加工中心镗孔圆度超差故障分析与排除.doc

加工中心镗孔圆度超差故障分析与排除

    摘  要：NC800卧式加工中心、XH715和ARROW1000立式加工中心，加工的箱体上轴承孔圆度超差，主要是主轴刀具松紧机构、滚珠丝杠间隙、主轴轴承预紧不够题目所致。
    关键词：NC800 圆度 镗孔
    镗孔圆度超差故障涉及到工艺系统的很多方面，机床自身机械方面的原因，是首先应检查的主要因素。
    一、主轴刀具拉紧力不够
    各种加工中心主轴刀具锁紧机构基本上大同小异，大多采用液压或气压松开，靠碟形弹簧回复力拉紧刀具，碟形弹簧长期使用会产生疲惫和损坏，导致对刀具的拉紧力下降。在镗孔过程中由于切削力的作用会使刀具产生松动，从而出现孔尺寸不稳定以及孔圆度超差的故障。假如不能确认镗孔圆度超差是否由于主轴碟形弹簧引起，可以先采用压力调整法进行试验，再结合其他检验来判定，避免盲目拆卸主轴松刀机构。
    一台NC800卧式加工中心加工的箱体上轴承孔圆度误差0.045mm，在排除了其他因素的影响之后，对松刀机构进行检验，先调整液压系统压力，由系统设置的6.3MPa逐渐往下降，每降低0.5MPa，对松刀情况进行检验，看松刀是否到位。当压力降到4MPa时，松刀机构卡爪的位移出现题目，刀具不能松开。正常情况下假如系统压力低于5.8MPa时，就不能正常装卸刀具了。假若松刀机构位移即松刀行程不变，而弹簧的回复力与压缩弹簧液压缸的压力成正比，松刀所需要的液压压力降低，证实弹簧的刚度降低了，这实际上说明碟形弹簧有题目。
    拆卸主轴刀具松紧机构，发现部分碟形弹簧损坏，对其进行全部更换，将锁母压紧到松开前的位置。安装后，松刀所需的压力恢复到正常的5.8MPa左右，再次进行镗孔测试，圆度误差减至0.01mm以内，恢复到正常水平。
    还有一种可能的情况是碟形弹簧并未损坏，但由于疲惫而刚度下降，通过调紧碟形弹簧的压紧锁母也可以增加刀具拉紧力，但留意不要影响松刀机构爪子的松开及锁紧位置，否则会造成刀具无法正常装卸，造成新的故障隐患。假如确是这种情况，仍然建议更换全部碟形弹簧，以确保刀具锁紧可靠。
    二、主轴轴承未有效预紧
    加工中心镗孔圆度超差，一般最直接的原因与主轴旋转精度有关，主轴旋转精度主要是靠主轴轴承来保证的，加工中心的主轴组件有多种结构形式，由于需要满足高速、重载、精密的现代加工要求，加工中心主轴前轴承多采用三个角接触球轴承组合，并承受双向的轴向载荷，对于这种配置的轴承的预紧，存在是否有效的题目。
    一台ARROW1000立式加工中心在加工壳体零件的轴承孔时，圆度误差0.03mm，几乎接近孔径公差，所以操纵工很难保证该孔的尺寸要求，经过对主轴径跳的静态检验，均符合该机床的精度指标要求，证实主轴轴承精度保持正常水平，同时也排除了刀具、夹紧力的影响。模拟主轴加工受力状况，将百分表压在镗刀杆的端部外圆面上，距主轴端面300mm左右，通过对镗刀杆人为推动施加外力，力的方向朝着表头压下的方向，可以看到百分表针有0.05mm左右的摆动。所以以为是主轴轴承预紧不够，在零件的加工过程中，由于受切削力的作用造成主轴径跳加大，从而影响镗孔圆度。主轴结构如图1所示。

    主轴轴承为三套角接触球轴承，通过内外两个隔环组合在一起。但是，在对预紧锁母施加预紧力之后，仍不能得到应有的预紧效果。由于轴承经过长时期磨损之后，轴向间隙加大，无论在轴承1的内环上施加力有多大，都无法使轴承2、3的内环随主轴产生位移来消除间隙，因此也就无法对主轴有效预紧。根据力平衡原理，轴承1的轴向力应即是轴承2、3的轴向力之和，当轴向施加外载荷后，轴承2、3的轴向载荷增加，轴承1的载荷则减小，三个轴承的载荷分配趋向均匀。成套供给的新轴承有很高的精度，基本可以保证轴承2和3有大体相同的预紧量，即受力比较均匀。在长期使用后，轴承2和3也基本有大体相同的磨损量，实在只需对轴承1和2之间的内隔环进行配磨，就可补偿轴承的轴向间隙，使得在轴承1和2与外隔环相互接触时，而内隔环与轴承内圈之间留有一定间隙，压紧后即可得到要求的预紧力。因此，解决的方法有两个：一是更换轴承；二是通过修配隔环使主轴预紧。考虑到轴承的精度还没有丧失，还是采取修配隔环使主轴预紧较好。由于在实际操纵中面临丈量方面的困难，将内隔环的长度由121.35mm修磨到121.25mm。安装后，以120N·m左右的力矩旋紧锁母来压紧轴承，留意预紧力不要太大，可根据机床要求的力矩，由于轴承1、2和内隔环之间可能压紧后仍存有间隙，预紧力过大会造成轴承发热，若无丈量力矩的装置，盘动主轴略有阻尼感觉即可。此后，经过测试及现场切削加工证实，此方法可行，同样镗Ф80mm的孔，圆度误差由0.03mm减小到0.005mm，完全满足零件的加工要求。
    三、坐标轴间隙导致的镗孔圆度超差
    加工中心坐标轴的间隙，在很大程度上影响机床运行的稳定性，是引起机床运行抖动的重要原因。在半闭环控制系统中，系统只检测电机输出真个位置，对坐标轴的实际位置并不检测，即使加进间隙补偿，也只是保证反向运行的精度，并不能纠正坐标轴停止后的位置变化。尤其是轻系列的加工中心，大都采用直线导轨，具有运动轻便灵活、负载轻的特点，但这类机床坐标轴抗振性较差，对间隙的反应很敏感，极易受到切削力的影响，在镗孔过程中也会引起圆度超差现象。
    一台XH715立式加工中心，采用直线导轨，半闭环控制系统，在加工行星架的三个齿轮轴的安装孔时，同一把镗刀，加工圆周方向均布的三个相同尺寸的孔大小不一样。进一步精测发现，三个孔的圆度都有不同程度的超差，误差大的0.03mm，小的0.02mm，但总是呈一定规律分布，圆度超差的方向上一致，都是在Y轴方向上尺寸小，X方向上尺寸基本没有变化，通过对Y轴监测，发现在镗孔过程中Y轴有稍微抖动，且抖动的频率与主轴转速一致，对Y轴进行检验，发现Y轴反向间隙超过0.07mm，X轴反向间隙为零。间隙的存在，使工作台在切削力的作用下，Y方向产生让刀现象，是造成镗孔圆度超差的主要因素。
    检查Y轴滚珠丝杠正负方向运动的窜动量基本为零，支撑的预紧没有题目，确认0.07mm的间隙是由丝杠的螺母产生，该螺母为双螺母垫片调隙结构，如图2。
    可通过加厚垫片厚度，使两螺母向撑开的方向产生轴向位移，达到消除间隙的目的。根据丈量的结果，先取出两个螺母之间的连接键块，将两螺母旋开一点，参照垫片的圆环尺寸，将0.07mm厚的铜皮剪成合适的半圆环，紧贴着垫片装进，随即旋紧两螺母，用键块压紧。完成安装之后，验其反向间隙在0.01mm以内，达到了消除间隙的目的。再次进行零件的加工试验，Y轴抖动现象消失。
    四、结论
    加工中心镗孔圆度超差题目，在机械维修中固然不是很复杂的题目，但与类似传动部件失效、零件损坏、卡死等故障不同。镗孔圆度超差可以是机床的原因，也可以是刀具、夹具以及零件材料的原因，还可能是几种因素共同影响所致。以上列举的导致镗孔圆度超差的几个原因及解决途径，只是个例，实际中碰到的情况可能不尽相同，但只要针对具体故障，密切关注不同机床的特征与故障现象之间的联系，具体题目具体分析，通过试验、丈量及现实的一些手段，找出影响圆度题目最主要的因素，故障的解决就只是个过程题目。

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