轻型汽车技术2019(4-5)制造工艺及设备63
制產工艺JS 设备
汪王照李鑫刘家爽
(南京汽车集团有限公司)
摘 要：本文简述了加工中心电主轴的结构及功能作用，介绍了电主轴机械类 和电气类的常见故障，同时指出了有些故障可自主维修，但主轴轴承故障等则不宜 自主维修，应由专业维修公司维修。以Kessler DMS : 112.AM.4.FOS 型号电主轴为
例，详述了自主维修的维修步骤及注意事项等。
关键词：加工中心 电主轴 常见故障 自主维修
1引言
电主轴(ElectricSpindle , Motor Spindle)，顾名 思义就是将电机和主轴融为一体的组件，主要是 解决高转速、高精度、低噪音的难题。随后为保证 以上要求的实现又会根据实际情况集成另外一些 辅助设施，如冷却装置、换刀装置、内冷装置、位置
检测、温度检测等。根据电机分类可以分为同步电
成上上网
机和异步电机，根据主轴分类可以分为机械主轴
和静压主轴，根据速度又可以分为高速和低速，这 样从三个维度进行排列组合就可以组合成八种类
型的电主轴；根据使用工况它们的结构也是各不
相同。
床铰I n
皿
图1电主轴结构示意图
1-芯抽；2-前锁紧IB 摞母；3-前端盖；4-前端轴承；5-前轴承座；6-冷却液入口；7-转于；8-定于；9-冷却套；10-冷却液出口；11-
外壳；12-后轴承■油封；13-后轴承•座；14-后端轴承；15-编码器渎写头；16-缸座；17-油虹组件；18-<i 锥；19-住爰传感器；20-后锁
紧國蟀母；21-轴承内压盖；22-轴承外压盖；23-蝶形嘩簧；24-拉杆;25-次气环；26-夹爪;27-HSK 力桶；28- 夬紧锥.
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在发动机生产企业，用于加工缸体、缸盖、曲轴等零件的加工中心电主轴，集成了伺服电机、主轴、
换刀及夹紧装置、主轴冷却、刀具内冷、位置检测等。速度和精度的要求都比较高，速度在5000-10000r/min，主轴精度都要求在微米级，包括端面跳动、内孔跳动、近端跳动、远端跳动、上母和侧母。这类电主轴集成度高、故障率也最高。本文主要介绍发动机生产企业的加工中心电主轴常见故障和生产企业为了降本增效而自主维修的经验。
2电主轴的结构及功能作用
大规模生产电主轴由三部分组成(图1)：I)刀具夹紧部分；口)电机；m)油缸及信号检测部分。夹具夹紧部分负责刀具夹紧和松开，电机部分负责主轴的旋转，油缸负责刀具的松开，信号检测负责各类主轴信号是否正常的检测。
3电主轴常见故障分类
3.1机械类常见故障
1)刀具夹紧系统故障
(1)刀具夹紧力不够，导致刀具在加工过程中存在振动，产品加工表面质量不合格。
(2)刀具夹紧系统无法释放拉杆弹簧力，导致刀具无法松开，无法完成换刀。
(3)换刀时发生刀具掉落故障。
2)装刀单元故障
(1)装刀单元吹气孔堵塞，导致加工产品质量不合格。
(2)装刀单元内部刀具导向块异常磨损，换刀时掉刀。
3)旋转接头故障
旋转接头是给主轴提供刀具切削高压内冷的供水连接装置。常见故障就是旋转接头损坏导致漏水。 4)主轴轴承故障
轴承的故障就是轴承的疲劳损坏，这类故障非常的少，是在主轴运行很长时间后出现精度散失、噪音大、咬死等故障现象，这类故障维修比较难，由于电主轴精度高、速度高，对于轴承安装的预紧力，以及维修后各项动态测试，如动平衡等，对于非专业维修手段很难达到其专业技术规范，短期内能够达到精度要求也很难达到其寿命，还会存在一定的机床安全隐患。
3.2电气类常见故障
1)信号故障
信号故障就是传感器类故障较多。电主轴中用到的传感器有：角度、位置编码器，夹紧位置模拟量开关，松刀位感应开关，主轴“0”度感应开关，温度传感器，随着主轴智能化的发展，主轴还会带有自诊断模块，如振动传感器，夹屑感应报警CHIP-IN-SPINDLE DETECTION SYSTEM(SiS)等。
2)电机故障
(1)电机接线错误，相序不对导致电机无法启动。这种故障只要调一下相序，故障就会消除。圆钢矫直机
(2)电机过热保护导致电机无法启动，可能是冷却循环不正常导致冷却液温度升高也有可能是冷却液冷却装置损坏导致冷却液温度升高。还有就是轴承损坏导致主轴温度升高来不及冷却，这种情况在机械精度方面会有体现。
(3)电机缺相，电机线圈短路。这种情况可以通过测量电极间的电阻值来判断。电机线圈烧毁后可以通过专业厂家绕制、更换即可。
4维修方法及技术规范
下面以Kessler DMS：112.AM.4.FOS型号电主轴为例，介绍自主维修的方法及注意事项。
机械类第1、2、3类故障都是可以通过对电主轴结构和部件原理的深入学习可以自主维修，并进行电主轴静态检查确定其维修状态，第4类因投入成本太大和检测设备缺少暂时无法实施自主维修。
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电气类故障主要为电信号故障，通过电主轴拆解对相应传感器进行更换，调整、设置、标定达到其技术规范。
维修电主轴的关键是对电主轴的拆解和最后的装配，拆解前一定要对电主轴原始数据进行测量并记录。拆解时一定要对照图纸，熟悉其结构和工作原理，禁止敲击主轴部件，只能借用专用工具拆卸，如拉马、烘等。并对零、部件进行标记(位置和方向)同时进行拍照。在这个过程中很多螺栓都是带胶拧紧，如果出现拧不动现象要借用烘，切不可野蛮拆卸。螺丝拧紧时也要按照螺栓精度等级、直径对应的拧紧参数进行拧紧，切不可根据自己的感觉。对各零件进行清洗、测量，并对损坏件进行更换，按照技术规范进行装配，然后进行测试。
1)拆解及检查维修方法详解如下：
(1)拆卸主轴后端端盖。
(2)拆卸各接头：模拟量接头、电源接头(U、V、W)和编码器接头。这一步就比较关键了，拍照记录各
接头位置，防止安装时候接错，接错会导致插针或插孔损坏在调试时会带来故障，同时拆卸电源接头时一定要借助专用工具将电源线从卡箍内推出，不可，否则造成塑料卡箍损坏，一则配件很难购买，二则部分损坏会造成接线时晃动造成接线不牢，会造成信号或电源偶发中断故障。
(3)夹爪拆卸，值得注意的是夹爪前端的夹紧锥是反牙螺丝，松开螺丝取出夹紧锥，再逐一取出夹爪，最后用镶子将夹爪垫座取出。检查夹爪和夹紧锥的磨损情况，目测磨损严重或者夹紧力测试(在拉杆行程位置达到要求)不够时，对夹爪和夹紧锥成套更换，如果夹爪和夹紧锥有磨损现象的话，主轴的近端和远端的跳动数值也会有所体现。
(4)拆卸油缸，油缸上有很多密封件，取下并用扎带扎好以防丢失，检查密封件是否有损坏及变形，最好全部更换。同时检查活塞和缸壁是否有磨损或损坏现象，例如活塞和活塞杆处有裂纹就会造成泄漏(发生过多起)或者活塞和油缸壁贴合不牢出现串油。总之，液压缸就无法完成推开拉杆碟簧的阻力完成换刀动作。
(5)拆卸模拟量(测量拉杆行程)和编码器罩盖，结合拆解前的现象检查各类传感器是否破损和损坏现象。
(6)拆卸拉杆，拆卸拉杆前先要拆除对称分布的两个限位键，并做好限位键安装方向。用铜棒轻轻敲击拉杆前端，就可以将拉杆总成从主轴内部取出。检查拉杆上的成组碟簧，碟簧损坏是拉杆夹紧力不够
的主要原因，疲劳损坏的可能性较小，如果发现有碟簧损坏必须成套更换，同时检查拉杆轴由于和碟簧有相对摩擦运动是否有拉伤现象。如果仅是碟簧损坏，按照原安装形式更换成套碟簧，然后检查碟簧的夹紧力。如果是拉杆也有拉痕，必须拉杆、弹簧总成更换。碟簧的损坏会造成刀具夹紧力变小，可能会造成刀具无法夹紧，造成产品质量不合格或掉刀现象。
(7)保养各零部件。
通过电主轴的拆解检查和故障现象，对损坏部件进行更换，常见的故障有温度传感器、位置模拟量开关、拉杆总成、刀具夹头、油缸总成。这五类故障在主轴拆解后更换新的部件后，按照技术规范进行调整，满足技术要求。另外也会很少出现编码器损坏、电机损坏和轴承损坏。对于轴承损坏维修较为困难，目前我们还是依赖专业维修厂家。
2)安装过程就是拆解的逆过程，但有几个注意事项如下：
(1)安装拉杆总成，用含有陶瓷成分的美德孚防卡剂71-30涂抹拉杆碟簧，均匀布满碟簧表面；目的是进行润滑，防止干涩造成锈蚀、断裂。
(2)所有的密封件安装时必须涂上薄薄一层黄油，然后再进行安装，防止将密封圈拉伤。
(3)原先带胶的螺栓必须带上螺纹胶安装。
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(4)所有的螺栓必须遵照螺纹直径、精度等级 相应的扭矩拧紧。
3)主轴维修安装后精度检测和技术规范(1) 检查电主轴模拟量信号，用模拟量信号测 试仪检测安装好的电主轴的模拟量信号。
(2) 分别测试三种状态：有刀夹紧、无刀夹紧、 松开，分别对应的额定电压范围是：2.8V 左右，IV 左右,9V 左右，见图2。
图2拉杆位置检测测试
(3) 拉杆伸出长度检测，用深度测量尺测量夹 紧锥体和电主轴端面间的距离，见图3。夹紧装置 在松开状态时拉杆的伸出量HSK63：10.5 ±
0.05mm,HSK 100:13 ± 0.1 mm o
(4) 拉杆拉紧力测量，将拉力测试刀柄装入主 轴(图4)，在拉紧状态下，实际拉力和标准进行比 较，详细比值见表1。
蚀刻液再生如果低于正常值，首先对刀具夹紧装置(夹爪 和夹紧锥)重新进行清洁和涂油测试，或更换整套
夹紧装置，并重新测试，如果还不能满足要求就要 更换拉杆的成套碟簧，并重新测试。
图3 夹紧锥伸出位置检测
图4拉杆拉紧力测量
(5) 刀具初定位检测，检查刀具和主轴初定位
间隙，刀柄安装至主轴(主轴松刀状态)后手动旋 至一端贴紧，在主轴和刀柄上用记号笔标记，再旋
至另一侧检查划线的间隙，正常值在0.50mm，超
过及更换刀柄防错定位块。
(6) 主轴换刀吹气检测，检查主轴端面与刀柄 结合面吹气孔是否通畅，防止主轴锥孔中掉入切
屑，导致主轴孔表面和刀柄划伤，保证刀柄的可靠 贴合。
(7)电机检测，保证电机绝缘电阻不低于
表1拉杆拉紧力标准
HSK 新值(kN)
正常值(kN)
最小值(kN)
63
17-2011-20
10
押花材料
10044-50
36-50
35
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180MQ。
(8)主轴静态几何精度检查，借用300MM芯棒测量。
主轴端面跳动0.002mm，见图5。
主轴内腔径向跳动g0.002mm，见图605结束语
通过对电主轴的拆解和维修，对电主轴的结构及性能有了很大的提升。同时设备维修人员的能力也得到了很大的提升。在工厂大力提倡降低成本的环境下，通过电主轴的部分自主维修，意义
图5端面跳动测量图6内腔径向跳动测量
测量芯棒近端(50mm处)径跳误差V0.003 mm，远端(250mm处)。径跳误差V0.012mm。
见图7O
图7主轴近端、远端径跳测量非常重大，同时由于维修周期大大缩短，在效率提升方面也很有意义。
参考文献
1秦军军.加工中心电主轴结构设计及性能分析[D].四川省成都市：西华大学
,2012.
