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淺談加工中心主軸運維方法的研究與應用

2023-9-26 來源：中車株洲電機（jī）有限公司（sī）作者：胡（hú）鑫，李賽花，馬晗，王超

摘要：隨（suí）著我國製（zhì）造業的快速發展，適應於小批量（liàng）多品種並行生產模式的加工中心柔性製造單元得到了（le）廣泛的應用。過去 20 年裏，我（wǒ）國引進了大（dà）量美國、歐洲、日本等產地的進口加工中心，隨著製造加（jiā）工（gōng）技術的提升，進口設備運行維護難的問題也日益突顯，本文主要（yào）介紹了進口加工（gōng）中心主軸的運維研究與應（yīng）用（yòng）。

關（guān）鍵詞：加工中心；主軸；運維研究

近（jìn）年來，受中美貿（mào）易衝突、全球（qiú）疫情（qíng）等大環境影響，進口加工中（zhōng）心運維難（nán）的（de）問題（tí）已突顯。設（shè）備（bèi）配件供應周期長、價格高，關鍵技術被限製（zhì）交底，關鍵零部件國產化難度大（dà），進口（kǒu）加工中心運維容（róng）易被西方國家“卡脖子”。國內大量進口加工中心，經（jīng）過去 10 ～ 20 年的高負荷運（yùn）行，設備剛性、穩定性（xìng）都有所下降，精度不同程度劣化。目前國內進口加工中心專業維保（bǎo）的市場需求（qiú）巨大，而能夠提供及時、準確技術支持的（de）國內資源匱乏。加工中心主軸運維技術作為加工中心運維技術的核心關鍵，國內（nèi）能夠提供進口加工中心主軸運維技（jì）術支持的資（zī）源更（gèng）是鳳毛麟角。因此（cǐ），此時開展進口加（jiā）工中心主軸運維研究和零部件（jiàn）國產化具（jù）有重大意義。

1、研究基礎

研究對象：中車電機在 2010 年前後引進了美（měi）國吉丁斯路易斯 1250 型、捷克道斯 WHN110 型、台灣大立 H800型等 10 餘台進口加工（gōng）中心設備，主要用於（yú）牽（qiān）引電機機座端麵及外圍麵加工。其（qí）中部分設備主軸運行已出現異常，迫切需（xū）要專業維（wéi）護。

經驗（yàn）基礎：中車電機（jī）設備團隊從事進口加工中心運維工（gōng）作超過 15 年，期間多（duō）次（cì）參與加工中心采購、大修、主軸項修等項目，對加工中心主軸運維工作有一定的經驗基礎，並已逐步形成了進口加工中心運維體係。

研究可（kě）行性：本次（cì）研究內容都是基於加工中心主軸（zhóu）的（de）配件國（guó）產化、自主安調、自主（zhǔ）維保等工（gōng）作。相（xiàng）較複雜的主軸本體（tǐ）的設計製造（zào），本（běn）次研究內容難度相對較小，可行性較強。

外部資源協作：公司設備團隊累積了國內眾多（duō）提供加工中心問（wèn）題係統解決（jué）方案的優秀資源，且這些資源在行業內處於技術（shù）領先水平，可隨時提（tí）供技術支持。完善的檢測手段：為本次研究，配備（bèi）了完善的加工（gōng）中心主軸檢測工具。包括測量方箱、校棒、測量球、千分表、紅外測溫儀等（děng）。

2、總（zǒng）體（tǐ）思路

研究目的：通過（guò）對加工中心主軸運維（wéi）的研究應用，提升牽引電（diàn）機機座加工線加工中（zhōng）心運行狀態，提升加（jiā）工中（zhōng）心主（zhǔ）軸自（zì）主運維能力，完（wán）善加工中心主（zhǔ）軸檢測能力。

研究內容：（1）研究加（jiā）工中心主軸（zhóu）精度檢（jiǎn）測方法和標準；（2）研究加工中心（xīn）主軸軸承（chéng）自主更（gèng）換和（hé）精度調整控製方法（fǎ）；（3）研究加工中心主軸拉刀器（qì）、旋轉接頭等配件國產化；（4）研究加工（gōng）中心主軸保養潤滑、狀態監測。擬解決的技術難點：（1）加工中心（xīn）主軸安調工藝不清晰。涉及主軸拆解、軸承更換、主軸（zhóu）安裝、上電調試等（děng）關鍵步驟的工藝參數、需用到的工具都不明確。且不（bú）同廠家生產（chǎn）的設備（bèi）主軸（zhóu）結構不盡相同，本次研究涉及的加工中心主軸型號就有 3 種。（2）加（jiā）工中心主軸（zhóu）拉刀機構、旋轉油缸等配件國產化難度大。加工中心主軸及配件結構尺寸（cùn）、材料、製造工藝等屬於設備製造（zào）廠（chǎng）家商業機密，作為使用單位無法取（qǔ）得上述資料，國產化難度大。（3）創造恒溫無塵的主軸軸承安裝（zhuāng）環境。加工中（zhōng）心主（zhǔ）軸軸承更換需要恒溫無塵環境，目前車間現場環境達不到相應（yīng）

條件。

3、加工中心主軸運維方法

3.1 加工中心主軸介紹

主軸的工作性能對整機性能和加工質量以及（jí）機床生產率有著直接影響，是決定機床性能和技術經濟指標的重要因素。加工（gōng）中（zhōng）心主軸一般由端（duān）麵錐孔、主軸箱體、芯軸、拉刀機構、旋轉接（jiē）頭（tóu）、定位元件、傳動件、密封件等組成。

主軸設計使用壽命為（wéi） 7 ～ 15 年（nián），一般用戶層麵運維隻涉及主（zhǔ）軸端麵錐孔修複、主軸軸承更（gèng）換、拉到器（拉爪、碟簧）更換、旋轉接頭更換等。

3.2 主軸錐孔修複（fù）方法

主軸錐孔受損一般建議更換處理。若需修複（fù），有 2種方式。一種是用主軸錐孔專用修複（fù）設備修複，另一種是利用標準刀柄修複。本文主要（yào）介紹後一種修複方式。

(1) 選取表現光潔完好的刀柄，在刀柄錐麵上、主（zhǔ）軸錐孔內均勻塗（tú）上（shàng）適量的研磨膏。

(2) 把刀柄插入主軸端麵錐孔，並不停地進行轉動研磨。研磨 10min 後，把主（zhǔ）軸錐孔和刀柄上的研磨膏（gāo）清理（lǐ）幹（gàn）淨。

(3) 在刀柄錐麵上塗上紅色橫斷粉，把刀柄插入錐孔，並（bìng）旋轉 1 ～ 2min。

(4) 觀察主軸錐孔麵附（fù）著橫斷（duàn）粉分布情況，若附著麵積超過 90% 即合（hé）格，若低於 90%，則重複上述步驟。

4、主軸軸承更換典型案例

4.1 主軸軸承損傷（shāng）的因素

主軸（zhóu）長時間負荷運行自然磨（mó）損；潤滑不良加速軸承磨（mó）損；操作失誤撞刀（dāo）等因素導致軸承受損。

4.2 主軸軸（zhóu）承更換的關鍵控製參數

主（zhǔ）軸軸承（chéng）更換難點和關鍵在於軸向遊隙的調整，遊隙過（guò）大會導致振動、發熱、主軸異響；遊隙過小會導致（zhì）主軸發熱，溫升異常。主軸軸向遊隙調整主要依靠內外襯套和鎖緊（jǐn）螺母。如圖 1 所示。

圖 1 軸向遊隙的三種形式（shì）

4.3 吉丁斯路易斯 1250 加工中心主軸軸承更換典型案例拆解主軸如下：

主軸軸承（chéng）、襯套、拉刀器等。測繪主軸各零部（bù）件尺寸。利用三坐標測繪軸向襯套、軸承等尺寸，並測繪各零部（bù）件安裝封閉尺寸鏈。

分析軸向遊隙。該主軸采用英製 P3 等級陶瓷滾珠軸承。根據軸承廠家提供的信息，安裝（zhuāng）預緊力目（mù）標值為5000-8000N，遊隙目標（biāo）值為（wéi） -20um。測試（shì）轉速 3000r/min，無（wú）冷卻。如圖 2 所示。

圖 2 遊隙與預緊力的線性圖（tú）

表 1

(1) 根據測量的原裝襯套尺寸，結合軸向遊隙目標，同時考（kǎo）慮製作測量和安裝誤差，製（zhì）作了 3 套襯套，使（shǐ）軸向遊隙理論值分別控製在 -12um，-19um，-26um。

(2) 設計（jì）主（zhǔ）軸運行試驗檢測平台。檢測 3 種遊隙情況下主軸升溫控製（zhì）情況，主軸升溫（wēn）超過 60℃或溫度穩定30min 則結束試驗。試（shì）驗結果如（rú）表 1 所示。

4.4 主軸旋轉接頭（tóu）國產化應用

4.4.1 自主設計油液一體化旋（xuán）轉接頭

把中心出（chū）水旋轉接頭和打刀油缸進行一體化設計，將兩個部件合成為一個部件（jiàn）。其設（shè）計包括（kuò）中心（xīn）出水結構、拉刀油缸（gāng）推（tuī）動結構、內部相互獨立的（de） A/B 通道結構。

該旋轉接（jiē）頭安裝於主軸軸芯（xīn）尾部，前（qián）端連接拉（lā）刀杆及軸芯，使用反絲方式固定（dìng），以保證主軸旋轉時不（bú）會出現鬆動（dòng）。在旋轉接（jiē）頭內部的前後位置各設置一組DB 組合的軸承，起到承托和保證主軸軸芯與旋轉接頭（tóu）的同軸度的作用，增加兩者的穩定性及（jí）可靠性。在（zài）使用中（zhōng）心出（chū）水時，冷卻液的流動（dòng）會帶走軸（zhóu）承因旋轉產生的大部分熱量。

4.4.2 油液一體化旋轉接頭（tóu）工作過程

（1）冷卻液通過油液一體化旋轉接頭 B 腔徑向進水（shuǐ）口進入中心出水口（kǒu），然後冷卻液經由拉刀杆噴射到（dào）刀片上，冷卻液流經過程中，冷卻液將軸承產生的熱（rè）量帶走（zǒu）。

（2）液壓油進入油液一體化的旋轉（zhuǎn）接頭的 A 腔，液壓油進（jìn）入打刀缸實現向前的推力，推動拉刀（dāo）杆（gǎn）向前運（yùn）動，實（shí）現（xiàn）主軸鬆刀功能。

5、研究應用成（chéng）效

通過本次進口加（jiā）工中（zhōng）心主軸運（yùn）維的研究應用，取得了以下成效：成功（gōng）地完成了美國吉丁斯路易斯加工中心（xīn）主軸軸承更換、旋轉接頭國產化。降低（dī）修複成本 70%，縮短修複周期 240 天。成功地完成 1 台捷克加工中心主軸拉刀機構自主修複、1 台捷克加工中心主軸軸承更換。降（jiàng）低修（xiū）複成本（běn）40%，縮短修複周期 140 天。機座加工線 10 餘台加工中（zhōng）心設備狀態得到改善提升，設（shè）備利用率（lǜ）提升了 14%。鍛煉了設備團隊，累（lèi）積了經驗，進一步完善了公司進口設備運維體係（xì），提升了進口（kǒu）加（jiā）工中心自主（zhǔ）運維檢測能力。

6、結語

通過本次研究應（yīng）用，為（wéi）有效解決進口加工中心主軸運維（wéi）難的問題找到了突破口。無論是在智能化、數字化轉型的熱潮中，還是在先進加工設備國（guó）產化迅猛發展的當下，設備運維技術及其研究都尤為重要。

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