SCHAUBLIN150精密车床主轴精度的修复

zpc64

　摘  要：本文阐述了SCHAUBLIN150精密车床主轴精度修复的技术准备、基本步骤和计算原理。
2 G+ b1 K& A. C　关键词：精密车床 主轴 精度 修复　　
      1 引言
2 ]+ C, B( l, y* Q. ~+ O2 H. s& d　　SCHAUBLIN150精密车床是我院在80年代初开始引进使用的，当时该设备的各项精度均达到世界先进水平，特别是主轴的径向跳动精度在0.0006mm左右，主轴精度之高在国内罕见，即使现在我院已拥有大量先进的加工中心和车削中心，肖伯林车床在日常生产中仍然发挥了重要的作用，为我院生产任务的完成做出了重要贡献。
　　经过二十来年的使用，该型设备的几何精度和机械性能有了明显的下降，特别是主轴精度严重下降，主轴径向跳动精度已达到0.02～0.03mm左右，不能适应高精度零件的加工。为了恢复机床的各项精度和性能，对几台该型机床进行了大修。大修的重点在于修复其主轴精度。
9 X7 i, R& r1 [3 H　　2 主轴的结构与传动原理
' h2 }4 z' a7 X- o* J0 R　　开始维修之前，首先要通过资料和检查了解维修部位的详细结构，以便确定如何维修和维修重点。
% t4 u  W  M' P3 m$ F. e: s　　（1）主轴的结构及传动
% A# z( k# R1 X1 Z　　主轴的旋转精度是靠前后4套主轴轴承来保证，主轴前端轴颈有3套精度等级为P4（相当于国产C级）的FAG7014角接触球轴承（8）来支撑，主要是保证主轴径向跳动和轴向窜动精度，主轴的旋转精度和刚性就是依靠这3套轴承来保证的。主轴尾部是1套P4级FAG7212角接触球轴承，主要是保证主轴的轴线一致性，主轴远端300mm处跳动主要是依靠它的精度。
- }! w! q! _, a　　主轴的传动是由3相双速交流电机通过2级变速V型皮带带动主轴上的皮带轮（4），皮带轮通过齿轮结合子直接带动主轴（皮带轮与齿轮结合子是一体的）；或通过滑动齿轮1（6）与主轴上的滑动齿轮2（7）啮合，带动主轴旋转。其中皮带轮是由2组轴承FAG7015（5）独立支撑，与主轴没有直接接触，因此它的转动对主轴的各项精度影响不大。
　　（2）主轴箱的特点
# F" L: O/ ~. t  S& A( J　　该主轴箱结构简单紧凑，设计合理。里面各零件的传动由润滑泵打上来的润滑油直接润滑。经过二十来年运转，除主轴轴承外，其他零件磨损极少。整个箱体具有极好的刚性，保证主轴运转时有良好的精度和平稳性。
/ m" T6 H7 g4 J- J7 F' r　　3 维修准备
3 B4 C# W  f: n　　首先要对主轴的精度进行检测，检测主轴的径向跳动和轴向窜动，准确检测是正确修复主轴的重要依据。
3 M0 B2 ~4 e* F) `/ ^! C8 w' F　　检查被加工过的零件表面粗糙度和加工精度。检测加工零件的圆度，再把零件的圆度和主轴径向跳动比较分析--例如主轴径向跳动0.005mm，而零件的圆度为0.01mm，则说明主轴的刚性不足。
! d4 b+ L8 `/ p　　仔细听主轴在高低各种转速是否有异常噪音和振动，如果没有，则证明主轴轴承只是由于磨损而导致轴承游隙增大而没有损坏。因主轴上4套P4级轴承价格昂贵（进口的在1万元左右），所以主轴只要没有异常响声和振动，一般可以判断主轴轴承磨损使游隙增大，只需要重新调整恢复其预紧力就可以恢复精度；如果主轴有异常响声和振动、证明有个别主轴轴承损坏，需要更换被损坏轴承，重新装配调整精度，而不需要全部更换。如果轴承全部更换，不但增加修理费用，而精度也不容易保证。
& a) W: `$ d# z( V* I) y7 V　　4 主轴精度的修复
　　因为主轴轴承的成本很高，根据主轴精度的高低和相关情况，维修可以继续使用原轴承。如果轴承损坏，则需要更换。
* p$ B3 C2 Y9 w( \5 m8 ]1 f　　（1）不更换轴承修复主轴
8 J0 E6 k: v. k# k9 z' S  W　　 对主轴精度丧失原因做出正确的判断后，如主轴轴承没有损坏，只是正常磨损，主轴轴承就不需要更换，只要正确选配轴承之间的预紧力垫圈就可以了，对轴承进行预紧力调整。轴承有了预紧力，可以使滚珠与滚道在预加负荷下，消除了全部间隙并形成了一定的弹性变形，在外加负载时轴承具有一定的刚性。在外力作用下，轴承不会因外加负载而使滚珠和滚道之间产生间隙，从而提高了主轴的旋转精度，增强了主轴的刚性，提高了使用寿命。
* E9 L! M; S/ _$ H7 Z. ]5 r1 q　　主轴径部由3套7014P4级角接触球轴承组合(从左端分别标为ⅠⅡⅢ)，主要是保证径向跳动和轴向窜动精度。如果要重新调整这3组轴承的预紧力，只要选配轴承之间的垫圈就可以。预紧力调整计算如下：预紧力为Fao,额定轴向载荷为Fa。Fa当增大到使δa=δa0，δa指Fa引起的轴承变形，δa0指轴承Ⅲ在预紧力Fao下的变形。这时，则轴承Ⅲ完全卸荷，δa0=0。这时有：
8 {/ ]2 Y5 I! C2 A* z! R　　δa =δao+δao……………………………………（1）
/ ?8 ^* k: f8 s$ U, Y; `8 E　　式中：δa--轴承Ⅰ，Ⅱ在外载荷下变形，mm；
( `% `' u7 _* J8 m7 V6 V　　 δao --轴承Ⅰ，Ⅱ在预紧力下变形，mm。
" P: \' H6 t$ ~& ]0 j　　轴承Ⅰ和Ⅱ各担负外载荷和预紧力的一半，根据载荷和变形的对应关系，故
　　 k( )＝k()+kFao………………………………（2）
　　式中：Fao--预紧力，N；
. \1 {# _7 _8 R& A3 V3 v　　 Fa--额定轴向载荷，N；
( m! m  w: K9 O% E2 @　　 k--固定系数。
- O! ]! Q$ @* c9 \+ B　　按公式（2）计算得 ：
　　Fao=0.24Fa……………………………………（3）
- Y: z7 _2 x9 g& ]7 s4 r  l　　估计该主轴额定载荷为4000N，则预紧力约1000N左右，查表可得：内环垫圈在原尺寸下应减去0.02～0.03mm（这要根据对主轴跳动精度判断来定）并保证两端面的平行度在0.001mm之内，这要靠在平板上手工研磨来达到尺寸精度要求。
, z3 h2 x% H+ s　　（2）更换轴承修复主轴
- h3 ~! p9 }: |1 @　　如主轴有异常响声和振动，被加工零件表面有明显振纹，可以判断主轴轴承有可能严重磨损及损坏，需要更换轴承。轴承不可能同时损坏，只要某一个轴承损坏，就可以造成上述情况，所以把损坏的某一个轴承找出来更换即可。例如：假设是颈部3套轴承中间的一套损坏，只需要更换中间轴承。在更换轴承前，应对新轴承精度进行检测，检测轴承端面的平行度，端面和径向的自身跳动，在平板上研磨检查轴承端面有无磕碰之处，在准确找出轴承内外环之差δ，用0.02-0.1的黄铜皮做垫圈来消除内外环之差，来保证同向轴承的配合消除间隙。再根据轴承内外环之差来选配预紧力垫圈1内外环的尺寸。
　　不管主轴轴承是哪一个损坏，都要重新分析被损坏轴承所在的位置和各中不同方面的因素，来重新思考新的修理方法，这里就不一一举例。主轴装配完后，要对主轴前端径向跳动和轴向跳动、尾部的径向跳动进行检测。一般检测只注重主轴前端径向和轴向的精度，对于该机床来说，尾部的径向跳动同样重要，它关系到主轴轴线300mm处跳动的精度。主要检测项目如下：
* o, z) N* O' g% ]* Z$ t! a0 z1 D　　a)主轴径向跳动和轴向窜动不允许超过0.001mm；
0 _9 \5 e' T; A/ w4 l　　b)尾部径向跳动不允许超过0.005mm；
　　c)用手转动主轴不允许有一松一紧现象，不能过紧。
# F5 t, |, b4 F　　5 主轴的拆装
　　拆装主轴也是个关键的环节，主轴自身跳动精度都在0.001mm之内。如此高的主轴精度，经不起任何损伤，绝对不允许敲击。拆卸主轴时，我们使用了自制主轴拉钩，把主轴从主轴箱内缓慢拉出来。
" {$ H/ T; P! R9 N　　主轴修理调整装配完以后，用同样的方法把主轴安装进去，只不过这时安装工具的着力点在主轴箱尾部。在装配主轴时，要特别注意主轴和安装孔是否有毛刺，并把相关零件清洗干净。
# J& y5 q# O4 K% c8 N5 |　　在装配主轴轴承时，也必须正确操作，且不可随意敲击轴承，否则会损伤轴承，影响轴承精度。可以利用手锤和套筒安装，敲击要作用在套筒上。绝不允许在装轴承内圈时打外圈或在装外圈时打内圈，否则捶击力会通过滚动体与滚道传递给另一套圈，导致滚道和滚动体的损伤。
0 R# q- l- R& @0 ?　　6 总结
　　我们已经对4台肖伯林精密车床进行了大修，主轴修复后各项精度都达到了预期效果，主轴的径向跳动和轴向窜动都在0.001mm以内，被加工零件的圆度可达0.0005mm左右。经过大修，使一批肖伯林精密车床恢复了出厂加工精度。