张 均，苏 玲

（陕西宝成航空仪表有限责任公司机动分公司，陕西宝鸡 721006）

0 前言

随着机械加工技术的飞速发展，集计算机控制技术、高速加工技术于一身的数控加工中心，在公司航空产品的生产试制过程中得到了广泛运用，并发挥出重要作用。数控加工中心主轴箱作为机床最重要的核心部件，在加工过程中承担着最繁重任务。主轴箱运转正常与否，直接影响到零件加工精度、表面粗糙度和加工效率等。而在设备使用过程中，主轴箱换刀故障发生频率较多，在设备故障维修工作中占有很大的比例，对零件加工任务的顺利完成起着决定性的作用。精准、快速的判断和排除故障，对维修技术的掌握提出了较高要求。经过多年探索与积累，以立式加工中心XH714D型机械主轴箱为例，给出主轴部件的修理与调试排故的方法。

1 主轴箱结构与工作原理简介

1.1 主轴箱结构

（1）立式加工中心XH714D型方形主轴箱，安装在立柱导轨上。主轴前端锥孔为ISO BT40，前支承轴承为7012CDBT/GLP4型高精度三联成组安装向心推力球轴承，后支承轴承为7012CDB/PLP4高精度双联成对安装向心推力球轴承。通过前端法兰盘将主轴总成固定在主轴箱体内。前轴承预紧力通过前端盖及备帽（调整螺母，下同）调整，后轴承预紧力由后备帽直接调整。主轴运转动力由伺服电机通过同步齿形带提供，运转速度及方向由NC控制通过伺服放大器实现。主轴准停由伺服电机内部编码器检测，伺服电机执行，通过同步齿形带带动主轴定位准停，为自动换刀提供准确位置。主轴上端的气缸活塞杆（装卸刀气缸，下同）作用于拉刀杆实现自动、手动换刀。通过冷却油在主轴箱内部循环，保证主轴不发热和恒温运转（图1）。

（2）根据多年维修经验，对主轴箱维修流程进行了归纳与总结（图 2）。

（3）由于加工中心主轴在加工过程中高速运转，承受着巨大的切削抗力。随着使用年限的增加零件磨损精度下降或由于意外事故的发生导致个别零件精度失效，造成工件加工面粗糙度不能满足要求、圆度超差、尺寸精度下降、运行噪声过大、主轴准停位置无规律变化、装卸刀报警等故障。因此对主轴回转精度的修复与提高，将会更好地保证和提高零件的加工精度，提升机床的加工能力。

图1 主轴结构

1.2 主轴箱的修理

1.2.1 修理前的准备工作

主轴出现故障后首先要根据主轴的工作原理、结构进行全面诊断分析，初步确定故障点及造成故障的原因。运用现场询问法、观察测量法、排除法、逻辑推理法、受力分析法等多种手段综合判断，结合平时的工作经验进一步确认故障部位及损坏零部件，制定相应的修理工艺路线，预报可能要更换的备件，准备好拆卸修理工具、专用润滑脂、清洗用具和清洗煤油，以及零件存放箱等。零件较多时，为了便于记忆和保证顺利装配，需按照拆卸顺序分组编号存放和保管。

1.2.2 主轴的拆卸

开始修理前，为便于工作应将主轴箱停在合适的高度；拆除护罩；拆下装、卸刀气缸；松开主轴伺服电机的4个紧固螺钉及2个调整螺钉，拆下主传动同步齿形带；拆下主轴拉杆上端2个备帽，取出拉杆及碟型弹簧；拆下主轴上端备帽以及主轴下端法兰盘6个M10内六角螺钉并垫好木墩，从上往下用紫铜棒轻轻将主轴连同前轴承一并敲出，松掉前轴承备帽，从主轴上轻轻取出前轴承；从主轴箱下端向上用紫铜棒轻轻敲出后支承轴承，完成主轴的拆卸工作。

图2 主轴箱维修流程

1.2.3 主轴零件的清洗与检查

拆下的零件需用煤油清洗干净，严禁使用汽油等其他易燃易爆、有腐蚀性的介质进行清洗。清洗的步骤按照轴承、主轴、隔套、衬垫、箱体孔及其他联接传动件等依次进行。零件清洗结束，待煤油晾干后进行仔细检查。首先根据工作经验和手感（在没有轴承检查工装、仪器情况下）检查主轴轴承游隙是否符合要求，在放大镜下面检查轴承滚道是否有研伤拉毛、剥蚀等缺陷；检查主轴及其安装孔、隔套、衬垫有无挤伤、压伤以及毛刺等情况产生；测量衬垫、隔套几何精度并记录，以便装配时调整轴承配合间隙；最后检查其他零件有无影响装配的瑕疵。根据分解前、后检查情况以及零件加工缺陷，最终确定故障以及损坏原因，确认更换件的名称、型号、规格、数量，并制订修理工艺等。

1.2.4 主轴的修理精化与失效零件的更换

（1）主轴及箱体孔的修理。主轴及箱体缺陷主要是指主轴与轴承配合面及箱体孔表面的划伤、碰伤、压伤、挤伤等，主要是在主轴装配、拆卸过程中配合面清理不干净、拆装工艺不合理、拆装方法不正确造成。如果处理不好会影响主轴的回转精度，并且造成装配困难。因此在主轴装配前必须要用干净煤油认真清洗各零部件，特别是配合面；仔细检查主轴表面是否光滑整洁、轴承精度是否符合要求、内外隔套尺寸和平行度以及箱体主轴安装孔是否满足装配要求。发现缺陷时先用刮刀祛除周围高点，再用细腻的刚玉油石把周围毛刺去除干净。条件具备时也可以自制研具，使用细腻的氧化铬研磨抛光膏进行研抛，确保安装配合面光滑无高点，以达到理想的精化装配效果。

（2）主轴轴承的更换。主轴轴承作为保证回转精度最关键的备件之一，稍有缺陷就会对零件加工精度造成严重影响。轴承失效多见于滚道的研伤、剥蚀、滚珠烧黑等。造成这类故障的原因是：润滑油污染失效、主轴在润滑不良情况下高速运转时间过久、吃刀量过大产生过载或受过大的冲击力造成。出现上述情况之一就必须更换。由于主轴回转精度要求高，因此选用了德国FAG公司高精度成组安装轴承。安装前首先要严格检查轴承的质量与精度，用干净煤油对轴承进行清洗3遍，用绸布擦净煤油，严禁使用压缩空气直接吹干轴承滚道；然后再清洗主轴及箱体主轴安装孔，同样用绸布擦干。清洗干净后给2组轴承分别填充主轴专用润滑脂，油量为滚道空间的1/6，最多≤1/5，否则轴承容易发热。

（3）轴承隔套的修复。隔套是保证轴承装配精度的关键件之一，其两端面的平面度、平行度对主轴的回转精度至关重要。修复前先用着色法在O级平台上推研，取接触面最好的端面作为基准。用氧化铬研磨膏，10号锭子油作研磨剂，在专用平台上仿8字运动研磨。隔套要拿正轻研，保证不变形。用0.001的千分表在0级平台上测量上、下端面的平行度，必须保证＜0.002 mm，决不能出现局部凸点。如果有凸点就必须研抛祛除，且保证基本尺寸不变，只有保证隔套的精度才能保证主轴装配后的回转精度。隔套修复技术要求，见图3。

图3 隔套修复技术要求

（4）主轴的组成与装配要点。在精整后的主轴及箱体主轴孔也涂上薄薄一层专用润滑脂，主轴套上垫圈及前法兰盘，按照组配顺序及方式装入前面2个轴承再依次装入内外隔套前端最后1个轴承，注意不能把顺序装错。再装入衬垫带上备帽调整好间隙，用手转动主轴轴承或者主轴，手感灵活、转动轻快、没有间隙时锁死备帽。将准备好的自制精密小型千斤顶（图4）放在工作台面上，然后将组合好的主轴总成置于千斤顶上面，将高度垫到上轴承与箱体主轴孔接触，转动千斤顶升降螺母将主轴轻轻推入孔内。带上6个内六角螺丝转动主轴手感灵活、平稳、自如、无阻滞现象时，拧紧6个安装紧固螺钉。严禁用Z向进给向下移动主轴箱将主轴压人主轴孔内，这样极容易损坏轴承或者挤伤主轴孔。用千分表检查主轴径向跳动及轴向窜动全部符合精化要求时，按照组配方式依次从主轴上端向下装入成对安装轴承及垫圈、皮带轮用备帽调整好间隙，将备帽锁死防止松动。检查无误后，安装调整好同步齿形带即可运转试车，试车时从1000 r/min开始到最高速8000 r/min，分9挡逐挡运转，各级转速运转时间≥20 min，最高速连续运转≥40 min。运转声音、温度正常时，再次复查主轴回转精度。

图4 自制精密小型千斤顶结构

（5）主轴精度的检查。手动方式将BT40标准检验棒装入主轴。确认拉紧后主轴启动，低速运转进行。依次检查主轴定心轴颈的径向跳动、主轴锥孔中心线的径向跳动、轴向窜动。各项精度指标全部达到要求时，结束主轴修理精化工作，准备加工试件。修理精化结束后的精度检验记录，见表1。

表1 修理精化后的精度检验记录

（6）主轴箱精化修复后的效果。修理精化结束后，经过试运行以及试加工，主轴各项指标良好，性能与加工精度稳定，生产效率、产品合格率得到提高。特别是长时间困扰零件加工表面粗糙度达不到要求问题得以解决。

1.3 主轴换刀故障的诊断与排除

主轴换刀常见故障有：加工过程中掉刀、刀柄震动；刀柄装不上或者卸不下；装刀未拉紧、卸刀未松开等。这些故障有些有报警提示，有些无报警提示。对于无报警提示的故障，就需要凭工作经验和维修技术进行排故和修理。

1.3.1 刀柄振动和换刀故障检查与修复

（1）加工过程中出现刀柄振动，直接影响零件加工面的粗糙度，而加工过程中出现掉刀会直接造成零件报废，必须高度重视。出现刀柄振动或掉刀的直接原因就是刀柄与主轴锥孔锥面配合不好、刀柄拉紧力不够等造成。

（2）检查、排故方法。首先检查刀具锥柄及主轴锥孔表面是否有高点，拉钉是否有严重的磨损变形等情况。锥面有高点时需用油石去掉高点再对锥面进行研抛，使内、外配合锥面贴合率＞70%。如果拉紧力不够，大多是刀柄拉钉或主轴拉刀卡爪严重磨损造成，更换拉钉或卡爪即可。更换后拉紧力仍然不够时就要检查蝶型弹簧是否损坏。检查时先要松开备帽拉杆，取出主轴孔内的蝶形弹簧进行检查，清理出损坏蝶形弹簧片并更换。更换时检查新蝶形弹簧有无裂纹、表面是否光滑等，符合要求时在弹簧表面涂上一层薄薄的润滑脂，按照2片一组，2组一对组合，依次装入蝶型弹簧、垫片，带上调整备帽。备帽的松紧以卡爪能打开，拉钉能顺利进入卡爪且拉紧刀柄为宜。备帽的调整不能过松或过紧，否则不是拉不紧刀柄就是压碎弹簧。安装完毕后可多次进行装卸刀试验，装刀顺畅、卸刀自如、无异常声音时，方可交付操作工操作。

1.3.2 主轴准停无规律变化故障的检查与修复

主轴准停就是机床在执行自动换刀时，主轴必须停在固定位置，以便刀柄顺利装入主轴或还回刀库。如果主轴准停位置发生无规律变化就会使自动换刀无法顺利进行，甚至损坏刀具或刀库。造成准停位置变化的原因有：主轴控制参数的变化或者机械故障。现以机械故障为例进行分析。从传动链结构便可分析得出，造成主轴准停位置无规律变化的原因，就是由于同步齿形带老化掉齿或者同步带轮与主轴联接键出现间隙，使主轴与伺服电机运动不同步造成。检查确认时，首先检查皮带有无老化掉齿现象，再用手捏紧主轴检查皮带轮与主轴联接键的间隙情况。当同步齿形带老化损坏时就必须更换。更换皮带时先拆掉换刀气缸，松开电机固定及调整螺丝把电机推到靠近主轴位置取出旧皮带，把主轴旋转到准停位置，电机定位准停，把新皮带套在电机及主轴皮带轮上，把电机向后推到固定位置，转动调整螺丝调整皮带松紧，检查主轴前端面2个键块侧面的平行度＜0.02 mm，以保证刀柄能顺利插入主轴锥孔。齿形带松紧合适键块平行度符合要求时，拧紧固定电机的4个螺栓。如果是主轴与皮带轮联接键有间隙，就要先拆掉皮带，松开皮带轮备帽，拆除皮带轮，重新配制平形键。主轴键槽损坏严重时就要将主轴整体拆出修复2个键槽。修复时必须要保证2个键槽的对称度＜0.01 mm，以方便皮带轮安装。由于主轴键槽修复后尺寸变宽，因此联结键就要加工成“凸”形，具体尺寸根据实际情况确定。将皮带轮毛刺清洗干净，再涂上润滑脂后组合安装，主轴以及同步齿形带的安装调整同前述。反复操作主轴准停，位置准确无误后修理调整结束。

1.3.3 装卸刀故障的检查与修复

这类故障比较常见，主要有主轴刀柄不能装入主轴锥孔或者刀柄从主轴锥孔内不能卸出，刀柄拉紧后仍然显示刀柄未拉紧，或者刀柄松开后仍然显示刀柄未松开等，使程序换刀不能正常进行。故障的检查与排除方法：

（1）主轴刀柄不能装入主轴锥孔或者从主轴锥孔内不能卸出的故障检查与排除。根据主轴换刀机构的动作原理分析，出现这类故障是由于气动打刀缸出现故障，造成活塞杆行程不够所致。造成的原因有：气压未达到要求压力、增压油缸缺油、增压油缸密封件损坏造成油缸拉伤等。检查修理时应遵循从易发故障、最易检查部位开始逐步排查，直至故障排除。

检查程序：检查气压是否≥0.5 MPa；压力达到要求时用手动操作方式检查打刀缸活塞杆的行程是否符合要求，如果活塞杆行程短不能将刀柄拉杆压到位时，就要检查打刀缸增压油缸是否缺油，如缺油就向油缸旁边油壶内加N46抗磨液压油（约200 ml）,手动重复操作换刀动作，直至换刀正常为止；如不缺油就是由于打刀缸内部零件老化破碎拉伤油缸，活塞杆阻力过大不能完全伸出造成。修理方法：拆下打刀缸分解增压油缸更换活塞杆上Y形密封圈及O形密封圈，然后修复油缸拉伤。修复时把油缸清理干净，用曲面刮刀祛除高点，再用刚玉油石油光（有条件时可绗桁磨修复），再次清洗后缸内加油组合安装，观察调整活塞杆前端调整螺钉长度，以活塞杆全部压下后刀柄卡爪全部打开，刀柄能顺利取出；油缸活塞杆全部退回油缸后，卡爪能把刀柄拉紧并且离拉杆后端有2～3 mm间隙为宜。

（2）刀柄拉紧后显示刀柄未拉紧，刀柄松开后显示刀柄未松开故障的检查与修复。出现这类故障的原因有开关位置变化和开关损坏。检查排故方法：用手动操作方式装、卸刀柄，在打刀缸活塞杆全部伸出或者退回的情况下，仔细调整限位开关的安装位置，以活塞杆到位，接触片压下相应的开关触头，限位开关接通，发出装、卸刀柄到位信号为宜。切不可提前发出到位信号，否则将会出现活塞杆未全部伸出或退回，甚至活塞杆未脱离拉杆，机床已经开始下一步动作，而损坏其他零部件。

如果开关触头压下，开关仍未接通时就必须用万用表检查确认是否存在开关损坏或者线路故障，如果开关损坏就必须更换，线路故障就要检查和排故，彻底排除换刀故障，确保主轴箱及部件的正常运转。

2 主轴箱维护与保养

（1）开机前应先检查主轴恒温油箱液位高度是否符合要求，压缩空气压力、质量是否达到标准，主轴锥孔及外表面是否干净、整洁。

（2）通电后，手动检查装卸刀柄吹气是否正常；刀柄装、卸是否顺畅；恒温油循环是否流畅；装入刀柄后，启动主轴低速运转5 min，中速运行≥5 min，然后再高速运行≥5 min，主轴达到热平衡时方可开始零件加工。禁止主轴不装刀柄高速运转。

（3）根据所加工材料及加工余量选择合理的转速，一般将加工所用的最高转速设定在额定最高转速的80%以内。

（4）为了主轴长期保持良好的精度及性能，工作前认真检查、校验操作程序，对刀要认真仔细；进刀量选择要科学合理，使主轴避免遭受冲击或者过载。

（5）工作中要保持刀柄及主轴锥孔干净，拉钉型号、长度符合要求。发现漏油、漏气、噪声、温度过高等其他故障时，要立即停机找专业维修人员检查处理，以免损坏其他部件；严禁使用压缩空气清洁主轴。

（6）工作结束后要及时将刀柄还回刀库，将切削液清理干净，擦干刀柄，用主轴清洁棒及时清洁主轴锥孔，以免生锈影响正常使用。

3 结束语

加工中心的修理是一项非常精细的工作，修理者不但要有高超的机修技术，还要有过硬的钳工技术和相应的电工技术，这样才能具备数控机床故障的准确诊断、分析、修理能力。主轴箱作为机床最重要的部件，对零件加工任务的完成至关重要，修理要求特别高，验收条件极为苛刻，因此对修理人员的技术素质要求也就特别高。经过主轴精化修理，能够提高主轴的回转精度，提升机床的加工能力和稳定性，保证公司多项关键件的零件加工。