空气轴承-什么原因造成主轴损坏10月16日

什么原因造成主轴损坏

数控钻床的主轴是用来钻孔和铣外形的，它的好坏不仅直接影响到最终的产品质量，而且会影响到印制板的制造成本。什么时候主轴不转了，或者噪声很大、老断刀具，我们就说“主轴出故障了”。而在主轴出故障的时候，我们又感觉是“主轴设计或制造的缺陷”。凭心而论，主轴装在机器上就不完全取决于自身的性能和特征了，它会受到其他硬件设备和软件功能的影响，大多数情况还是操作失误造成主轴损坏。

对于滚珠轴承主轴，如果使用的配套设备很合适，轴承最终磨损，声音很大，我们知道这是因为轴承的滚珠和座圈之间机械接触所至。对于空气轴承人们常存在一些误解：认为既然转子和定子之间无机械接触，主轴应该永远不坏。当然，如果这种主轴是工作在很干净的实验室环境下，它的确不会轻易损坏，现实的情况是我们要用它钻铣非常硬的环氧玻璃布纤维板，环境又很脏。这就存在可能使配套设备失灵或出现误动作，主轴因此而出现故障或损坏。这些故障是可以减少的，那就是正确的机器维护和保养。

前面我们已讨论了造成主轴损坏的一些原因，现在再让我们看一看空气轴承主轴内部结构。图一：空气轴承主轴内部结构图

到转子并使之稳定。空气的轴向射流从转子推力板的底部托起转子使之可以自由转动。同时，这个托起的力还能承受主轴缩回时的冲击。空气轴向射流同时也作用于转子推力板的顶部，为主轴钻冲程提供推力负荷。显而易见，空气轴承主轴的寿命取决于压缩空气的质量和合适的压力。

现在让我们看看造成主轴损坏的一些原因：

一、在数控钻铣床上自动换刀（ATC）阀门泄漏

ATC阀门泄漏造成主轴损坏是最常见的。特别是一些老机器，尤其是一些老机器由滚珠轴承主轴翻新为空气轴承主轴更是如此。随着使用年限的增加，阀门由于磨损趋向泄漏是很自然的，关键是你要知道多长时间必须更换这些要泄漏的阀门，使由于空气阀门泄漏造成主轴损坏这个因素减到最低。当偶然发生ATC

当阀门泄漏时，会产生一定的空气压力阻

止气缸复原弹簧动作（没有显示在图二内），刀

具更换机构推动推杆向下，阻止正在运转的装

夹轴芯，同时，它从主轴的后方推动转子推力

板，阻止后轴承托起转子推力板的表面，最后

的结果是可想而知的，它磨擦和阻止后轴承的

作用，并使推杆和转子装夹轴芯之间产生不必

要的磨擦接触，这都会造成主轴损坏。

虽然上面所述都是针对空气轴承主轴的，

但很多情况同样适合滚珠轴承主轴，特别是420

和820主轴。它们的ATC 阀门必须能封住大约

600Psi 压力的空气。如果ATC 阀门泄漏则主轴

的气缸推杆磨擦并阻止转子推杆的运动，使主

轴损坏。请看图三：滚珠轴承主轴ATC 阀门泄

漏。

后果是可怕的，有可能使所有主轴损坏。如果泄漏刚好发生在主轴更换刀具时，则会发生两种情况：

1、无论是空气轴承主轴还是滚珠轴承主轴，它们都有一个气缸缩回弹簧用来复原气缸推杆，使气缸推杆和转子推杆分开。由于制造弹簧时钢丝直径的变化，弹簧圈直径的变化，绕成弹簧后热处理条件的变化等等，使其弹簧的弹力也不一样。于是，压缩空气在刀具更换机构里的积累将导致最差弹簧所在的主轴损坏。

2、在主轴更换刀具的一个周期里，当这个周期完成了，则刀具更换机构里的压缩空气是被排放了。当新的周期开始时，压缩空气积累又将重新开始。因此，如果钻或铣持续和结束的时间较短，阀门泄漏所形成的压缩空气积累还未造成主轴损坏就已被排放了。如果钻和铣持续的时间较长，压缩空气积累就会达到某一点，结果造成主轴损坏。钻和铣持续时间的长和短如何定义？实际上它又取决于空气阀门泄漏的多和少。

二、低压力脚真空

造成主轴损坏的第二个主要原因大概要数低压力脚真空了。转子转动时，在

转子的周围产生了一个旋涡，此旋涡简直就是一个龙卷风的缩影。在这个旋转着的低压力区，中心是钻或铣切削下来的切屑和飞起的粉尘。除非在压力脚内的真空平台足够强大，能战胜旋涡的作用，否则切削下来的粉尘碎屑将进入转子和前

如果是滚珠轴承主轴，碎屑将进到主轴前轴承密封圈，最终损坏轴承，使主轴的噪声加大，直到主轴无法使用。一种误解是空气轴承主轴的清洁气流能清除在转子和前轴承缝隙之间的切削碎屑。实际情况并非如此，由于压力很小，此空气清流到成了粉尘的载体，转子旋转形成旋涡足以战胜空气清流，将碎屑带入转子和轴承之间的空气缝隙。这实际上是造成前轴承和转子前端损坏的主要原因。 三、主轴空气压力低

由低压力造成的主轴损坏是很常见的。每台机

器均有一个气动盒，它包括气压调节阀和输出压

力表。典型的空气轴承主轴在其进入主轴前压力应调节在85Psi 。图五：由主轴

磨擦是在转子推力板和推力轴承（俗称动力板）之间。转子推力板不能从后轴承表面升起，以及转子和前轴承磨擦出现火花，请参看图五。

四、Z 轴耦合器磨损

钻冲程结束后主轴缩回，速率也由高而降低。如数控机床使用年限较长，Z 轴耦合元件有过度磨损，主轴可能由下钻冲程转为缩回时受到大的冲击。

在滚珠轴承主轴里，轴向负荷的能力是非常强的，无论是向下或向上的冲击一般它都承受。但是，空气轴承主轴的轴向负荷能力就要差得多，特别是在主轴的缩回方向，如果这个冲击大于提升力的允许量，结果会在转子推力板的下面和后轴承的提升表面之间发生磨擦。

升表面产生磨擦。

这样的主轴损坏形式和ATC阀门泄漏造

成的结果相似，但推杆和装夹轴芯不接触，可

参看图二并和图六比较。

这种损坏形式的症状也较特殊，在轴承空

气加上时用手不能使转子转动，不加气时反而

能转动。造成这个特殊症状的原因是后轴承的

提升射流模糊不清。主轴在这之前后轴承的提

升能力已磨损了。当压缩空气加上时，动力板

的推力射流向下，阻止了转子转动。

五、油浸透了空气过滤器

机器上的空气过滤器能过滤油。通常这个

油是从空气压缩机里排出并污染空气系统。一

旦过滤器的过滤元件油饱和了，它就不会再吸

收压缩机泄出的油了。压缩空气中过多的油就

会在主轴的轴承表面形成一层油膜，油膜是胶

状的，对空气轴承具有破坏性，它减小了轴承表面和转子之间的缝隙，降低了经向和轴向空气射流的大小，使得推力大为降低。结果是它改变了整个空气轴承系统的特征，使转子和轴承产生磨擦，最后导致主轴损坏。

六、主轴无冷却或冷却不够

数控钻、铣床一般都有冷却系统。设计人员为主轴冷却系统花了很大精力。如冷却系统必须在主轴起动以前或同时起动，冷却系统不起动主轴也不能起动；分别为各个主轴安装了冷却液流量传感器，流量不够则这个主轴就不能起动；还在装冷却液的箱体里安装了总流量计和温度传感器等。为了主轴的正常运转，设计人员可算是考虑够周到了。但是数控钻床和铣床在使用过程中由于冷却系统故障造成主轴损坏的事还是时有发生。尤其是一些使用年限较久的老机器，流量传感器里积了很厚的垢，基本失去了传感器的作用。再有就是冷却系统里的泵因常年累月使用可能会坏。当泵损坏时有些PCB厂家就从市场上购泵来用，由于电流电压不同或安装尺寸等原因将冷却系统和机器完全脱勾，只要忘记先开冷却系统或这个系统故障，都将很快使主轴因过热而损坏。

七、不能正常工作的空气干燥机

潮湿的空气经压缩就会有细小的水珠进到空气小容器里并形成大的水滴。空气干燥机的功能就是要去掉积累起来的水。无需多说，一台不能正常工作的空气干燥机将会使湿气进到空气轴承，如果主轴长期在这样的条件下运转，湿气会在主轴内部生成锈点。我们知道，空气轴承主轴的缝隙是很小很小的，锈点在转子、轴承和定子上的堆积最终将产生磨擦。

湿气还会进到主轴刀具更换机构的末端内腔，生锈将会使主轴刀具更换成为难题。

八、不能正常工作的变频器

如果变频器未能正确调整，或者变频器里有失效的元件，都将造成主轴损坏。

在数控钻、铣床里，由变频器引起的主轴损坏是常见的。特别是一些老式变频器，用在定子绕组只有两相有保险的主轴上，一旦过流定会烧毁定子线圈。

常见主轴损坏是出现在一些老机器上，因为这些老机器没有安装对零速检测的主轴监测器，在时间分配上出现不正确的转子刹车，结果是转子在完全停稳之前执行一次刀具更换。这样造成的主轴损坏就和ATC阀门泄漏造成的损坏一样，可参看图二和图三。

九、维修不当

维修不当造成主轴损坏的事例也屡见不鲜。一是使用不当的元器件，二是无专用拆装工具，维修过程中损坏元器件；三是无检测设备，装配好坏心中无把握。

有些PCB生产公司没有专门主轴维修人员，为了节省时间，也为了节省资金，由一些不了解主轴结构，不清楚主轴使用原理的人员进行修理，那就会造成更大的损失。我们公司的维修工程师在维修主轴过程中就发现不少由于维修不当造成主轴损坏的事例。如拆装过程中将电源线夹坏而导致烧毁定子线圈，由于使用不当和使用失效的密封环而使冷却液流进定子线圈而损坏主轴。使用不恰当的代用元器件的现象就更多。这些不当的维修有可能加速主轴的损坏，切勿掉以轻心。

上面谈到了九种造成主轴损坏的原因，可以肯定讲它不是造成主轴损坏的全部原因，但是它们的确是造成主轴损坏的主要原因。