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K654 三軸銑床的改造與維修

2022-8-11 來源：中石化江鉆石油機械有限公司作者：王建忠

摘要：數控機床的故障分析，診斷與維修是數控機床使用過程中重要的組成部分，也是目前制約數控機床發揮作用的因素之一，在日常設備維修中，經常會遇到設備故障，有時候甚至是疑難故障，直接影響機床的正常運行。

關鍵詞：數控機床；故障原因；分析與排除；技術改造

0 引言

數控銑床是 80 年代初期從美國進口的銑齒機床，該設備已運行多年，現發現設備性能急速下降，結合設備的實際使用狀況，已充分證實設備進入故障高發期，機械性能呈下降趨勢，導生產線上硬件的不足，制造系統產能壓力無法釋放，急需進行設備關鍵部件國產化改造與維修。

1 、機床存在的問題

該機床使用長達 30 a，液壓系統閥件磨損，各個轉換油缸密封件老化，導致系統竄油，壓力損失引起壓力波動。具體故障現象如下：

①機床夾具的 2 個軸定位鎖緊機構誤差逐漸增大；

②機床液壓系統閥件磨損，各個轉換油缸密封件老化，導致系統竄油，最終導致液壓系統工作不穩定；

③夾具的 4 個夾具軸高度不一致；

④鎖緊裝置油缸蓋焊死后變形，致使每個活塞、缸體變形，松開、夾緊不同步，受力點發生變化導致一系列問題。

2、B 軸夾具及傳動機構的改進設計

機床夾具又稱卡具。是由定位元件、夾緊裝置、對刀或引導元件、連接元件、夾具體組成的。定位元件的作用是使工件在夾具中占據正確的位置。夾緊裝置的作用是將工件壓緊夾牢，保證工件在加工過程中受到外力作用時不離開已經占據的正確位置。夾具體是夾具上的組成部分，需要通過一個基礎件使其聯接成為一個整體。

2.1 技術改造背景

該設備使用長達近 30 a，機床各項精度值下降嚴重，夾具4 個軸等高不一致，造成工件加工尺寸經常不合格因鎖緊裝置的油缸端蓋固定螺釘經常出現斷裂故障，在更換傘齒輪及傳動軸時，間隙調整困難，需要反復多次修磨隔墊，一根軸只能鉆 3—5 次定位銷孔就不能用了，受進口零部件制約，維修周期長、費用高。

2.2 技術改造思路

技術改造思路是根據產品的加工要求用 6 個支撐點限制工件的自由度，使工件的夾緊力比較均勻，工件定位時，工件受力變形小；在裝夾工件時，工件受力方向為軸向，可提高工件的加工精度。技術改造內容如下：

①按照夾具裝置的結構及工作原理，重新設計新的結構、零件圖，編寫裝配技術要求；

②對 B1、B2、B3、B4軸進行解體、清洗、測繪，對磨損相關原因進行分析；

③運用激光干涉儀對各夾具軸進行檢測并調整，保持高度一致；

④確定傳動傘齒輪及傳動軸轉換及替代方案。

2.3 關鍵技術要點

關鍵技術要點如下：

①使用直徑 125 mm 油缸替代原有液壓油缸，并配作連接液壓拉桿；

②確保降低壓力內泄損耗，將原油缸分油器內的 O 形橡膠圈密封，改為間隙液體密封；

③重新配對加工傘齒輪；

④對傳動軸重新設計，全部采用公制標準25×30 mm 標準漲緊環尺寸。

2.4 具體技術要求

夾緊軸鎖緊機構：

①夾緊應不破壞工件的定位或產生過大的夾緊變形，防止工件在加工中產生振動；

②足夠的夾緊行程，夾緊動作迅速，操縱方便、安全省力；

③運用激光干涉儀對各軸進行檢測調整，使其高度保持一致；

④夾具壓力控制在5.516 MPa（800 psi）以內；

⑤夾具結構簡單緊湊，制造、維修方便。

工件夾緊油缸：

①使用直徑 125 mm 油缸替代原有液壓油缸，并配作連接液壓拉桿；

②改 O 形橡膠圈密封為間隙密封。

傳動螺旋傘齒輪：

①傘齒輪重新配對加工；

②對傳動軸重新設計，全部采用公制標準 25×30 mm 標準漲緊環尺寸。

2.5 實際使用效果

改造后的夾具結構比較簡單，便于拆裝，提高了工件的夾緊力，避免了夾緊力的過于集中，解決加工時產生的位移問題。其次，降低了系統液壓油溫，提高了液壓系統的穩定性。傳動傘齒輪及傳動部件改造后，傳動平穩，工作可靠，耐磨損，壽命長，各項技術指標全部達到設計預期，完全可以終生替代使用。

2.6 經濟價值體驗

此項改進（7 套）可節約 35 萬元，使得機械加工性能得到鞏固與提升，整個設備技術壽命得到有效延長。節省了每 3000~5000 h 換 1 組進口專用密封件的費用，每次 1.25 萬元。進口油缸總成 1 套 2.3 萬元，平均壽命大約 1.5 萬小時。國產油缸總成 0.12萬元，壽命 2 萬小時。解決了夾具翻轉軸翻轉平衡力不均帶來產品的質量及安全隱患。原進口 1 對傘齒輪價值人民幣 1.5 萬元，未做國產化改進前實際平均壽命 1500 h，現在改進后每對傘齒輪價值人民幣 0.35 萬元，已運行 7500 h 無故障，預計持續使用 3萬小時以上。降低維修勞動強度數十倍，故障率基本為零。

3、 Y 軸滾柱絲杠及組合軸承國產化改進

滾珠絲杠是由絲杠及螺母 2 個配套組成的。其是工具機械和精密機械上最常使用的傳動元件，主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反復作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。滾珠返回方式主要有端蓋式、插管式和螺旋槽式。內循環滾珠均采用反向器實現滾珠循環，反向器的外輪廓和螺母上的切槽尺寸精度要求較高，機床需要改進的Y 軸絲杠為外循環模式。

3.1 技術改造背景

機床需要改進的滾珠絲杠支撐座是支撐連接絲杠和電機的軸承支撐座，因滾珠絲杠副進給傳動的潤滑狀態不良、工件受重載切削導致軸向載荷太大、在使用超過 18000～20000 h 后都會引起過載報警。

3.2 技術改造思路

針對滾柱絲杠的故障現像，國產化設計時滾珠絲杠機構在運行時滾珠螺母不能承受徑向載荷或扭矩載荷，只能承受沿絲杠軸向方向的載荷，而且要注意使作用在滾珠絲杠副上的軸向載荷通過絲杠軸心，設計時不能將徑向負荷、扭矩載荷直接施加到螺母上，否則會大大縮短滾珠絲杠機構的壽命或導致運行不良，因為徑向載荷或扭矩載荷會使絲杠發生彎曲，螺母中部分滾珠過載，從而導致傳動不平穩、精度下降、壽命急劇縮短。

3.3 關鍵技術要點

精度等級、表面粗糙度、單個螺距允差和定長上的累積允差、外徑圓跳動允差。

3.4 具體技術要求

具體技術要求如下：

①軸承的徑向游隙和軸向游隙應符合GB 4604—1984 的規定；

②軸承與軸的配合采用基孔制，軸承與外殼的配合采用基軸制；

③軸承極限轉速 300 r/min，對應滾珠絲杠副快速移動線速度≥8～15 m/min；

④軸承套圈和滾子用GCr15 鋼制造，確保軸承套圈和滾子硬度值為 61 HRC；

⑤組合軸承預載荷，預拉伸載荷大小在合適范圍內。

3.5 實際使用效果

由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的運動效率。同時啟動力矩極小，不會出現滑動運動那樣的爬行現象，能保證實現精確的微進給。通過實際安裝使用后，整體性能達到進口同類產品的技術水平，滿足各項設計指標，擺脫對進口件依賴。

3.6 經濟價值體驗

原進口 1 套同型號的軸承價格約 1.42 萬元，現在改進后加工及裝配費用約 0.23 萬元。降低維修勞動強度數 10 倍，由原每月平均維修 12 h 延長到每年維修 20 h。

4 、動力主軸總成國產化

機床的主軸部件包括主軸及主軸兩端的支撐軸承和安裝在主軸上的傳動零件等。動力主軸部件是機床的重要部件，用來傳遞運動及扭矩，主要性能指標為剛度、旋轉精度及速度適應性。為了實現自動換刀功能，刀具在主軸上的自動夾緊和裝卸由刀具的自動準停裝置和夾緊裝置來實現。

4.1 技術改造背景

銑削加工的進刀量最關鍵，每轉或每分進給時切削量都不能過大，否則就要過載，而在生產實際中往往因為生產任務重，采取低速重載切削方式，導致主軸下端承受重載切削，產生較大的徑向切削力，同時主軸上端在同步皮帶徑向拉緊的作用力下形成一個較大的力矩，在主軸長期運轉后產生徑向位移，而該機床主軸出廠時采用的主軸端部密封方式為迷宮式防塵結構，其密封件與主軸的間隙很小，只有 0.04 mm，因而當時間一長，磨損量達到間隙值時主軸便開始接觸端部的密封件，高速運轉產生摩擦高溫，導致主軸被研死甚至燒壞主軸。

4.2 技術改造思路

技術改造內容包括：

①根據現狀將重點放在改造設計防塵結構上；

②根據其工作原理、結構特點進行國產化；

③對方案審核確立，開始著手關鍵零部件圖紙設計與繪制；

④在國內選擇有加工能力的外協資源按設計要求進行零部件加工。

4.3 關鍵技術要點

以提高機床動力主軸平均使用壽命為攻關著眼點，針對原裝配方式及迷宮式防塵結構進行國產化改進、主軸重新國產化選型。

4.4 具體技術要求

技術要求如下：

①動力主軸選用合金鋼，為了提高接觸剛度，防止裝拆軸承時敲碰損傷軸頸的配合表面，主軸軸頸必須有很高的硬度，采用低噪聲預緊滾動軸承；

②進行裝配精度檢測，軸向竄動控制在 0.008 mm 以內、徑向跳動控制在 0.005 mm 以內；