Hardinge立式加工中心主軸故障的排除

2018-07-06

立式加工中心維修

一家公司43車間Hardinge立式加工中心系美國哈挺公司臺(tái)灣分公司的產(chǎn)品。該機(jī)床自2004年10月投產(chǎn)，在初期的頭10個(gè)月內(nèi)使用正常，此后加工件的位置精度開始超差。我們先后從兩方面解決了這個(gè)故障。

哈挺立式加工中心

主軸后軸承無法預(yù)緊

經(jīng)查，機(jī)床X、Y坐標(biāo)的位置精度和相關(guān)幾何精度均合格。某加工件加工情況如圖1所示，該件有52個(gè)均布孔，位置度要求為φ0.10mm。該工序加工約4h，零件加工后，在三坐標(biāo)丈量儀上丈量，發(fā)現(xiàn)孔位移度有周期性漸變。

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操作步驟

檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，回轉(zhuǎn)中心線對(duì)工作臺(tái)面的垂直度發(fā)生變化，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的延長，該變化將達(dá)到最大值，主軸停轉(zhuǎn)后，回轉(zhuǎn)中心線回復(fù)到初始狀態(tài)。

(1)機(jī)床主軸箱升降運(yùn)動(dòng)對(duì)工作臺(tái)面的不垂直度；

(2)主軸套筒在主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的熱效應(yīng)位移變化；

(3)主軸旋轉(zhuǎn)中心線對(duì)工作臺(tái)面的不垂直度；

(4)環(huán)規(guī)內(nèi)孔刷圈；

(5)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)前后的溫度差。

其中，第1、2兩項(xiàng)在兩種狀態(tài)下丈量無變化，說明機(jī)床X、Y坐標(biāo)無漂移，且主軸箱部分無熱膨脹伸長；3、4項(xiàng)則變化明顯，說明該故障只與主軸自身有關(guān)，且很有可能與主軸自身熱效應(yīng)有關(guān)（主軸運(yùn)轉(zhuǎn)前后的溫度差為3°）。

對(duì)比檢測(cè)了主軸旋轉(zhuǎn)中心線的徑向跳動(dòng)，使用初期為0.008/300mm，故障期則為0.015/300mm，該項(xiàng)精度的明顯變化說明主軸裝配狀態(tài)很有可能已改變。該主軸最高轉(zhuǎn)速為8 000r/min，主軸前軸承為角接觸球軸承（四套、雙列背靠背安裝，進(jìn)口、特制規(guī)格）；后軸承為內(nèi)環(huán)錐孔向心短圓柱滾子軸承（進(jìn)口、特制規(guī)格）。該主軸軸承為特種油脂潤滑，首次加注后免維護(hù)；主軸無降溫冷卻裝置。因故障鎖定在主軸自身，遂對(duì)主軸進(jìn)行分解、檢查。

(1)主軸芯軸。前后軸承安裝軸頸處的不同軸度小于0.001 mm，合格。

(2)主軸前后軸承潤滑正常。

(3)(3)檢查軸承調(diào)整隔墊，使每個(gè)調(diào)整隔墊的平行度在0.002mm以內(nèi)。

(4)檢查主軸前軸承安裝預(yù)緊后的精度，徑向跳動(dòng)均小于0.005mm，正常。

(5)裝配主軸后軸承，將主軸安裝在套筒內(nèi)，檢測(cè)主軸整體精度。徑向跳動(dòng)小于0.005mm，但用力抬主軸（約200N的力），主軸與套筒產(chǎn)生0.03mm的相對(duì)位移。多次調(diào)整四套前軸承的預(yù)緊力，該值無明顯改變。

多次改變后軸承的軸向預(yù)緊力，均未作到真正預(yù)緊。檢查發(fā)現(xiàn)，軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)錐孔與主軸接觸不好。通過修配主軸和軸承內(nèi)孔的接觸面，改善了預(yù)緊的可靠性。修復(fù)后復(fù)查精度及剛性，主軸徑向跳動(dòng)小于0.005mm，剛性小于0.01 mm，完全符合要求。

電機(jī)溫升導(dǎo)致主軸箱溫度過高

在使用一個(gè)半月后，題目再次出現(xiàn)。按此方法再次調(diào)整主軸，無法解決回轉(zhuǎn)軸線偏移現(xiàn)象。再次復(fù)檢機(jī)床，發(fā)現(xiàn)主軸電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，溫度過高。由此懷疑主軸箱可能出現(xiàn)了熱膨脹。

為此作了如下檢查。如圖2，在主軸箱和主軸套筒上架三個(gè)百分表，并丈量①、②點(diǎn)的溫差。起始時(shí)，百分表讀數(shù)均置零，上、下兩點(diǎn)溫差亦為零；以480r/min旋轉(zhuǎn)2h后，上、下兩點(diǎn)溫差為7℃，百分表自上至下變化依次為0.07mm、0.04mm和0.01 mm。

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操作步驟

對(duì)主軸電機(jī)進(jìn)行溫度丈量。冷態(tài)時(shí)電機(jī)內(nèi)部溫度為23℃，旋轉(zhuǎn)2h后，內(nèi)部溫度為97℃，外殼溫度70℃。進(jìn)一步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該溫升確實(shí)造成主軸箱溫度上升，且主軸箱上下部存在溫差（上部38℃，下部31℃），導(dǎo)致主軸箱熱膨脹0.07mm。

該機(jī)床選用日本FANUC公司αi系列交流主軸伺服放大器（SVM）及伺服電機(jī)，其特點(diǎn)是體積小、功耗低，需要電源模塊配合使用。其主回路控制示意圖見圖3。

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