M7140平面磨床主轴静压滑动轴承修复

2010-05-19

作者：刘泊霞；刘春成

（中国重型机械集团公司）

　　M7140平面磨床是一台上海机床厂生产的高精度设备，近期此机床磨削滑板时经常出现表面有横纹，精度超差的现象。经过仔细观察发现检测前瓦的压力不稳，正常工作的压力值应为0.8MPa，而现在的压力在0～0.8MPa之间摆动，且磨头磨削工件时振动，即主轴振动带动砂轮也振动，致使工件出现横纹，精度超差。
　　1. 故障原因　
　　此压力表检测的是主轴的静压滑动轴承前瓦的压力，所以此压力表摆动实际上就是主轴的静压滑动轴承前瓦的油液压力不稳，而静压滑动轴承前瓦的油液压力不稳的根源有两点：一个根源是主轴变形、弯曲，另一个根源是轴瓦的内孔圆度超差。拆下主轴和轴瓦后经检查，主轴没有发生变形及弯曲现象，而是轴瓦的内孔圆度超差。根源找到了，下一步就是如何修复此静压滑动轴承，经过仔细研究，查阅了许多相关资料，Z后终于定下了修复方案。　　
　　2. 静压滑动轴承的工作原理　　
　　M7140属于精加工机床，其主轴结构采用了静压滑动轴承。静压滑动轴承的结构及其工作原理如图1所示，静压轴承在其内圆表面上开有4个对称且均匀分布的油腔，油腔与滑腔之间开有回油槽，回油槽与油腔之间有封油面。两个相对的油腔与一个薄膜节流器连通，油压为p_s的润滑油经过节流器薄膜两侧的节流间隙h_c和h'_c，流入轴承相对的两个油腔中。当轴承空载时，两相对油腔压力相等，薄膜处于平直状态，轴浮在中间。当轴承承受载荷W时，上油腔间隙增大，油压减小；下油腔间隙减小，油压升高，形成压力差，因此节流器中薄膜向上凸起，使上侧节流间隙减小，节流阻力增大；下侧节流间隙增大，节流阻力减小，此时下油腔p_r4大于上油腔油压p_r2，产生压力差Δp，于是将轴抬起，直至上下腔油压相等，使轴颈处于油膜的包围中，形成液体润滑。　

　　静压滑动轴承供油系统的液压原理如图2 所示，静压轴承需要单独的供油系统，其中的主要元件是: 过滤器10，其作用是防止油中的杂质吸入液压泵；液压泵8，其作用是向系统供给压力油；溢流阀9，其作用是调节系统供油压力p_s；单向阀7，其作用是使液流只能单向流动，不许反向；蓄能器6，其作用是当突然停电或供油系统发生故障时，可保持仍有一定的压力油供给静压轴承，不致因断油而磨损、擦伤轴承；精过滤器5，其作用是防止节流器被堵塞，要求滤油精度高于0.02～0.03mm；节流装置4，自动调节油腔压力，使相对油腔的压力，Z终趋于相等；压力继电器3，其作用是保证当液压泵开动使轴承油腔建立一定压力后主轴才能起动。　　

　　3. 主轴结构
　　M1740平面磨床的主轴结构如图3所示。

　　因M7140平面磨床是精加工机床，所以各部分要求的精度都要符合精加工机床的精度，尤其主轴结构要求的各项精度更高。M7140平面磨床的主轴结构中，前轴瓦3的前端面开有两个油腔，要求前轴瓦的前端面与主轴的轴肩端面的平面度都必须在0.001mm以内，前轴瓦的前端面及主轴轴肩端面与主轴轴线的垂直度也必须在0.001mm以内，以防主轴旋转时前轴瓦的前端面和主轴轴肩端面产生划痕。轴瓦的回油槽的深度为0.8mm，宽度4mm。回油槽的尺寸要严格按照此尺寸加工，以防止油腔压力不足。轴瓦与主轴的间隙要求直径方向为0.07mm，修复时要严格按照此参数修复。　　
　　4. 拆卸分解主轴和供油系统　　
　　将主轴部件和供油系统拆卸分解后发现轴瓦的内轴圆度超差和节流器的薄膜片的平行度、平面度和表面粗糙度已经超差。轴瓦的圆度超差时，主轴旋转，轴承和轴颈之间间隙发生周期性的变化引起油腔压力波动，导致主轴振动。节流器的薄膜片的平行度、平面度和表面粗糙度已经超差，使薄膜片两侧的间隙不相等，造成四个油腔的压力不等，主轴偏距。所以此次修理主要就是修轴瓦内孔和薄膜片。
　　5. 修复薄膜片　　
　　首先修复薄膜片，薄膜片的平行度要求为0.02mm/总面积、平面度要求为0.02mm/总面积、表面粗糙度值要求R_a=0.8μm，现薄膜片的平行度、平面度、表面粗糙度均已超差，可以用研磨的方法来修复。但薄膜片的尺寸为长100mm，宽60mm，厚1.2mm，因薄膜片厚度很薄，研磨成了难题。经过讨论确定了一个方案，就是做一个带凹槽的胎具，凹槽的长和宽比薄膜片的长和宽大0.2mm，凹槽的深度小于薄膜片厚度0.2mm，如图4所示，将薄膜片镶到胎具里来进行研磨，这种方法可以防止将薄膜片磨偏，不但能很容易的保证薄膜片平行度、平面度和表面粗糙度，而且还提高了修理效率，节约了修理时间。　　

　　6. 修复轴瓦内孔　　
　　恢复轴瓦内孔的圆度也可以用研磨的方法。因为研磨内孔时很容易研偏，所以又确定了一个方案来修复轴瓦内孔，首先用铸铁料制作三根尺寸不等的研磨棒，三根研磨棒分别用来进行粗研和精研，研磨棒的长度均做成600mm长，且做成腰鼓形，目地是为了在研磨时防止将轴瓦内孔磨偏。研磨棒做好后，将前轴瓦与后轴瓦跟钢套装配在一起，注意将轴瓦压入钢套时要防止擦伤内圆表面，以免引起油腔互通，如果过盈量较大，尽量采用冷缩后装入。然后用C630车床的卡盘将装配好之后的轴瓦跟钢套垂直装夹在平台上，装夹时要严格找正，保证轴瓦内孔与平台垂直。装夹完毕就可以研磨了，研磨时，用天车吊研磨棒做上下往复运动，人工使研磨棒绕轴瓦轴线进行回转运动。先粗研，再精研，精研时用外径尺寸比轴瓦内径小0.015～0.025mm的研磨棒进行干研。干研的次数不能多，经过精研的轴瓦内孔表面粗糙度值可达R_a=0.8μm。　　
　　7. 反装
　　薄膜片和轴瓦都修复完毕后就可以反装了，按图3将各零件装配在一起，装配前要先调整电动机与轴之间的同心度，电动机与轴的同心度要求为0.01mm。因为主轴结构中有法兰盘且法兰盘中装有一圆锥滚子轴承(图3中的件8) ，如果法兰盘和圆锥滚子轴承装配时同心度超差，影响整体装配质量，所以要先调整好法兰盘和圆锥滚子轴承的同心度，同时也调整了电动机转子内孔与主轴的同心度，为此我们制作了一个足够长的检验棒来调整。检验棒为一个细长的阶梯轴，总长为1500mm，两轴段的直径为90mm和75mm，Φ90mm轴段与轴瓦配合，为了让此轴段与轴瓦很好地配合，制作时将Φ90mm轴段的公差控制在0～0.02mm之间，将检验棒装配到轴瓦与电动机转子中，然后将百分表吸在检验棒的Φ75mm段的后尾部的轴头处，在A面(见图3)圈表检查同心度，边测量边调整，直到同轴度达要求。然后将检验棒拆卸下来，将其余部件全部装配完整。将供油系统的所有零部件拆下进行严格的清理和清洗，以防油中混入杂质。重新连接各管路。　　
　　8. 试车
　　主轴部件装配完，供油系统也清洗完毕后，就可以试车了，首先进行空运转试验，仔细调整，以获得良好的刚度和旋转精度。起动液压泵，调整节流器间隙，使四个油腔的压力相等并能保持稳定，要求供油压力与各油腔压力比值相等，比值一般为2。这时主轴应能浮起，用手能轻便转动，表明主轴与轴承之间处于液体摩擦状态，空运转试验达到要求。然后进行工作试验，起动液压泵后运转起动主轴。要求各油腔压力表读数相同，压力稳定，主轴旋转平稳无振动。不允许有压力下降和波动现象，如不符合要求，必须进一步调整，直到调整到符合要求为止。
　　9. 结语　　
　　此次修复完毕后的M7140平面磨床一直使用至今，没有再出现过类似的故障。减少了停机修理时间，节约了维修成本，提高了生产效率，记录下修复过程，以备在今后修复类似结构的主轴结构借鉴使用以及进一步完善修复工艺。