Hardinge立式加工中心主軸故障的排除
2012-07-02
作者：謝立英 高虹 孫榮春
［西安航空發(fā)動機（集團(tuán)）有限公司］
摘 要：介紹立式加工中心主軸坐標(biāo)偏移的診斷與對策，可供參考。［西安航空發(fā)動機（集團(tuán)）有限公司］
關(guān)鍵詞：位置精度：主軸；坐標(biāo)偏移；主軸驅(qū)動
我公司43車間Hardinge立式加工中心系美國哈挺公司臺灣分公司的產(chǎn)品。該機床自2004年10月投產(chǎn)，在初期的頭10個月內(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問題。
一、主軸后軸承無法預(yù)緊
經(jīng)查，機床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)測量儀上測量，發(fā)現(xiàn)孔位移度有周期性漸變。
鑒于此，在冷態(tài)和以480r/min轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)40min后分別測量：(1)機床主軸箱升降運動對工作臺面的不垂直度；(2)主軸套筒在主軸旋轉(zhuǎn)時的熱效應(yīng)位移變化；(3)主軸旋轉(zhuǎn)中心線對工作臺面的不垂直度；(4)環(huán)規(guī)內(nèi)孔刷圈；(5)主軸運轉(zhuǎn)前后的溫度差。
其中，第1、2兩項在兩種狀態(tài)下測量無變化，說明機床X、Y坐標(biāo)無漂移，且主軸箱部分無熱膨脹伸長；3、4項則變化顯著，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)（主軸運轉(zhuǎn)前后的溫度差為3°）。
又對比檢測了主軸旋轉(zhuǎn)中心線的徑向跳動，使用初期為0.008/300mm，故障期則為0.015/300mm，該項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Z高轉(zhuǎn)速為8000r/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0.001mm，合格。
(2)主軸前后軸承潤滑正常。
(3)檢查軸承調(diào)整隔墊，使每個調(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)，檢測主軸整體精度。徑向跳動小于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，主軸徑向跳動小于0.005mm，剛性小于0.01mm，完全符合要求。
二、電機溫升導(dǎo)致主軸箱溫度過高
在使用一個半月后，問題再次出現(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)檢機床，發(fā)現(xiàn)主軸電機運轉(zhuǎn)一段時間后，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百分表，并測量①、②點的溫差。起始時，百分表讀數(shù)均置零，上、下兩點溫差亦為零；以480r/min旋轉(zhuǎn)2h后，上、下兩點溫差為7℃，百分表自上至下變化依次為0.07mm、0.04mm和0.01mm。
該機床選用日本FANUC公司αi系列交流主軸伺服放大器（SVM）及伺服電機，其特點是體積小、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。
初步判斷引起電機發(fā)熱的原因可能有以下幾點：(1)三相繞組絕緣不良，與外殼之間的絕緣電阻變小；(2)線圈有匝間短路；(3)負(fù)載過大。
首先檢查電機三相繞組對地的絕緣情況，結(jié)果正常；其次在電機運行過程中觀察負(fù)載表，屬正常。Z后，更換另一個同型號電機后測試，溫升基本相同，說明發(fā)熱原因并非匝間短路。
在反復(fù)檢測過程中發(fā)現(xiàn)，空載時主軸電機在不同的轉(zhuǎn)速下用卡鉗表測得的電流值有很大的差異，相對應(yīng)主軸電機的振動情況也有很大不同。見表1。
查閱FANUCαi系統(tǒng)的主軸伺服電機手冊，發(fā)現(xiàn)主軸參數(shù)P4133設(shè)置有誤。經(jīng)改正后（在調(diào)整、修改之前，用PC卡將SRAM中的原廠機床數(shù)據(jù)作好備份），斷電，再接上NC電源，系統(tǒng)開始進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)自動設(shè)定，并從放大器側(cè)向NC側(cè)裝載。上述工作完成后，再進(jìn)行空載測試，主軸電機運行電流Z大值由38A下降到22A，且在其它頻率段的電流也相應(yīng)降低了。然而該電流依然偏大，電機發(fā)熱的現(xiàn)象也依然存在，只是溫升的時間延緩了許多。
經(jīng)FANUC公司技術(shù)人員分析，Z終確定該電機與驅(qū)動模塊匹配性能不好，造成電機效率低。選配合適的驅(qū)動模塊后，Z終解決了電機溫升異常的問題（此時電機Z大電流約11A，電機空轉(zhuǎn)2h，內(nèi)部溫升僅14℃）。因電機發(fā)熱造成的主軸箱熱膨脹因素基本排除。
此外，還采取了隔離熱傳遞的措施。經(jīng)查，原機床廠有主軸冷卻選購配置，隨即對該機床加裝了主軸冷卻裝置，其原理是將電機的安裝基座板改制成中空，其間通入循環(huán)冷卻水，阻隔了電機的熱傳導(dǎo)給主軸箱，從而進(jìn)一步消除了主軸箱的熱膨脹。
通過以上措施徹底消除了主軸熱效應(yīng)造成的坐標(biāo)偏移現(xiàn)象，提高了設(shè)備精度可靠性。
