直聯(lián)式主軸松刀缸漏油分析及對策
2023-2-20 來源： 通用技術(shù)集團大連機床股份有限責(zé)任公司 作者：荊立萍 周吉貞
摘要: 直聯(lián)式主軸的松刀缸發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象。對其工作原理進行了論述，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況分析了產(chǎn)生漏油的原因，并制定切實可行的技術(shù)改造方案，最終解決了漏油問題，為業(yè)內(nèi)直聯(lián)主軸松刀缸漏油解決提供參考。
直聯(lián)式主軸是數(shù)控機床行業(yè)常用的一種主軸，它是由聯(lián)軸器直接將電動機和主軸單元相聯(lián)，對比皮帶傳動主軸省去了中間傳動環(huán)節(jié)，具有傳輸功率損耗小、噪音低、振動小、靈活性高的特點。直聯(lián)式主軸大大提高了數(shù)控機床鉆孔、攻絲的效率及質(zhì)量，實現(xiàn)了高速加工，成就了鉆攻中心的時代。
松刀油缸是直聯(lián)式主軸關(guān)鍵核心部件之一，它的故障率直接影響到主軸乃至機床的可靠性。直聯(lián)主軸的油缸是一個多功能集成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)油缸，具有松刀作用的同時，兼?zhèn)鋭幼髦噶畎l(fā)出、油和氣路輸入等作用。油缸結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了它的易損、多故障，其中漏油故障，一直以來是直聯(lián)式主軸的頑疾。機床在工作過程中，油缸頻繁的執(zhí)行松拉刀動作，經(jīng)常會出現(xiàn)油缸漏油現(xiàn)象，造成油缸失效。為了解決油缸漏油問題，我們從松刀油缸工作原理入手，對油缸結(jié)構(gòu)及密封件進行分析，結(jié)合漏油的實際狀況，查找漏油原因，制定相應(yīng)的技術(shù)改進方案。該方案經(jīng)過在小型立式加工中心機床的應(yīng)用，達到了預(yù)期效果。
1. 主軸概況及松刀缸工作原理
此油缸應(yīng)用的主軸，主要由支撐部分、驅(qū)動部分和換刀部分等組成。換刀組件要完成拉刀和松刀兩種動作。拉刀由碟簧和拉桿共同實現(xiàn)，松刀是由油缸壓力油實現(xiàn)。該主軸的油缸主要針對于 BT40 刀柄換刀，需要拉刀力 8000N，松刀力15000N 以上，工作行程 6mm 以上 , 承受油壓5MPa 以上，換刀速度 5s。
油缸主要零件包括活塞、缸體、油缸蓋和密封圈等，如圖1所示。油缸蓋與缸體通過螺栓聯(lián)接，然后整體固定連接到主軸體上。油缸體上有兩路油孔，壓力油推動活塞沿主軸軸線方向進行反復(fù)的軸向運動。油缸右側(cè)進油，活塞在油壓力的驅(qū)動下向左端運動接觸到拉桿，推動拉桿繼續(xù)向左一直壓縮彈簧，最終由油缸體硬限位。拉桿帶動拉抓完成張開動作，實現(xiàn)松刀動作，油缸蓋和活塞上的氣路聯(lián)通，觸發(fā)油缸體上的傳感器，發(fā)出松刀信號，打開氣閥，通入壓縮空氣，進行錐孔吹氣。反之左側(cè)油缸進油，推動活塞右移，與此同時彈簧彈性復(fù)位推動拉桿向右，拉抓收縮拉緊刀柄，觸發(fā)油缸體上的傳感器，發(fā)出拉刀信號，活塞在油壓的作用下繼續(xù)向右運動，最終靠到油缸蓋上，觸發(fā)油缸蓋上的傳感器，發(fā)出活塞復(fù)位信號，主軸旋轉(zhuǎn)。
2. 松刀缸的設(shè)計
該油缸的要求也比較高，要滿足成本低、批量大、結(jié)構(gòu)小、行程小、在沖擊力和頻繁換刀的工況下可靠工作，還要兼顧便于安裝和調(diào)試的需求等。
O 型圈和星型圈可以很好地滿足以上要求，尤其是對于批量大的主軸油缸產(chǎn)品非常具有應(yīng)用價值。兩種密封圈應(yīng)用領(lǐng)域相似，大部分技術(shù)參數(shù)相同，但是因為截面形狀不同，星型圈在動密封性能方面更具有優(yōu)勢。星型密封圈是一種自緊密封型的雙作用密封元件，采用四唇口密封，形狀類似 X，特殊的星型截面使其在往復(fù)運動時，不會在溝槽內(nèi)發(fā)生滾動和扭曲，而且需要的徑向預(yù)壓縮比較小，有較好的壓力分布，產(chǎn)生的摩擦力較小，磨損量小，壽命長。星型圈密封唇之間形成了潤滑容腔，可以改善啟動狀況，適合動密封，見圖 2。
圖 2
此油缸的密封結(jié)構(gòu)共有四處密封，1 處靜密封處采用 O 形圈，3 處動密封處采用星形圈和擋圈結(jié)構(gòu)。
該油缸在油缸蓋與油缸體的徑向密封處選用 O型圈靜密封。O 型圈是一種雙向密封元件，初始安裝壓縮量決定了 O 型圈的初始密封能力。油缸蓋和油缸體設(shè)計需要考慮從 O 型圈的選型和具體零件結(jié)構(gòu)設(shè)計兩方面綜合考慮。O 型圈選型具體包括應(yīng)用條件評估、材料選擇、初始壓縮量和徑向間隙等。零件設(shè)計包括溝槽設(shè)計和安裝倒角等。該油缸的應(yīng)用條件見表 1。
表 1
根據(jù)應(yīng)用條件選擇橡膠材料 NBR70，此種材料具有良好的耐油性，廣泛的工作溫度范圍，整體性能優(yōu)良。O 型圈的初始壓縮量為壓縮尺寸與密封圈橫截面的比值。允許徑向間隙取決于系統(tǒng)壓力、橫截面和材料硬度，見表 2。
表 2
從零件特點和工藝性考慮，采用活塞式密封結(jié)構(gòu)，便于加工和測量。具體結(jié)構(gòu)見圖 3。
圖 3
此三處動密封決定了油缸的主要性能，包括活塞與缸體處密封，活塞與缸體的內(nèi)腔密封和活塞與缸體蓋處的密封。星型圈是自緊密封型密封元件，密封能力主要受系統(tǒng)壓力和壓縮量共同影響。星型圈選用除了考慮 O 型圈選用的因素，還要考慮動密封引起的新的限制參數(shù)、線速度和零件的表面處理（見表 3），具體結(jié)構(gòu)見圖 4。
表 3
圖 4
在主軸實際工作時，出現(xiàn)液壓缸漏油、燒著、密封圈磨損等現(xiàn)象。一般都是從活塞偏心和密封圈失效進行分析。工作時活塞受到的是復(fù)雜變化的力，拉桿的彈簧彈力、氣壓力、重力作用、油壓力等多種作用力導(dǎo)致偏心。在安裝時，活塞需要經(jīng)過油缸蓋和缸體共三處的內(nèi)孔進行徑向定位，由于不同零件的加工誤差和安裝等因素導(dǎo)致活塞偏心。活塞長期在油缸內(nèi)作往復(fù)運動，導(dǎo)致活塞的接觸部位存在不同程度的磨損，間隙變大，造成活塞偏心。現(xiàn)具體現(xiàn)象分別列舉如下。
實例 1: 油缸多次打刀后，在油缸蓋和活塞接觸處發(fā)現(xiàn)明顯漏油現(xiàn)象。
實例 2: 在活塞復(fù)位時，在活塞外表面發(fā)現(xiàn)密封圈的黑色顆粒狀物體。
以上兩種現(xiàn)象大部分原因是實際密封間隙大、密封圈失效和零件磨損等?？砂凑杖缦虏襟E進行排查找出主要原因。
（1）油缸體，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，這些都可以造成密封間隙大引起漏油的現(xiàn)象。
（2）油缸各部件是否清潔干凈，油缸體里是否有雜質(zhì)顆粒等，缸體的雜質(zhì)顆粒會造成缸體過渡磨損，引起密封間隙變大。
（3）檢查裝配過程中，是否有劃傷密封圈，零件劃傷等現(xiàn)象。
實例 3: 拆卸油缸后，發(fā)現(xiàn)活塞徑向局部有磨損光痕，活塞與拉桿接觸部分，發(fā)現(xiàn)燒傷性溝痕。
造成部件的燒傷故障和磨損故障，一般是尺寸鏈干涉和受力不均所致，解決此類問題方法可按如下步驟進行。
（1）檢查所有尺寸鏈上相關(guān)尺寸是否超差，尤其是裝配鏈上的尺寸。
（2）檢查油缸和拉桿裝配時是否偏心。
（3）檢查零件上具體磨損部位，具體分析受力情況。
4. 漏油的解決方法
（1）增加耐磨環(huán)。在油缸蓋上徑向增加寬為10mm 的耐磨環(huán)。耐磨環(huán)具有精確的導(dǎo)向作用，并可吸收徑向力，同時，耐磨環(huán)可防止液壓缸內(nèi)滑動部件的金屬接觸。良好的耐磨性，避免金屬間的接觸，且能抑制機械震動。耐磨環(huán)還具有對中作用，允許配合件之間有較大的徑向間隙，便于裝配。
（2）油壓進口位置更改。油缸體上油口由徑向入口改為油缸蓋上的軸向入口，并且在油缸蓋上增加緩沖腔。這個措施可以改變油壓口進油一瞬間對活塞的沖擊力方向，減小了活塞的顛覆力矩，使活塞在運動過程中，不偏心。
（3）發(fā)令環(huán)尺寸縮小。油缸蓋上的密封圈裝配時，需要穿過活塞的發(fā)令環(huán)和空刀槽部位，會經(jīng)過兩次的擠壓有被損傷的風(fēng)險，優(yōu)化設(shè)計后減小發(fā)令環(huán)徑向尺寸，使密封圈只經(jīng)過一次的擠壓，并且在裝配時增加潤滑劑，進一步保護密封圈。
（4）嚴(yán)格做好產(chǎn)品質(zhì)量管理。加強各零部件檢查工作，規(guī)范清潔工序，規(guī)范現(xiàn)場操作，例如使用符合清潔度及干燥度要求的氣源和清洗劑進行部件清洗，安裝活塞時添加潤滑脂減少摩擦等。
5. 結(jié)束語
經(jīng)過對該油缸的技術(shù)改造后，解決了油缸泄漏的問題，提高了油缸可靠性，為同行解決類似問題提供了借鑒。
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