整體不能預緊，軸向竄動(dòng)0.5mm；同時(shí)又造成了軸Ⅰ與軸Ⅱ的同軸度超差。軸Ⅰ與軸套是緊配合，軸套的破裂使軸套可以繞軸Ⅰ自轉，這樣主軸在高轉速旋轉時(shí)，會(huì )出現軸Ⅰ與軸Ⅱ的運轉不同步，造成電主軸的負載過(guò)大，電流增大。電主軸長(cháng)期這樣工作，會(huì )導致線(xiàn)圈燒壞，電氣元件老化，縮短使用壽命。

3.2 故障排除方法

采取如下故障排除方法。

1）對主軸兩端的軸承進(jìn)行預緊。

2）配做軸Ⅰ上的軸套（見(jiàn)圖5），并熱裝于軸Ⅰ上。

圖5 軸套零件圖

3）配做軸Ⅱ上的墊片，增加其厚度5mm，并在靠近滑動(dòng)軸承端銑槽，槽深2mm（試裝時(shí)槽深分別為0.5mm、1mm、1.5mm和2mm）。配做軸Ⅱ上的調節螺母（見(jiàn)圖6）。

圖6 調節螺母

4）摸索專(zhuān)用電主軸的裝配方法，并配做專(zhuān)用調整工具。

3.3 裝配電主軸

軸Ⅰ上的兩套軸承為背對背安裝，軸承外環(huán)固定在線(xiàn)圈定子臺階孔內，兩套軸承之間安裝隔環(huán)，內環(huán)低于外環(huán)0.02mm。以空心軸和墊片為基準（見(jiàn)圖2），通過(guò)旋緊內六角圓柱頭螺釘，使軸Ⅰ承受向右的拉力，向右伸張，同時(shí)鎖緊螺母，推軸承內環(huán)向相反的方向移動(dòng)，利用內外環(huán)高度差來(lái)消除軸Ⅰ的軸承游隙，實(shí)現軸Ⅰ軸向預緊。以空心軸的外圓軸肩和軸承內環(huán)為基準，通過(guò)旋緊空心調節螺釘（與調節螺母配合），間接拉緊軸Ⅱ的軸套，可以消除軸Ⅱ的軸向竄動(dòng)，同時(shí)實(shí)現軸Ⅱ上軸承的軸向預緊。

軸Ⅰ上裝有帶凹槽的軸套，軸Ⅱ上設計有與軸套的凹槽相配合的凸臺，在裝配時(shí)，空心軸與軸套連接，墊片的內圓與軸Ⅰ配合，墊片的外圓與空心軸的內壁配合，墊片上放置3片碟簧，將調節螺母旋緊，就可以把小墊片、墊片和碟簧固定在軸Ⅱ上。以空心軸和墊片為基準，通過(guò)旋緊內六角圓柱頭螺釘，可以消除軸Ⅰ的軸向竄動(dòng)。以空心軸的外圓軸肩和軸承內環(huán)為基準，通過(guò)旋緊空心調節螺釘（與調節螺母配合），間接拉緊軸套，可以消除軸Ⅱ的軸向竄動(dòng)。至此，電主軸裝配完成。

3.       軸Ⅰ與軸Ⅱ之間的裝配關(guān)系及注意事項

1）軸Ⅰ上的兩套軸承為背對背安裝?；瑒?dòng)軸承的裝配要求主要是軸Ⅰ的軸頸與軸承孔之間獲得所需要的間隙和良好的接觸，可使軸Ⅰ在軸承中運轉平穩。

2）軸Ⅱ上兩套軸承的安裝和軸向預緊方法與軸Ⅰ相同。應該注意軸Ⅱ為空心軸，軸承與空心軸的配合應較緊，以避免軸的收縮使配合松動(dòng)。

圖7 空心軸與軸套裝配

圖8 凸緣和與之配合的凹槽

3）消除軸Ⅰ和軸Ⅱ軸向間隙。軸Ⅰ上裝有帶凹槽的軸套，空心軸與軸套裝配如圖7所示。軸Ⅱ上設計有與軸套的凹槽相配合的凸緣（見(jiàn)圖8）。在裝配時(shí)，以空心軸和墊片為基準，通過(guò)旋緊內六角圓柱頭螺釘，可以消除軸Ⅰ的軸向竄動(dòng)。以空心軸的外圓軸肩和軸承內環(huán)為基準，通過(guò)旋緊空心調節螺釘，間接拉緊軸套，可以消除軸Ⅱ的軸向竄動(dòng)。

4）現場(chǎng)安裝、試車(chē)電主軸注意事項。開(kāi)始起動(dòng)時(shí)要監控冷卻、潤滑和壓縮空氣的工作情況，工作正常時(shí)，再開(kāi)起主軸，同時(shí)觀(guān)察負載電流的變化。開(kāi)始時(shí)主軸轉速應在3000r/min以下，運行10～20min，再慢慢加速至5000r/min進(jìn)行試加工。電主軸的工作轉速應不超過(guò)額定轉速，讓主軸反復起動(dòng)、運轉、加速和減速，一定要緩慢加、減速。另外，電主軸內部有冷卻水管、油管和氣管3組管路，3組管路循環(huán)工作，保證高速電主軸的可靠運轉。

3.       結束語(yǔ)

數控拉刀磨床專(zhuān)用電主軸結構比較特殊，它是一個(gè)轉子兩根軸。兩軸要同時(shí)旋轉，調整兩軸間隙的內六角圓柱頭螺釘不能松動(dòng)，若內六角圓柱頭螺釘松動(dòng)，則軸承沒(méi)有預緊，會(huì )影響到主軸的徑向圓跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)。如果徑向圓跳動(dòng)過(guò)大，同時(shí)主軸轉子與定子線(xiàn)圈間隙過(guò)?。?/span>0.25～0.5mm），則轉子和定子易發(fā)生剮蹭，電流不穩定，造成線(xiàn)圈或變頻器燒壞。變頻器外協(xié)修理時(shí)，發(fā)現參數設置范圍過(guò)大，造成變頻器電流參數過(guò)大，線(xiàn)圈已經(jīng)燒壞。

配備高速電主軸的數控設備在生產(chǎn)中發(fā)揮著(zhù)重要的作用，每一臺設備都是設備維修人員難能可貴的教科書(shū)，只有掌握其結構、各個(gè)部件功能和工作原理，才能準確、徹底和快速地維護好設備。