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进口电主轴维修技术浅析胡修勇滕飞姚国庆（奇瑞汽车股份有限公司 安徽芜湖）摘要 奇瑞汽车发动机公司各种品牌的高速加工中心很多，电主轴种类也较多。通过资源整合，对十来个品种电主轴的维 修，经过多年实践，已经掌握电主轴的维修技术，给出奇瑞汽车发动机公司几年来维修电主轴的相关经验。关键词 电主轴 加工中心 维修中图分类号 TG502文献标识码 B一、简介目前国内电主轴维修行业中，位于北京的西门子电主轴维 修中心、上海的斯凯福主轴维修中心较早成立，这两家的技术也 相对比较成熟。后又有德国的凯斯乐、吉姆恩等各大主轴制造商 近一两年在上海建立了自己的主轴维修中心。位于中原的洛阳 轴研科技也专门成立了电主轴维修部。据了解二汽、上汽、奇瑞 也纷纷有了自己的主轴维修团队，目的都是为了进一步降低生 产成本。加工中心所采用的铣削电主轴在 20 世纪 90 年代进入中 国，国内虽也有研究制造，但受制于材料、轴承及相关配套措施， 一直没有大批生产而未得到应用。由于发动机生产的需要，无论 进口设备还是国内设备，均采用进口品牌的电主轴来保证生产 的稳定。德国的凯斯乐、吉姆恩、崴丝、喜乐惠勒、瑞士的伊贝格、 斯太布泰克，还有日系的牧野、大偎等各种电主轴被大量采用。目前奇瑞汽车发动机公司各种品牌的高速加工中心很多， 导致电主轴种类较多，给电主轴维修工作带来较大困难，但通过 资源整合，对十来个品种电主轴的维修及多年实践，已经掌握电 主轴的维修技术。所谓电主轴，又称内藏式电机主轴，直接将主轴与电机做到一起，并通过松夹刀系统实现自动换刀，实现高精度高速度运转 的一种功能部件。一般包括芯轴前后轴承组系统、装刀单元、松 夹刀系统、电机及轴承冷却循环系统、液压单元、旋转单元及高 压内冷系统，松夹刀位置检测传感器等。因此，电主轴的维修是 一个非常复杂的系统工程。在主轴维修前，首先要对主轴检测，对主轴的现有精度、电 机状态、编码器状态、振动情况有一个大概的测试，根据检测结 果着重对发现的问题进行解决。主轴的各个零部件由于长期的使用及工况的不同，都或多 或少产生了很多油污及锈蚀现象。对主轴这些零件的清洗工作 占据整个主轴维修工作量的 1/4 左右。主轴零件一般可用煤油 进行清洗，由于是人工清洗，很多油道孔、水道孔、气路无法清洗 干净，一般可以采用超声波清洗机对其进行超声清洗，尽量将这 些深孔清洗干净。清洗后对零部件进行检查测量，确定哪些零件 失效，以便修复和更换。同时需要绘制整个主轴的装配图，并通 过装配图对主轴的各个功能部件进行分析，吃透理解每个零件所具备的功能，只有这样才能够在后期维修过程中合理地进行 装配。二、电主轴维修1.电主轴轴承组系统 电主轴大多数采用高速高精陶瓷球角接触球轴承，目前国际上应用较多的轴承品牌有 FAG、斯凯福、恩斯克、森法（已经 被斯凯福收购）、吉姆恩。其中 FAG、恩斯克的最为广泛。每一种 品牌的轴承都有着自己不同的设计理念。所以我们维修时在不 能完全吃透轴承的设计结构时，不要随便对轴承品牌或型号进 行替换。轴承的润滑方式一般有两种，脂润滑和油气润滑。脂润 滑优点是的结构简单、低摩擦终身润滑、系统成本低，但轴承寿 命周期不长，一般在 15 00020 000h。油气润滑方式则能够大 大提高轴承的寿命，一般在 40 00050 000h，与脂润滑相比，油 气润滑可不断地向轴承提供微量的新润滑油，因此可以充分保 证润滑油膜的厚度，同时在喷射润滑时，能快速带走轴承高速旋 转时产生的热量，极限转速可以大大的提高。但要另外加装一套 润滑系统，对润滑油的清洁度、空气的清洁度以及干燥度要求相 当高。结构相对脂润滑要复杂，价格也相对昂贵的多。图 1 是电 主轴主要结构与组成，图 2 是电主轴油气润滑管路示意图。图 1 电主轴主要结构与组成 轴承的装配是主轴维修过程中直接影响主轴精度、寿命的一个最重要环节。即使是眼睛看不到的细小尘埃也会给轴承带 设备管理与维修 2014 1跁賲图 2 油气润滑管路示意图的方式来修复锥孔，也有采用装配完后再精磨锥孔的方式，这样 能掩盖装配中的一些微小误差。主轴端面到驱动键端面的尺寸 要严格控制（图 3 中的 L3 和 L4），否则会影响主轴的拉紧力，主 轴锥孔相对于轴承安装基准的跳动值应0.002mm。图 4 是 HSK 锥孔专用检具。来不利影响。所以轴承的装配需要在一个环境清洁干净、恒温的 房间里进行。轴承的装配方法，因轴承的形式，配合的条件而不 同，因为一般多为轴旋转，所以内圈需要过盈配合。对于圆柱孔 的轴承，一般采用压力机压入或热装方法安装。轴承与轴承座一 般都是间隙配合，如有过盈配合时，通常用压力机压入，避免对 轴承造成伤害。在装配前，轴承的清洗是个重要环节，用煤油或 汽油对其进行清洗，一般分为粗洗和精洗两次来进行,清洗完毕 后还要进行脱脂，如果是脂润滑，则进行填充润滑脂工序，填充 润滑脂的量，请按照轴承手册进行。如是油气润滑，则尽量在轴 承不旋转的状态下，安装到主轴上，此时在轴承表面和内部抹上 一层薄薄的润滑油，效果会更好。对轴而且对轴承及隔垫相关尺 寸检查完毕后，根据尺寸以及轴承的预紧对隔垫进行调整后才 能进行装配。同时要观察主轴轴承结构，注意定压预紧和定位预 紧的区别。另外轴承安装时预紧力过大，会使运转时滚道和滚动图 3 主轴端面到驱动键端面的尺寸控制3. 主轴松夹刀 系统主 轴 松 夹 刀 系体之间的应力增加，轴承发热量也随之增加，这样轴承容易受 损。轴承内圈的锁紧方式一般有两种，一种是螺母锁紧。这种方 式对螺母的精度要求非常高，同时对螺母锁紧的扭矩有着严格 的要求，力矩小了轴承无法正常锁紧，力矩大了可能造成轴承隔 圈变形，产生意想不到的严重后果。还有一种就是用轴套固定方 法，利用轴与轴套之间大的过盈量进行固定。这种方式结构简 单，成本低，但在连续运转下比较容易发生松动，因此必须定期 检查。统，一般主轴厂家自 己不生产，通过其他 厂商制作。比较有名 的有奥锑锑、贝格、 罗姆这几个制造商。 松夹刀系统最重要 的一个环节是拉紧 刀具的弹簧系统，这图 4 HSK 锥孔专用检具2.装刀单元装刀单元，一般也就是刀具接口。在电主轴中，一般只有 7 24 和 110 两种锥孔接口形式。724 的有两种标准，德国的标准 称之为 HSK，日本标准称为 BT。724 的锥孔都是只有锥面接 触，完全靠锥面的摩擦力来传递扭矩。这种接口适用于中低速主 轴。而 HSK 锥孔是 110 的锥度，其端面都要与刀柄接触，形成 一种过定位，这样大大提高了加工时的刚性，而且由于刀柄是空 心刀柄，又可以提高转速。主轴使用一段时间后，由于加工中心 都是自动换刀，常年的自动换刀，一般锥孔及端面都会产生微量 变形（尤其凯斯乐主轴，壁厚较薄，非常容易变形），所以在维修 时必须要恢复锥孔的精度 。锥孔的形位公差可以参照 DIN 69893 标准执行。修复 HSK 主轴锥孔时，主轴锥孔的端面和锥面要同时修 复，必须要恢复工件原有尺寸。所以一般采用粗磨、镀硬铬、精磨种弹簧系统一般有两种结构，一种就是人们最早用的碟形弹 簧，还有一种是双螺纹循环式压簧。图 5 是奥锑锑拉刀系统示 意图。图 5 奥锑锑拉刀系统示意图 拆解碟簧系统时，要注意观察碟簧是否有微小裂纹，一旦发现立即更换，否则严重影响刀具的拉紧力与使用寿命，而双螺纹跂賲设备管理与维修 2014 1刀具接口规格拉紧力数据/kNHSK E252.8HSK A32/B40/E325HSK A40/B50/E40/F506.8HSK A50/B63/E50/F6311HSK A63/B80/E63/F8018HSK A80/B10028HSK A100/B12545HSK A125/B16070压 簧 一 般 疲 劳 损 坏 的 程 度 要 小一些。各种规 格 刀 柄 拉 紧 力 标准见表 1。装 配拉刀系统时， 在 与 主 轴 的 芯 轴 有 相 对 运 动 的 位 置 要 涂 抹 润滑脂。除 了 碟 簧之外，对主轴拉表 1 各种规格刀柄拉紧力标准电 主 轴 是 高 速运转的部件，在 正 常 运 转 过 程 中 定 子 和 轴 承 发 热 量很大，所以都专 门 设 计 了 冷 却 水 套 系 统 来 保 持 主 轴 正 常 运 转 所 需 要的温度。修理时 要 清 洗 干 净 水 套 中的污垢，装配时 一 定 要 注 意 观 察刀系统的拉紧力有影响的还 有拉钉和夹爪（图 6），拉钉伸 出距离的调整也很重要（图 7 与表 2）。拉钉安装调整完毕后，一 般在拉钉与夹爪接触的部分、 夹具与刀柄接触部分涂抹一 定的金属润滑剂，防止过渡磨 损而导致拉紧力丧失。各品牌 的拉刀系统原理基本差不多，图 6 拉钉和夹爪密封件的状态，否 则 导 致 漏 水 烧 毁 电 机 就 得 不 偿 失 了。电 主 轴 自 动抓 刀 时 一 般 有 3 种 状 态 ， 无 刀 夹 紧 、 带 刀 夹 紧 与 松 刀 。 检 测 松 夹 刀 位 置 ， 一 般 常 用 两 种 传 感 器 来 识 别 。 一 种 是 模 拟 量 传 感 器 ，在 松 刀 杆 后 端 有 一 锥 形 体 ， 通 过 检 测 锥 形 体 前 后 移 动 时 相 对 于 传 感 器 的 距 离 来 识 别 ， 西 门 子 和图 8 罗姆松刀油缸图 9 奥锑锑松刀油缸但 有 些 在 具 体 数 据 上 有 微 小 差别，在维修时 一 定 要 找 到 各 家 产 品 的 参 数 具体对待。主 轴 夹 紧刀 具 是 靠 弹 簧 的力量，但是松 刀 一 般 都 是 由图 7 拉钉伸出距离的调整HSK 锥孔规格主轴拉钉伸出距离 S 标准/mmHSK328.50.1HSK40HSK5010.50.1HSK63HSK80130.1HSK100表 2 奥锑锑相关标准OTT 都有相对应的产品 。设定完数据后，通常用 0.05mm 铜 皮夹在刀具与主轴锥孔端面之间来检测其夹紧精度。还有一 种是用数字接近开关来识别，通过一定的逻辑关系来反映拉 刀杆的具体位置，此时对传感器的轴向位置调整有着非常严 格的要求，以保证显示主轴松夹刀的正确状态。图 10 是吉姆 恩主轴松夹刀信号图示。主轴修完后，由于主轴零部件众多，且相关精度都很高，主 轴本身安装到机床上的工作量也比较大，故一般主轴装配完后 都要进行测试，以保证安装的准确性。一般主轴的测试内容除了 主轴本身的几何精度外，还要进行温升、动平衡、轴承振动以及 编码器测试。正常状态下，修复完主轴要让主轴从低速到高速运 转 5h，相关测试完毕后，才可以将主轴移交给使用单位安装使 用。4.动平衡及振动测试 高速回转时，即使小的不平衡量，也会产生很大的离心力，液压系统松刀油缸来完成。各种油缸的安装调整方法也要根据 各品牌指定的参数进行调整。图 8 是罗姆松刀油缸，图 9 是奥锑 锑松刀油缸。从而使电主轴系统产生振动，会降低主轴的使用寿命，严重时会 影响加工质量。为此，装配完后，必须对电主轴整体进行精确动 平衡。一般都执行 ISO 标准 G0.4 级，即在最高转速时，由于残余 设备管理与维修 2014 1跅賲图 10 吉姆恩主轴松夹刀信号图 11 主轴端面跳动检测图 12 主轴锥孔跳动检测图 13 轴承振动测试图 14 编码器的测试 正确波形动不平衡引起振动的速度最大允许值为 0.4mm/s。图 11 是主轴 端面跳动检测，图 12 是主轴锥孔跳动检测，图 13 是轴承振动测 试，图 14 是编码器的测试正确波形。图 15 是编码器波形输出信 号。图 15 编码器波形输出信号 总之，电主轴的维修是一个细致、认真并具备相当技术含量的工作，维修的每个工序都必不可少，不能因为某种客观或主观 原因减少工序，否则会带来意想不到的后果。电主轴维修要求技 术工人除了有较强的实践经验以及判断分析能力之外，还要会 画主轴装配图、对图纸进行分析，懂主轴的设计原理，同时也要 对电气部分有一定的专业知识，只有这样才能掌握电主轴维修 技术。5.主轴初次运行流程主轴在初次使用时，为了让润滑脂充分的润滑，要对主轴有 一个初期磨合运转，这样可以提高主轴的寿命，经长期使用并结 合主轴厂家提供的相关信息，制定流程供参考, 其他新主轴或 返修后的主轴，可按照此流程对主轴进行初运行。（1）以最高转速的 1/6 低速启动，运行主轴并观察温度，5min后温度较低且稳定的话进入下一步；（2）以上一步速度运行 30min，30min 后主轴停转，冷却5min， 进入下一步提速；（3）以主轴最高转速的 1/3 运行，运行 1min，停 2min，再运 行 1min，再停 2min，重复多次以后，待主轴温度稳定，