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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