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K654 三轴铣床的改造与维修
Sep 2, 2021  来源: 中石化江钻石油机械有限公司   作者:王建忠

     摘要:数控机床的故障分析,诊断与维修是数控机床使用过程中重要的组成部分,也是目前制约数控机床发挥作用的因素之一,在日常设备维修中,经常会遇到设备故障,有时候甚至是疑难故障,直接影响机床的正常运行。

     关键词:数控机床;故障原因;分析与排除;技术改造
  
     0 引言
  
     数控铣床是 80 年代初期从美国进口的铣齿机床,该设备已运行多年,现发现设备性能急速下降,结合设备的实际使用状况,已充分证实设备进入故障高发期,机械性能呈下降趋势,导致生产线上硬件的不足,制造系统产能压力无法释放,急需进行设备关键部件国产化改造与维修。
  
     1、机床存在的问题
  
     该机床使用长达 30 a,液压系统阀件磨损,各个转换油缸密封件老化,导致系统窜油,压力损失引起压力波动。具体故障现象如下:①机床夹具的 2 个轴定位锁紧机构误差逐渐增大;②机床液压系统阀件磨损,各个转换油缸密封件老化,导致系统窜油,最终导致液压系统工作不稳定;③夹具的 4 个夹具轴高度不一致;④锁紧装置油缸盖焊死后变形,致使每个活塞、缸体变形,松开、夹紧不同步,受力点发生变化导致一系列问题。

     2 、B 轴夹具及传动机构的改进设计
 
     机床夹具又称卡具。是由定位元件、夹紧装置、对刀或引导元件、连接元件、夹具体组成的。定位元件的作用是使工件在夹具中占据正确的位置。夹紧装置的作用是将工件压紧夹牢,保证工件在加工过程中受到外力作用时不离开已经占据的正确位置。夹具体是夹具上的组成部分,需要通过一个基础件使其联接成为一个整体。
  
     2.1 技术改造背景
  
     该设备使用长达近 30 a,机床各项精度值下降严重,夹具4 个轴等高不一致,造成工件加工尺寸经常不合格。因锁紧装置的油缸端盖固定螺钉经常出现断裂故障,在更换伞齿轮及传动轴时,间隙调整困难,需要反复多次修磨隔垫,一根轴只能钻 3—5 次定位销孔就不能用了,受进口零部件制约,维修周期长、费用高。
  
     2.2 技术改造思路
  
     技术改造思路是根据产品的加工要求用 6 个支撑点限制工件的自由度,使工件的夹紧力比较均匀,工件定位时,工件受力变形小;在装夹工件时,工件受力方向为轴向,可提高工件的加工精度。技术改造内容如下:①按照夹具装置的结构及工作原理,重新设计新的结构、零件图,编写装配技术要求;②对 B1、B2、B3、B4 轴进行解体、清洗、测绘,对磨损相关原因进行分析;③运用激光干涉仪对各夹具轴进行检测并调整,保持高度一致;④确定传动伞齿轮及传动轴转换及替代方案。
  
     2.3 关键技术要点
 
     关键技术要点如下:①使用直径 125 mm 油缸替代原有液压油缸,并配作连接液压拉杆;②确保降低压力内泄损耗,将原油缸分油器内的 O 形橡胶圈密封,改为间隙液体密封;③重新配对加工伞齿轮;④对传动轴重新设计,全部采用公制标准25×30 mm 标准涨紧环尺寸[4]。
  
     2.4 具体技术要求
  
     夹紧轴锁紧机构:①夹紧应不破坏工件的定位或产生过大的夹紧变形,防止工件在加工中产生振动;②足够的夹紧行程,夹紧动作迅速,操纵方便、安全省力;③运用激光干涉仪对各轴进行检测调整,使其高度保持一致;④夹具压力控制在5.516 MPa(800 psi)以内[5];⑤夹具结构简单紧凑,制造、维修方便。工件夹紧油缸:①使用直径 125 mm 油缸替代原有液压油缸,并配作连接液压拉杆[5];②改 O 形橡胶圈密封为间隙密封。传动螺旋伞齿轮:①伞齿轮重新配对加工;②对传动轴重新设计,全部采用公制标准 25×30 mm 标准涨紧环尺寸[4]。

     2.5 实际使用效果
  
     改造后的夹具结构比较简单,便于拆装,提高了工件的夹紧力,避免了夹紧力的过于集中,解决加工时产生的位移问题。其次,降低了系统液压油温,提高了液压系统的稳定性。
  
     传动伞齿轮及传动部件改造后,传动平稳,工作可靠,耐磨损,寿命长,各项技术指标全部达到设计预期,完全可以终生替代使用。

     2.6 经济价值体验
  
     此项改进(7 套)可节约 35 万元,使得机械加工性能得到巩固与提升,整个设备技术寿命得到有效延长。节省了每 3000~5000 h 换 1 组进口专用密封件的费用,每次 1.25 万元。进口油缸总成 1 套 2.3 万元,平均寿命大约 1.5 万小时。国产油缸总成 0.12万元,寿命 2 万小时。解决了夹具翻转轴翻转平衡力不均带来产品的质量及安全隐患。原进口 1 对伞齿轮价值人民币 1.5 万元,未做国产化改进前实际平均寿命 1500 h,现在改进后每对伞齿轮价值人民币 0.35 万元,已运行 7500 h 无故障,预计持续使用 3万小时以上。降低维修劳动强度数十倍,故障率基本为零。

     3、 Y 轴滚柱丝杠及组合轴承国产化改进
  
     滚珠丝杠是由丝杠及螺母 2 个配套组成的。其是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件,主要功能是将旋转运动转换成线性运动,或将扭矩转换成轴向反复作用力,同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。滚珠返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。内循环滚珠均采用反向器实现滚珠循环,反向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高,机床需要改进的Y 轴丝杠为外循环模式。
  
     3.1 技术改造背景
  
     机床需要改进的滚珠丝杠支撑座是支撑连接丝杠和电机的轴承支撑座,因滚珠丝杠副进给传动的润滑状态不良、工件受重载切削导致轴向载荷太大、在使用超过 18 000~20 000 h 后都会引起过载报警[7]。
  
     3.2 技术改造思路
  
     针对滚柱丝杠的故障现像,国产化设计时滚珠丝杠机构在运行时滚珠螺母不能承受径向载荷或扭矩载荷,只能承受沿丝杠轴向方向的载荷,而且要注意使作用在滚珠丝杠副上的轴向载荷通过丝杠轴心,设计时不能将径向负荷、扭矩载荷直接施加到螺母上,否则会大大缩短滚珠丝杠机构的寿命或导致运行不良,因为径向载荷或扭矩载荷会使丝杠发生弯曲,螺母中部分滚珠过载,从而导致传动不平稳、精度下降、寿命急剧缩短[8]。

     3.3 关键技术要点
  
     精度等级、表面粗糙度、单个螺距允差和定长上的累积允差、外径圆跳动允差。

     3.4 具体技术要求
  
     具体技术要求如下:①轴承的径向游隙和轴向游隙应符合GB 4604—1984 的规定;②轴承与轴的配合采用基孔制,轴承与外壳的配合采用基轴制;③轴承极限转速 300 r/min,对应滚珠丝杠副快速移动线速度≥8~15 m/min[9];④轴承套圈和滚子用GCr15 钢制造,确保轴承套圈和滚子硬度值为 61 HRC;⑤组合轴承预载荷,预拉伸载荷大小在合适范围内。
  
     3.5 实际使用效果
  
     由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。同时启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。通过实际安装使用后,整体性能达到进口同类产品的技术水平,满足各项设计指标,摆脱对进口件依赖。

     3.6 经济价值体验
   
     原进口 1 套同型号的轴承价格约 1.42 万元,现在改进后加工及装配费用约 0.23 万元。降低维修劳动强度数 10 倍,由原每月平均维修 12 h 延长到每年维修 20 h。

     4、 动力主轴总成国产化
  
     机床的主轴部件包括主轴及主轴两端的支撑轴承和安装在主轴上的传动零件等。动力主轴部件是机床的重要部件,用来传递运动及扭矩,主要性能指标为刚度、旋转精度及速度适应性。为了实现自动换刀功能,刀具在主轴上的自动夹紧和装卸由刀具的自动准停装置和夹紧装置来实现。
  
     4.1 技术改造背景
  
     铣削加工的进刀量最关键,每转或每分进给时切削量都不能过大,否则就要过载,而在生产实际中往往因为生产任务重,采取低速重载切削方式,导致主轴下端承受重载切削,产生较大的径向切削力,同时主轴上端在同步皮带径向拉紧的作用力下形成一个较大的力矩,在主轴长期运转后产生径向位移,而该机床主轴出厂时采用的主轴端部密封方式为迷宫式防尘结构,其密封件与主轴的间隙很小,只有 0.04 mm,因而当时间一长,磨损量达到间隙值时主轴便开始接触端部的密封件,高速运转产生摩擦高温,导致主轴被研死甚至烧坏主轴。
  
     4.2 技术改造思路
  
     技术改造内容包括:①根据现状将重点放在改造设计防尘结构上;②根据其工作原理、结构特点进行国产化;③对方案审核确立,开始着手关键零部件图纸设计与绘制;④在国内选择有加工能力的外协资源按设计要求进行零部件加工。

     4.3 关键技术要点
  
     以提高机床动力主轴平均使用寿命为攻关着眼点,针对原装配方式及迷宫式防尘结构进行国产化改进、主轴重新国产化选型。

     4.4 具体技术要求
  
     技术要求如下:①动力主轴选用合金钢,为了提高接触刚度,防止装拆轴承时敲碰损伤轴颈的配合表面,主轴轴颈必须有很高的硬度,采用低噪声预紧滚动轴承;②进行装配精度检测,轴向窜动控制在 0.008 mm 以内、径向跳动控制在 0.005 mm 以内;③主轴上端部采用间隙可调密封防尘结构。
  
     4.5 实际使用效果
  
     动力主轴总成部件进行国产化改进后,已投入使用接近25 000 h,至今没有出现故障,始终运行稳定,各项技术指标全部达到设计预期,完全可以终生替代使用。
  
     4.6 经济价值体验
  
     原进口一根动力主轴价值人民币约 20 万元,未做国产化改进前实际平均寿命只有 2000 h,现在改进后每个价值人民币1.3 万元,已运行 25 000 h 无故障,预计持续使用 50 000 h 以上。降低维修劳动强度数十倍,故障率基本为零。
  
     5、结束语
  
     通过对该机床的各项机械部件进行国产化改造,机床的性能和可靠性有了明显的提升。不仅可为公司节约大量的设备采购资金,降低维修成本,同时提高了产品的整体加工质量。自改进后设备故障率较以前有了明显的降低,设备运转效率得到了显著的提高,既满足了工艺技术的要求,又可缩短产品生产周期。
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