浅谈电主轴的基本结构和维修保养

高海玉

（中车长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春130000）

在重工业高速发展的今天，数控加工设备得到了广泛的应用，特别是在国家提出“一带一路”的发展战略后，轨道交通车辆在国内和国际都开辟了前所未有的市场，随着产量的上升，生产设备的负荷必然加重，数控加工设备的核心部件电主轴就发挥了重中之重的作用。那么设备的管理人员和维修人员怎样维护好电主轴长时间无故障运行呢？首先就要深入剖析电主轴的组成结构和原理。

1 电主轴的结构组成

主轴是指从发动机或电动机接受动力，并将动力传递给其它机件的轴。主轴的结构形式主要有三种，第一种是内装式主轴，也就是本文论述的电主轴，是电机和传动装置都装在一个密闭的壳体内，主要用于数控铣床、数控车床和内磨圆床，在我公司的加工中心等设备得到了广泛应用；第二种是直联式机械主轴，是电机外置于主轴壳体，电机与主轴在同一轴心上放置，并由联轴器进行连接，这种连接方式可以最大程度的体现伺服电机的性能，通过联轴器连接可以杜绝电机和主轴之间的游离间隙，传动精度较高，但对联轴器本身和安装要求提出了严格的要求，主要用于加工中心和数控铣床；第三种是同步带传动机械主轴，相比直联式的主轴结构，同步带式结构具有安装方便、维护简单、运行噪音低等特点，最主要是对两轴之间的位置精度要求不高。由于机械主轴在高速运行时无需润滑，具有免维护的特点，并且在主轴超出额定负载时，可以通过同步带“爬齿”的形式进行缓冲，可有效保护主轴和伺服电机。这种连接形式主要应用于数控铣床、数控车床、内磨圆床，一些搅拌摩擦焊设备也是采用这种同步带连接式主轴。

电主轴具有高转速、高精度、低噪音、响应快等特性。作者将电主轴归纳为以下几部分组成，包括无外壳电机、测量系统、传动机构、拉刀单元、冷却单元、润滑系统、壳体等组成。

电机，即为我们常说的定子和转子，定子是由线圈缠绕组成，绕组绝缘是由匝间绝缘、槽绝缘和相间绝缘等三个绝缘单元结合，完成绕组绝缘的综合体。转子是由硅钢片叠加和轴芯铸造而成。电机由伺服驱动器提供电源动力和转速，我们公司的CYTEC 电主轴最高转速可达15000rpm，OMLAT 电主轴最高转速可达16000rpm，加工中常用转速为8000～10000rpm。

测量系统包括编码器、位置传感器、温度传感器。编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，通过中间轴上的齿轮1:1 地同步传动。位置传感器是在拉刀机构的后端，通过检测油缸的位置，以确认主轴松抓刀状态，有松开、有刀夹紧和无刀夹紧三种状态。温度传感器，是预埋在绕组内部，以用于检测电机温度。

传动机构主要由轴芯和前后端轴承组成，一般前端装3 口轴承，后端装2 口轴承，轴承会受到端盖和弹簧施加的预紧力，轴承润滑常用的方式是油气润滑、油雾润滑和油脂润滑三种。

拉刀单元也是电主轴的重要组成部分之一，包括液压油缸、拉杆压头、碟形弹簧组、拉杆、液/气切换套、垫座、夹紧锥和夹爪等组成。其中的碟形弹簧属于易损件，由于长时间使用后，碟簧受力会出现碎裂，导致夹紧锥的伸缩量不够，从而使主轴出现不能松刀的故障。

冷却单元主要由外部的水冷机提供水循环的动力源，冷却水流经主轴内部的冷却水套，将主轴内部的热量带走到水冷机内部并冷却继续循环，这样一个给主轴降温的过程。

2 电主轴的常见故障

2.1 主轴伺服故障。西门子系统常见报警号为300504，主要由于过载、振动超限或驱动故障等引起。过载的原因有多方面，比如电机性能下降、定子绕组短路、吃刀量过大或轴承抱死，都有可能导致过载；振动过大的原因，主要是轴向间隙或径向间隙超差导致；电源供给主轴的三相中频电压过高、缺相或驱动器、轴卡故障，也会导致出现伺服报警；刚性差会导致加工中丢转，从而引起主轴伺服故障。

2.2 主轴抓刀后，机床报警显示没有刀。此故障通常是由于叠簧碎裂，导致拉刀机构行程距离不够，未能被传感器检测到；其它故障原因包括刀位传感器故障、线缆故障以及夹紧锥伸缩量超范围；还可能是由于液压站输出压力不足，导致主轴拉刀不到位。

2.3 编码器报警。主要由于振动过大引起，超出设定的振动检测范围；同时插头、插针插接不好，线缆虚接或编码器自身故障也会导致出现编码器报警。

2.4 主轴温升过高。主轴冷却方式同常为水冷、油冷、风冷，其中水冷机循环水冷却方式应用最为广泛。水（油）冷机制冷效果不好，或者介质流动不畅通，都会导致主轴过热；轴承润滑不充分，会导致轴承发热，如果油脂填充量太多，主轴运转时无法在短时间内将多余的油脂全部甩出工作区域，也会导致轴承发热；另外，轴承装配时反庄、轴承外径与轴承座孔内径配合间隙过小、过盈偏大、调整垫偏差等，都会导致轴承迅速升温。

3 电主轴维修方法

电主轴维修过程中经常会涉及到以下几部分内容：缠绕线圈绕组、更换轴承、修复拉杆、维修或更换编码器、更换叠簧，通常根据电主轴维修前整体检测和拆解检测结果来确定具体维修内容。

3.1 检查

检查电主轴外壳名牌编号，并记录到维修卡上。查找该主轴相关资料，找到主轴参数及装配图。检查主轴受损程度，了解故障原因，并做记录。自外围开始逐一拆卸主轴零件。（转下页）边拆解变检查损坏程度，并分析损坏原因。对结构复杂或比较特殊的电主轴，拆卸时应同步拍照记录，以利于确定装配方法和顺序。

3.2 拆卸

拆下前后防尘盖或后盖，清理主轴前端污垢。用两脚扳手卸去前端右旋螺母。用专用套扳手卸去后端左旋螺母。用小桐棒顶入轴端小孔（不可碰伤内螺纹），用大铜棒轻击小铜棒，自前向后拆出转轴、后轴承组合和后端预负荷系统，同时拆去前小盖。用撑钩将前轴承组合从座孔中取出，从轴上取下后轴承组合。

装有后滚动导套的电主轴，应将后轴承座、后轴承座组合和滚动导套随转轴一起从后孔拆出。然后再从轴上卸下后轴承座与后轴承组合，从后轴承座中退出后轴承组合。

需要拆修定子的电主轴应先松去壳体侧面顶丝，卸去前、后大盖，用电烙铁将电机引线从插接件上烫下，使定子从壳体内腔滑出。

3.3 轴承的装配

更换轴承时一般按照原轴承型号、数量、组合方式就可以，主要是注意安装方法，必须保证轴承钢球在工作沟道内以额定转速无间隙滚动。并能承受主轴工作时所受到的轴向力和径向力之轴向分量。同时，应能克服定转子偏心产生的单边磁拉力对主轴的影响。

4 电主轴保养方法

使用中电主轴的保养主要包括清洁、润滑、冷却三方面。操作者在换刀过程中，要做好刀柄的清洁，需要用干净的擦纸或擦布清理刀柄里外的铝屑（铁屑）和油污，以及观察夹紧锥和夹爪是否干净，如果有铝屑、铁屑等杂质，要立即清理。在加工时，要经常关注主轴和水冷机的温度。加工结束后，彻底清理主轴上的铝屑（铁屑）和油污。前面提到了主轴的三种润滑方式，我们常用的油气润滑方式是通过微量油泵，将润滑油定时、定量地传输到轴承的润滑区，所以，操作人员和维修人员要做好润滑系统点检工作，发现异常及时处理。油脂润滑方式，是润滑脂置于免维护轴承的内部，在日常使用中，只要关注主轴外壳的温度就可以。除做好轴承润滑，维修人员还需要定期做好以下工作：①定期对夹紧装置加金属润滑脂，以对夹紧锥和夹爪进行保养。②定期测量钳刀距离是否符合范围，刀柄HSK63 的范围是10.5±0.1mm，HSK100 的范围是13±0.1mm。③定期检测拉刀力，刀柄HSK63 的拉刀力正常值范围是18+5.4/-1.8kN，HSK100 的拉刀力正常值范围是45+15.5/-4.5kN。冷却单元的保养，首先保证循环水为纯净水，以免导致水箱和主轴水套等金属生锈；第二要保证水路畅通，无泄漏；第三要经常关注水冷机的工作状态。除以上，还要定期对水冷机的压缩机进行保养，对散热器片进行清洁，以保证制冷效果。长期不用的电主轴，从机床拆下后，应用气管吹尽电主轴冷却腔内残水，然后进行油封。启用时，首先用煤油洗去表面防锈油，然后应做以下工作：a.通油雾3-5 分钟，用手拧动转轴，感觉无滞阻；b.用兆欧表检测对地绝缘。通常应≥10MΩ；c. 接通电源先以1/3 额定转速运转1小时，无异常现象时升速1/2 额定转速运转1 小时，无异常现象再以额定转速运转1 小时。

5 结论

对电主轴进行专业、精细的维保可以延长使用寿命，不正确的使用使用和不到位的维保不但会增加维修经费，而且会大大增加停台时间，对生产造成严重影响，导致效益上受到严重损失。所以，正确的维保电主轴可以起到事半功倍的作用，在生产中具有长远的意义。