K654 三軸銑床的改造與維修
2021-9-2 來源： 中石化江鉆石油機械有限公司 作者：王建忠
摘要：數(shù)控機床的故障分析，診斷與維修是數(shù)控機床使用過程中重要的組成部分，也是目前制約數(shù)控機床發(fā)揮作用的因素之一，在日常設(shè)備維修中，經(jīng)常會遇到設(shè)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(guān)鍵詞：數(shù)控機床；故障原因；分析與排除；技術(shù)改造
0 引言
數(shù)控銑床是 80 年代初期從美國進口的銑齒機床，該設(shè)備已運行多年，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)備性能急速下降，結(jié)合設(shè)備的實際使用狀況，已充分證實設(shè)備進入故障高發(fā)期，機械性能呈下降趨勢，導(dǎo)致生產(chǎn)線上硬件的不足，制造系統(tǒng)產(chǎn)能壓力無法釋放，急需進行設(shè)備關(guān)鍵部件國產(chǎn)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(tǒng)閥件磨損，各個轉(zhuǎn)換油缸密封件老化，導(dǎo)致系統(tǒng)竄油，壓力損失引起壓力波動。具體故障現(xiàn)象如下：①機床夾具的 2 個軸定位鎖緊機構(gòu)誤差逐漸增大；②機床液壓系統(tǒng)閥件磨損，各個轉(zhuǎn)換油缸密封件老化，導(dǎo)致系統(tǒng)竄油，最終導(dǎo)致液壓系統(tǒng)工作不穩(wěn)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(fā)生變化導(dǎo)致一系列問題。
2 、B 軸夾具及傳動機構(gòu)的改進設(shè)計
機床夾具又稱卡具。是由定位元件、夾緊裝置、對刀或引導(dǎo)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(jù)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(jīng)占據(jù)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(chǔ)件使其聯(lián)接成為一個整體。
2.1 技術(shù)改造背景
該設(shè)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(jīng)常不合格。因鎖緊裝置的油缸端蓋固定螺釘經(jīng)常出現(xiàn)斷裂故障，在更換傘齒輪及傳動軸時，間隙調(diào)整困難，需要反復(fù)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(shù)改造思路
技術(shù)改造思路是根據(jù)產(chǎn)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(shù)改造內(nèi)容如下：①按照夾具裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，重新設(shè)計新的結(jié)構(gòu)、零件圖，編寫裝配技術(shù)要求；②對 B1、B2、B3、B4 軸進行解體、清洗、測繪，對磨損相關(guān)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(diào)整，保持高度一致；④確定傳動傘齒輪及傳動軸轉(zhuǎn)換及替代方案。
2.3 關(guān)鍵技術(shù)要點
關(guān)鍵技術(shù)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(nèi)泄損耗，將原油缸分油器內(nèi)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(shè)計，全部采用公制標(biāo)準25×30 mm 標(biāo)準漲緊環(huán)尺寸[4]。
2.4 具體技術(shù)要求
夾緊軸鎖緊機構(gòu)：①夾緊應(yīng)不破壞工件的定位或產(chǎn)生過大的夾緊變形，防止工件在加工中產(chǎn)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(diào)整，使其高度保持一致；④夾具壓力控制在5.516 MPa（800 psi）以內(nèi)[5]；⑤夾具結(jié)構(gòu)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[5]；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(shè)計，全部采用公制標(biāo)準 25×30 mm 標(biāo)準漲緊環(huán)尺寸[4]。
2.5 實際使用效果
改造后的夾具結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的位移問題。其次，降低了系統(tǒng)液壓油溫，提高了液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
傳動傘齒輪及傳動部件改造后，傳動平穩(wěn)，工作可靠，耐磨損，壽命長，各項技術(shù)指標(biāo)全部達到設(shè)計預(yù)期，完全可以終生替代使用。
2.6 經(jīng)濟價值體驗
此項改進（7 套）可節(jié)約 35 萬元，使得機械加工性能得到鞏固與提升，整個設(shè)備技術(shù)壽命得到有效延長。節(jié)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(chǎn)油缸總成 0.12萬元，壽命 2 萬小時。解決了夾具翻轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)平衡力不均帶來產(chǎn)品的質(zhì)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(chǎn)化改進前實際平均壽命 1500 h，現(xiàn)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(yù)計持續(xù)使用 3萬小時以上。降低維修勞動強度數(shù)十倍，故障率基本為零。
3、 Y 軸滾柱絲杠及組合軸承國產(chǎn)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(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復(fù)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(nèi)循環(huán)滾珠均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，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(huán)模式。
3.1 技術(shù)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(tài)不良、工件受重載切削導(dǎo)致軸向載荷太大、在使用超過 18 000～20 000 h 后都會引起過載報警[7]。
3.2 技術(shù)改造思路
針對滾柱絲杠的故障現(xiàn)像，國產(chǎn)化設(shè)計時滾珠絲杠機構(gòu)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(shè)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(gòu)的壽命或?qū)е逻\行不良，因為徑向載荷或扭矩載荷會使絲杠發(fā)生彎曲，螺母中部分滾珠過載，從而導(dǎo)致傳動不平穩(wěn)、精度下降、壽命急劇縮短[8]。
3.3 關(guān)鍵技術(shù)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(shù)要求
具體技術(shù)要求如下：①軸承的徑向游隙和軸向游隙應(yīng)符合GB 4604—1984 的規(guī)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(zhuǎn)速 300 r/min，對應(yīng)滾珠絲杠副快速移動線速度≥8～15 m/min[9]；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(yù)載荷，預(yù)拉伸載荷大小在合適范圍內(nèi)。
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(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)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(chǎn)品的技術(shù)水平，滿足各項設(shè)計指標(biāo)，擺脫對進口件依賴。
3.6 經(jīng)濟價值體驗
原進口 1 套同型號的軸承價格約 1.42 萬元，現(xiàn)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(shù) 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(chǎn)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(biāo)為剛度、旋轉(zhuǎn)精度及速度適應(yīng)性。為了實現(xiàn)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(xiàn)。
4.1 技術(shù)改造背景
銑削加工的進刀量最關(guān)鍵，每轉(zhuǎn)或每分進給時切削量都不能過大，否則就要過載，而在生產(chǎn)實際中往往因為生產(chǎn)任務(wù)重，采取低速重載切削方式，導(dǎo)致主軸下端承受重載切削，產(chǎn)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(zhuǎn)后產(chǎn)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(jié)構(gòu)，其密封件與主軸的間隙很小，只有 0.04 mm，因而當(dāng)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(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦高溫，導(dǎo)致主軸被研死甚至燒壞主軸。
4.2 技術(shù)改造思路
技術(shù)改造內(nèi)容包括：①根據(jù)現(xiàn)狀將重點放在改造設(shè)計防塵結(jié)構(gòu)上；②根據(jù)其工作原理、結(jié)構(gòu)特點進行國產(chǎn)化；③對方案審核確立，開始著手關(guān)鍵零部件圖紙設(shè)計與繪制；④在國內(nèi)選擇有加工能力的外協(xié)資源按設(shè)計要求進行零部件加工。
4.3 關(guān)鍵技術(shù)要點
以提高機床動力主軸平均使用壽命為攻關(guān)著眼點，針對原裝配方式及迷宮式防塵結(jié)構(gòu)進行國產(chǎn)化改進、主軸重新國產(chǎn)化選型。
4.4 具體技術(shù)要求
技術(shù)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(yù)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(nèi)、徑向跳動控制在 0.005 mm 以內(nèi)；③主軸上端部采用間隙可調(diào)密封防塵結(jié)構(gòu)。
4.5 實際使用效果
動力主軸總成部件進行國產(chǎn)化改進后，已投入使用接近25 000 h，至今沒有出現(xiàn)故障，始終運行穩(wěn)定，各項技術(shù)指標(biāo)全部達到設(shè)計預(yù)期，完全可以終生替代使用。
4.6 經(jīng)濟價值體驗
原進口一根動力主軸價值人民幣約 20 萬元，未做國產(chǎn)化改進前實際平均壽命只有 2000 h，現(xiàn)在改進后每個價值人民幣1.3 萬元，已運行 25 000 h 無故障，預(yù)計持續(xù)使用 50 000 h 以上。降低維修勞動強度數(shù)十倍，故障率基本為零。
5、結(jié)束語
通過對該機床的各項機械部件進行國產(chǎn)化改造，機床的性能和可靠性有了明顯的提升。不僅可為公司節(jié)約大量的設(shè)備采購資金，降低維修成本，同時提高了產(chǎn)品的整體加工質(zhì)量。自改進后設(shè)備故障率較以前有了明顯的降低，設(shè)備運轉(zhuǎn)效率得到了顯著的提高，既滿足了工藝技術(shù)的要求，又可縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。
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