內窺鏡在精密數控車床故障維修中作用
2016-06-28
某單位的超精密數控車是沈陽精密機床廠生產的一臺高精度CNC車床，可用于小于0.5mm切深的半精加工及精加工。其主軸采用了空氣靜壓軸承、所以精度很高。加工精度：有色金屬零件圓度可達1µm，表面粗糙度可達Ra0.1µm; 黑色金屬零件圓度可達5µm，表面粗糙度可達Ra0.8µm。
設備在長期使用后，其主軸系統經常出現故障，主軸在進行零件加工時偶爾發出尖叫聲，發生故障的頻率隨著設備的使用時間推移越來越平凡，最后發展為主軸卡死，致使設備不能正常使用。在設備初期出現異響時，維修部門對設備進行檢查維修，檢查時發現在設備不裝夾工件時，主軸旋轉正常，在使用真空夾具裝夾工件后，主軸旋轉出現異常，初步推斷設備的真空夾具系統存在問題。但是因為設備生產廠家要求使用方不能自行拆卸設備主軸，所以使用常規的診斷方法無法看到設備故障點內部發生的具體情況，一直無法對設備的故障進行徹底檢查，致使設備故障一直無法排除。為了解這一問題，該單位裝備了新的故障診斷設備徐州博悅公司BVJ便攜式視頻內窺鏡，通過內窺鏡頂端采集到的圖象傳輸到電視監視器上顯示出來，在不用對設備進行拆卸的條件下，就可以對故障點的內部進行觀察和判斷， 大大提高了對設備故障的鑒別率和可靠性。同時在內窺鏡的電視圖象上引導故障排除的操作，順利完成設備故障的排除工作。
1.設備相關部分介紹
設備主軸系統包括主軸、空氣靜壓軸承系統、真空夾具系統和主軸傳動系統四大部分。主軸是設備主軸系統核心零部件，是一個經過超精加工的軸類零件。主軸傳動系統采用卸荷皮帶輪結構，以便減少動力源部分對主軸精度的影響。
設備為達到很高的精度，主軸采用了空氣靜壓軸承，這種結構使主軸系統具有較小的摩擦，極小的溫升。設備主軸可以達到很高的精度。具體數據如下主軸徑向跳動為0.5µm; 主軸軸向竄動為0.5µm。為保證設備氣動系統的需要，設備專門配備一套壓縮空氣回路(參看圖1)，壓縮空氣從外部進來，經過第一粗過濾器進入干燥器。從干燥器出來的壓縮空氣經過一道精過濾器及減壓閥減壓到4 X105pa后供主軸使用。
同時為了便于工件的裝夾，設備配備了一套真空夾具系統，為保證其真空夾具系統工作需要，設備專門配備一套真空回路(參看圖2)，輸出一路真空，使用真空度為負40kpa。在回路中，電磁閥起關閉真空回路的作用，真空繼電器起報警保護作用。當斷電時，或真空度降到一定程度時，真空繼電器動作，機床斷電，同時電磁閥把真空泵端管路封死，防止真空泄漏此時真空罐供應真空，維持較短時間，防止主軸由于慣性作用，不能馬上停車，而使所吸工件飛出。
2.故障分析
通過上面對設備主軸系統的結構介紹，初步將設備主軸系統的4個主要部分作為故障原因的主要懷疑對象進行分析。
首先，主軸傳動系統部分是采用卸荷皮帶輪結構，以便減少動力源部分對主軸精度的影響。這一部分對主軸的影響較小，通過對設備主軸電機的檢查，沒有發現存在異?，F象，同時檢查各聯結部分發現全部為正常狀態，基本可以排除這部分的故障嫌疑。其次，空氣靜壓軸承系統部分在設備不裝夾工件時，主軸旋轉正常，不發生卡死和發出尖叫聲。可以初步判斷設備主軸系統的故障不是這部分引起，起碼不是這部分單獨引起的。再次，主軸部分只是一個經過超精密加工的零件，不會是設備的故障點，最后，真空夾具系統部分，當這部分工作時，及設備真空夾具夾緊工件時，設備的主軸旋轉不正常，會發生卡死或發出尖叫聲?？梢猿醪脚袛噙@部分同設備故障發生有著密切關系。
真空夾具系統這種配置在數控精密車床比較常見，但是在對本設備的維修中發現，本設備的真空夾具系統的安裝位置同常見不同，在一般情況下，設備的真空夾具系統的抽氣孔多是安裝在設備的主軸尾端，但是本設備為了在能使設備具有較高的精度，采用了卸荷皮帶輪結構，致使主軸尾部沒有安裝位置，所以設備的設計者將真空夾具系統的抽氣孔安裝在設備主軸的中段。由于主軸要轉動，而真空夾具系統的抽氣孔接頭不能轉動，所以安裝在主軸中段的真空夾具系統，需要一個類似靜壓軸承的可以在主軸轉動時不旋轉的過渡聯結裝置
在真空夾具的過渡聯結裝置的內孔上，開有3個環行槽，其中中間的一個環行槽一邊同抽真空接頭相通，另一邊和主軸上的4個抽真空孔相通，在使用時通過這個孔將設備主軸空中的空氣抽出，使主軸孔腔中產生-40kpa負壓。 另外兩個環形槽同設備的壓縮空氣回路接通，將外部壓縮氣體通過節流器導入軸承間隙中，在主軸和過渡結裝置間形成靜壓力，使主軸懸浮其中工作。為完成以上工作，要求三個環行槽同主軸之間A和B處保證一定的間隙。
通過對設備故障和設備使用工況的分析認為，在設備長期使用后，設備加工中產生的冷卻液蒸汽、油氣和金屬切削微?？赡苓M入A、B處的縫隙，因為此處的縫隙很小，無法清理和不易排除，經過長期的積累，在此部分產生污垢或者廢物金屬顆粒的聚集，致使設備不能正常運行，產生故障。
3.故障診斷
因為設備的主軸采用空氣靜壓軸承，對設備的安裝條件要求較高，在我單位不具備對設備主軸進行拆卸的基本條件，因此無法拆卸，使用常規的設備維修診斷技術，無法對設備故障進行準確判斷。
為了觀察診斷到真空夾具過渡聯結裝置內部的情況，采用了工業用視頻內窺鏡作為觀察手段，對設備故障點進行觀察診斷。在診斷中使用了“徐州博悅公司BVJ便攜式視頻內窺鏡”，內窺鏡探頭可以旋轉360º，由于采用調焦式透鏡系統，從近點到遠點均可獲得清晰、明亮和無變形的圖象。同時可在3.5″彩色監視器上獲得清晰放大的圖象，同時具備錄象和拍照功能，可以將圖象資料保存，用于后期的判斷討論和資料存儲。
在本次診斷中，將內窺鏡的探頭從設備的主軸錐孔進入設備主軸中，再從主軸孔中的四個抽真空孔進入設備真空夾具過渡聯結裝置內部。首先在探頭進入主軸錐孔內部可以看到，在主軸孔中有大量的白色金屬切屑顆粒存在( 如圖4、 圖5)，這些顆粒現在雖然不會對設備的使用產生不利影響，但當真空夾具工作時，它們就可能會被吸進真空夾具過渡聯結裝置內部，并在A、B兩縫隙處將設備主軸卡住，所以必須清除。在探頭進入真空夾具過渡聯結裝置內部，可以發現在三個環形槽同主軸之間A縫隙處存在大量的油污和加工切屑( 如圖6、圖7)，它們是主軸在工作時產生異響的主要原因。這就同先前的推斷結果相符，為下一步的故障排除提供了依據。
4.故障維修
要排除設備故障，就需要清除主軸系統中的油污和切屑顆粒，但是這部分在不拆除主軸的情況下，使用常規無法實現。為達到清除油污和切屑的目的，設計了一套沖洗裝置，在抽真空接頭孔處配做一個液壓接頭，在主軸的錐孔端制作一個堵頭，從安裝在抽真空接頭孔處的液壓接頭，將一定壓力的清洗液注入主軸孔和真空夾具過渡聯結裝置的內部，使其內部保證一定的壓力，再將主軸錐孔前部的堵頭松開，將清洗液和清洗下的廢物從主軸錐孔端排除。反復多次后清洗液基本變清后停止清洗，清洗后的結果可以看到在在主軸錐孔中和真空夾具過渡聯結裝置的內部的白色金屬切屑基本被清除，但在真空夾具過渡聯結裝置的內部的油污清理還不是十分理想。
清洗后的結果，清理后的設備主軸在真空夾具夾緊工件的條件下工作正常，不再出現卡死的故障，異響基本被排除，但偶爾發生。通過對清洗后照片的分析，認為是在真空夾具過渡聯結裝置的內部的油污沒有完全清理干凈造成的。如果清洗液的選擇和清洗工藝上進行改進，將會取得更好的維修效果。
5.故障維修的體會
通過使用工業用視頻內窺鏡，變過去的全拆、全修方法為針對性修理，方向明確，工作量減少，工人勞動強度下降，修理質量提高，周期縮短。在部分沒法拆卸的特種設備和部件維修中，可以改變過去完全靠經驗對故障進行判斷的維修方式，可以為維修提供直接和具體的圖象資料，對故障的判斷更科學和直觀。
在本次維修的故障排除中，使用了清洗方法，這是設備維修中經常使用的一種常規方法。但是因為本次清洗不是常規狀態的清洗，無法對需要清洗的部件進行拆卸，所以對清洗工藝和清洗液的要求與以往不同。因為這種特種清洗作業我單位首次使用，對清洗工藝和清洗液的選擇不是十分的理想，雖然基本解決了設備的故障，但是不徹底，還有故障隱患。要想徹底排除設備故障，需要對清洗工藝和清洗液種類進行改進。
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