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直联式主轴松刀缸漏油分析及对策

2023-2-20 来源：通用技术集团大连机床股份有限责任公司作者：荆立萍周吉贞

摘要: 直联式主轴的松刀缸发现漏油现象。对其工作原理进行了论述，结合生产现场的实际情况分析了产生漏油的原因，并制定切实可行的技术改造方案，最终解决了漏油问题，为业内直联主轴松刀缸漏油解决提供参考。

直联式主轴是数控机床行业常用的一种主轴，它是由联轴器直接将电动机和主轴单元相联，对比皮带传动主轴省去了中间传动环节，具有传输功率损耗小、噪音低、振动小、灵活性高的特点。直联式主轴大大提高了数控机床钻孔、攻丝的效率及质量，实现了高速加工，成就了钻攻中心的时代。

松刀油缸是直联式主轴关键核心部件之一，它的故障率直接影响到主轴乃至机床的可靠性。直联主轴的油缸是一个多功能集成的复杂结构油缸，具有松刀作用的同时，兼备动作指令发出、油和气路输入等作用。油缸结构的复杂性决定了它的易损、多故障，其中漏油故障，一直以来是直联式主轴的顽疾。机床在工作过程中，油缸频繁的执行松拉刀动作，经常会出现油缸漏油现象，造成油缸失效。为了解决油缸漏油问题，我们从松刀油缸工作原理入手，对油缸结构及密封件进行分析，结合漏油的实际状况，查找漏油原因，制定相应的技术改进方案。该方案经过在小型立式加工中心机床的应用，达到了预期效果。

1. 主轴概况及松刀缸工作原理

此油缸应用的主轴，主要由支撑部分、驱动部分和换刀部分等组成。换刀组件要完成拉刀和松刀两种动作。拉刀由碟簧和拉杆共同实现，松刀是由油缸压力油实现。该主轴的油缸主要针对于 BT40 刀柄换刀，需要拉刀力 8000N，松刀力15000N 以上，工作行程 6mm 以上 , 承受油压5MPa 以上，换刀速度 5s。

油缸主要零件包括活塞、缸体、油缸盖和密封圈等，如图1所示。油缸盖与缸体通过螺栓联接，然后整体固定连接到主轴体上。油缸体上有两路油孔，压力油推动活塞沿主轴轴线方向进行反复的轴向运动。油缸右侧进油，活塞在油压力的驱动下向左端运动接触到拉杆，推动拉杆继续向左一直压缩弹簧，最终由油缸体硬限位。拉杆带动拉抓完成张开动作，实现松刀动作，油缸盖和活塞上的气路联通，触发油缸体上的传感器，发出松刀信号，打开气阀，通入压缩空气，进行锥孔吹气。反之左侧油缸进油，推动活塞右移，与此同时弹簧弹性复位推动拉杆向右，拉抓收缩拉紧刀柄，触发油缸体上的传感器，发出拉刀信号，活塞在油压的作用下继续向右运动，最终靠到油缸盖上，触发油缸盖上的传感器，发出活塞复位信号，主轴旋转。

2. 松刀缸的设计

该油缸的要求也比较高，要满足成本低、批量大、结构小、行程小、在冲击力和频繁换刀的工况下可靠工作，还要兼顾便于安装和调试的需求等。

O 型圈和星型圈可以很好地满足以上要求，尤其是对于批量大的主轴油缸产品非常具有应用价值。两种密封圈应用领域相似，大部分技术参数相同，但是因为截面形状不同，星型圈在动密封性能方面更具有优势。星型密封圈是一种自紧密封型的双作用密封元件，采用四唇口密封，形状类似 X，特殊的星型截面使其在往复运动时，不会在沟槽内发生滚动和扭曲，而且需要的径向预压缩比较小，有较好的压力分布，产生的摩擦力较小，磨损量小，寿命长。星型圈密封唇之间形成了润滑容腔，可以改善启动状况，适合动密封，见图 2。

图 2

此油缸的密封结构共有四处密封，1 处静密封处采用 O 形圈，3 处动密封处采用星形圈和挡圈结构。

该油缸在油缸盖与油缸体的径向密封处选用 O型圈静密封。O 型圈是一种双向密封元件，初始安装压缩量决定了 O 型圈的初始密封能力。油缸盖和油缸体设计需要考虑从 O 型圈的选型和具体零件结构设计两方面综合考虑。O 型圈选型具体包括应用条件评估、材料选择、初始压缩量和径向间隙等。零件设计包括沟槽设计和安装倒角等。该油缸的应用条件见表 1。

表 1

根据应用条件选择橡胶材料 NBR70，此种材料具有良好的耐油性，广泛的工作温度范围，整体性能优良。O 型圈的初始压缩量为压缩尺寸与密封圈横截面的比值。允许径向间隙取决于系统压力、横截面和材料硬度，见表 2。

表 2

从零件特点和工艺性考虑，采用活塞式密封结构，便于加工和测量。具体结构见图 3。

图 3

此三处动密封决定了油缸的主要性能，包括活塞与缸体处密封，活塞与缸体的内腔密封和活塞与缸体盖处的密封。星型圈是自紧密封型密封元件，密封能力主要受系统压力和压缩量共同影响。星型圈选用除了考虑 O 型圈选用的因素，还要考虑动密封引起的新的限制参数、线速度和零件的表面处理（见表 3），具体结构见图 4。

表 3

图 4

在主轴实际工作时，出现液压缸漏油、烧着、密封圈磨损等现象。一般都是从活塞偏心和密封圈失效进行分析。工作时活塞受到的是复杂变化的力，拉杆的弹簧弹力、气压力、重力作用、油压力等多种作用力导致偏心。在安装时，活塞需要经过油缸盖和缸体共三处的内孔进行径向定位，由于不同零件的加工误差和安装等因素导致活塞偏心。活塞长期在油缸内作往复运动，导致活塞的接触部位存在不同程度的磨损，间隙变大，造成活塞偏心。现具体现象分别列举如下。

实例 1: 油缸多次打刀后，在油缸盖和活塞接触处发现明显漏油现象。

实例 2: 在活塞复位时，在活塞外表面发现密封圈的黑色颗粒状物体。

以上两种现象大部分原因是实际密封间隙大、密封圈失效和零件磨损等。可按照如下步骤进行排查找出主要原因。

（1）油缸体，活塞等各零件尺寸，形位公差，粗糙度和密封圈尺寸是否合格，这些都可以造成密封间隙大引起漏油的现象。

（2）油缸各部件是否清洁干净，油缸体里是否有杂质颗粒等，缸体的杂质颗粒会造成缸体过渡磨损，引起密封间隙变大。

（3）检查装配过程中，是否有划伤密封圈，零件划伤等现象。

实例 3: 拆卸油缸后，发现活塞径向局部有磨损光痕，活塞与拉杆接触部分，发现烧伤性沟痕。

造成部件的烧伤故障和磨损故障，一般是尺寸链干涉和受力不均所致，解决此类问题方法可按如下步骤进行。

（1）检查所有尺寸链上相关尺寸是否超差，尤其是装配链上的尺寸。

（2）检查油缸和拉杆装配时是否偏心。

（3）检查零件上具体磨损部位，具体分析受力情况。

4. 漏油的解决方法