沈勝利，張 芬

SHEN Sheng-li, ZHANG Fen

（鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450121）

0 引言

自動(dòng)換刀裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，特別是在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，它起到了關(guān)鍵性的作用。因此，對(duì)數(shù)控機(jī)床中自動(dòng)換刀裝置故障分析和排除技術(shù)的研究十分必要。減少故障，及時(shí)排除故障不僅有利于生產(chǎn)還有利于整個(gè)數(shù)控機(jī)床操作技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

圖1 部件位置圖

1 自動(dòng)換刀裝置與自動(dòng)刀架

經(jīng)濟(jì)型換刀裝置是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中最重要的部分之一，而自動(dòng)刀架則是自動(dòng)換刀裝置的主要部件。統(tǒng)計(jì)資料顯示，目前使用最為廣泛的是四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。它根據(jù)改造傳統(tǒng)的機(jī)床設(shè)備的需要并適合微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的需要而研究發(fā)明和生產(chǎn)。這種刀架兼顧刀架在機(jī)床上的獨(dú)立操作性與控制性。但是這種刀架只是在我國(guó)20世紀(jì)90年代使用較為廣泛。目前，我國(guó)使用的自動(dòng)刀架的組成結(jié)構(gòu)主要是插銷(xiāo)式和端齒盤(pán)式。

四位工體的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是目前的一種較為簡(jiǎn)單的自動(dòng)換刀裝置，它的回轉(zhuǎn)刀架具有良好的強(qiáng)度和剛性，可以承受粗加工時(shí)的強(qiáng)切割力。但是，由于切割或者精加工時(shí)主要的受力部分在刀尖位置，因此數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程中刀尖的位置是不允許你被移動(dòng)的，特別是人工的調(diào)整。因此，自動(dòng)換刀裝置必須具有可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架每一次自動(dòng)換刀之后刀尖的位置不會(huì)被移動(dòng)，具有高精準(zhǔn)度，一般在0.001—0.005mm在允許范圍之內(nèi)。下面，我們舉一個(gè)實(shí)際的案例。

假設(shè)某機(jī)床的回轉(zhuǎn)刀架是用于加工類(lèi)軸類(lèi)零件的螺旋式的降式四位工體刀架。那么，它在換刀過(guò)程主要有四個(gè)步驟：刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架定位和刀架夾緊。其中的各個(gè)部件位置如圖1所示。

1.1 刀架抬起

在數(shù)控機(jī)床發(fā)出更換刀具的指令之后，如圖1所示首先是電動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)。然后，是通過(guò)平鍵套筒的聯(lián)軸器和使蝸桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)在帶動(dòng)渦輪絲桿啟動(dòng)。到家提的內(nèi)孔一般都有螺紋能夠與螺桿機(jī)型連接，渦輪與絲桿作為整體機(jī)構(gòu)。當(dāng)渦輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，刀架底座和刀架體都處于嚙合狀態(tài)，且渦輪絲桿軸固定的，這時(shí)候刀架體便抬起，完成刀架抬起的工作。

1.2 刀架轉(zhuǎn)位

刀架體抬起到一定的位置時(shí)，端面的齒開(kāi)始脫開(kāi)，轉(zhuǎn)位套便用銷(xiāo)釘和蝸輪絲杠連接在一起。隨著蝸輪絲杠一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在端面齒完全脫開(kāi)時(shí)，轉(zhuǎn)位套能夠轉(zhuǎn)動(dòng)160°。此時(shí)，球頭銷(xiāo)在彈簧力作用下進(jìn)入另一轉(zhuǎn)位套的槽中，從而帶動(dòng)整個(gè)刀架體轉(zhuǎn)位，完成刀架轉(zhuǎn)為的工作。

1.3 刀架定位

刀架體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)連同電刷座一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到指定的刀號(hào)時(shí)，粗定位銷(xiāo)便會(huì)在彈簧力的作用下進(jìn)入粗定位盤(pán)的槽中再次進(jìn)行粗定位。同時(shí)，另一電刷會(huì)接觸導(dǎo)體使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。由于粗定位槽的某些限制，刀架體不能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，并使其在該位置上垂直落下，此程序中的刀架體和刀架底座上的端面齒嚙合實(shí)現(xiàn)精確定位，從而實(shí)現(xiàn)刀架的定位工作。

1.4 刀架夾緊

當(dāng)前三步都如期完成之后，電動(dòng)機(jī)會(huì)繼續(xù)反轉(zhuǎn)。這時(shí)候蝸輪會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿軸會(huì)出現(xiàn)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)兩端面齒增加到一定夾緊力時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，刀架夾緊進(jìn)入下一步的數(shù)控技術(shù)操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀的整個(gè)過(guò)程。

2 典型故障案例剖析

在對(duì)軸類(lèi)的加工中，數(shù)控機(jī)床的操作會(huì)在進(jìn)行一根傳動(dòng)軸的加工過(guò)程中完全顯現(xiàn)它對(duì)自動(dòng)換刀裝置的要求。在加工傳動(dòng)軸的時(shí)候，我們往往會(huì)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的外圓的尺寸嚴(yán)重超標(biāo)。比數(shù)控機(jī)床本身程序中的相應(yīng)要求要超出很多，跟程序輸入的尺寸相比要小很多，但是這并未出動(dòng)機(jī)床的報(bào)警系統(tǒng)，說(shuō)明刀片并沒(méi)有出現(xiàn)重大的損傷。研究表明，造成這種現(xiàn)象主要由兩種原因：1）自動(dòng)換刀裝置的操作滯后；2）自動(dòng)換到裝置的操作過(guò)沖。

“滯后”與過(guò)沖現(xiàn)象出現(xiàn)的原因基本一樣，都是刀架旋轉(zhuǎn)體的位置和刀架座之間的距離相差太大，一般情況下直觀就能分辨出是否出現(xiàn)了滯后和過(guò)沖，如圖2所示。

圖2 滯后現(xiàn)象和過(guò)沖現(xiàn)象

此次我們采用實(shí)地調(diào)查法，走訪了幾個(gè)數(shù)控機(jī)床使用工廠，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)：當(dāng)數(shù)控機(jī)床處于空機(jī)運(yùn)作的時(shí)候，自動(dòng)換刀裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)手動(dòng)換刀的時(shí)候，空機(jī)運(yùn)顯示屏上的右下角的刀具位置顯示的是“0”。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)控制系統(tǒng)的電位正常時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)刀架的過(guò)沖和滯后現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)走訪調(diào)查，并且進(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)，結(jié)果依舊如此。經(jīng)過(guò)實(shí)踐操作并結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)，我們分析得出有以下四種的機(jī)械和電氣的原因造成產(chǎn)生故障可能性。

1）端面齒盤(pán)上不干凈有阻礙運(yùn)作的雜物；2）霍爾開(kāi)關(guān)位置的移動(dòng)不科學(xué)，電機(jī)的信號(hào)超前或者滯后；3）定位端面上的齒輪出現(xiàn)松動(dòng)，不能夠形成準(zhǔn)確的定位環(huán)境；4）粗定位的銷(xiāo)遭到磨損，定位時(shí)出現(xiàn)歪斜以致于換刀時(shí)不能夠及時(shí)到位。但是，綜合分析得出，造成滯后現(xiàn)象和過(guò)沖現(xiàn)象可能性最大的是機(jī)械故障。

3 自動(dòng)換刀裝置的故障研討

根據(jù)現(xiàn)有的研究經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出，走動(dòng)換刀裝置的故障主要在這樣幾個(gè)方面可能造成故障。分別是：電路故障和機(jī)械故障（刀架本身故障）。

3.1 電路故障分析

在對(duì)電路故障的考察分析的時(shí)候，1）確認(rèn)刀架換刀位置是否正確。如果刀架的位置再進(jìn)行下一步操作，如果不正確就必須先矯正刀架的位置以免由于刀架的位置不正確而造成的電路檢測(cè)不準(zhǔn)確。2）打開(kāi)刀架的上蓋觀察刀架內(nèi)部的開(kāi)關(guān)的位置，一般來(lái)講，有4個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)分別在四個(gè)角落。3）裝上蓋子，試著運(yùn)行機(jī)床，觀察機(jī)床的運(yùn)行效果。如果還是有滯后和過(guò)沖現(xiàn)象的出現(xiàn)，那么故障便依然存在。證明開(kāi)關(guān)的位置與故障無(wú)關(guān)。因此，電路原因造成滯后和過(guò)沖幾乎是不可能的。

3.2 機(jī)械的故障

要弄清楚是不是自動(dòng)換刀裝置機(jī)械的原因必須對(duì)自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行拆卸，自動(dòng)換刀裝置的自動(dòng)刀架采用的是內(nèi)螺旋組成而成的螺旋傳動(dòng)，在拆卸時(shí)必須有以下四種步驟和方法。

1）是由上至下的拆卸，打開(kāi)刀架的上蓋罩。觀察霍爾開(kāi)關(guān)是否是否出現(xiàn)松動(dòng)或者位置是否有所改變。同時(shí)，做好相應(yīng)的記錄。在相應(yīng)的斷頭和線(xiàn)頭做上相應(yīng)的記號(hào)以便確認(rèn)是否出現(xiàn)故障。

2）是拆下軸上的螺母，取出相應(yīng)的發(fā)信體進(jìn)行放置。然后是從刀架的兩側(cè)將球頭銷(xiāo)取出。按照相應(yīng)的操作規(guī)則將蝸桿的端頭插入，順時(shí)針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)都芡铣鰰r(shí)，再對(duì)端齒進(jìn)行檢查。

3）是對(duì)端齒盤(pán)進(jìn)行檢查。主要的檢查事項(xiàng)是：端齒盤(pán)上是否存在雜物；端齒盤(pán)是否出現(xiàn)了磨損；端齒盤(pán)的固定位置是否發(fā)生的改變。

4）是對(duì)自動(dòng)換到裝置檢查結(jié)果的統(tǒng)計(jì)及確認(rèn)。檢查發(fā)現(xiàn)，端齒盤(pán)出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損，位置發(fā)生了改變。因此，還造成了灰塵雜物的進(jìn)入，從而造成了換刀裝置的滯后和過(guò)沖。

4 排除自動(dòng)換刀裝置故障的措施探析

在實(shí)施排除自動(dòng)換刀裝置的措施之前必須搞清故障的原因。在上述分析的基礎(chǔ)上，我們可以明確的知道造成故障的主要原因存在于自動(dòng)換到裝置的機(jī)械上。因此，排除故障的主要步驟分別是：故障原因的分析、對(duì)癥下藥和修復(fù)后的精準(zhǔn)度試行。

4.1 故障原因分析

在對(duì)故障原因進(jìn)行分析和定位的時(shí)候，首先要做的是檢查定位銷(xiāo)，要確保定位銷(xiāo)的位置不被改變。然后是對(duì)小孔的測(cè)量，對(duì)小孔的測(cè)量一般會(huì)比測(cè)量其他定位銷(xiāo)的外徑尺寸的難度大一些。特別要注意在刀架抬起時(shí)各個(gè)機(jī)械的位置與距離。當(dāng)?shù)都芴饡r(shí)，銷(xiāo)的后端由于彈簧的作用力，銷(xiāo)的內(nèi)控的長(zhǎng)度會(huì)縮小，會(huì)有所彎曲，以致于刀架前會(huì)沖過(guò)一個(gè)齒。但是，當(dāng)阻力大一些的時(shí)候，刀架落下就會(huì)之后一個(gè)齒。這就是造成刀架滯后和過(guò)沖現(xiàn)象的主要原因之一。

4.2 對(duì)癥下藥——治理機(jī)械故障

1）更換圓柱銷(xiāo)：圓柱銷(xiāo)的作用是定位。工作的時(shí)候圓柱銷(xiāo)需要在孔內(nèi)要上下滑動(dòng)，必須具備耐磨性，同時(shí)還要具備較高的強(qiáng)度和韌性。目前，一般選用65mm的材料來(lái)加工圓柱銷(xiāo)。UQ所采用的材料是基孔制間隙配合原料，即圓柱銷(xiāo)外圓尺寸加工，然后經(jīng)過(guò)熱處理淬火使硬度達(dá)到HRC48—52的要求。然后再進(jìn)行相應(yīng)的裝配和后期處理。

2）檢測(cè)并修復(fù)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)：在對(duì)刀架的檢測(cè)和修復(fù)的過(guò)程中，渦輪桿機(jī)構(gòu)的修復(fù)是重點(diǎn)和難點(diǎn)。不僅要小心的拆卸和組裝和要做好相應(yīng)位置的精確定位。另外，在蝸輪蝸桿的修復(fù)后還要在齒面涂上紅丹粉以起到保護(hù)的作用。最后再拆下蝸桿和蝸輪，成蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的修復(fù)。

4.3 修復(fù)后的精準(zhǔn)度檢測(cè)試行

自動(dòng)刀架裝配完成后，進(jìn)行了精度檢測(cè)，重點(diǎn)是檢測(cè)刀架的重復(fù)定位精度。主要分為三個(gè)步驟：

第一步：開(kāi)車(chē)后手動(dòng)換刀。實(shí)現(xiàn)四個(gè)到位的輪流換刀。第二步：重復(fù)對(duì)刀，記錄沒(méi)一把刀具體換刀的位置數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整刀片的位置。第三步：設(shè)計(jì)車(chē)階梯軸程序，進(jìn)行實(shí)行。如圖3所示。

圖3 試樣零件圖

在試刀之后，要對(duì)每個(gè)工位都裝上外圓刀，每個(gè)工件都要經(jīng)仔細(xì)檢測(cè)后才能夠進(jìn)行運(yùn)作，并作仔細(xì)的記錄。所有的工序都必須達(dá)到工件精度達(dá)到圖紙要求。具體的檢測(cè)方法如下：外圓的檢測(cè)使用千分尺測(cè)量2個(gè)相互垂直的圓截面。主要分析圓度公差，標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)度測(cè)量采用50mm的規(guī)格和千分表在車(chē)床上檢測(cè)，千分表吸附在中拖板E。現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)的試車(chē)中的3個(gè)工件精度檢測(cè)對(duì)照如表2和表3所示。基本的尺寸精度穩(wěn)定，其圓度誤差0.001mm，重復(fù)定位精度0.001—0.002mm。

當(dāng)故障排除了，恢復(fù)了自動(dòng)刀架換刀的重復(fù)定位精度，維修成功。

表1 障時(shí)檢測(cè)情況

表2 復(fù)后試件檢測(cè)情況

5 結(jié)論

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床對(duì)自動(dòng)換刀裝置的要求越來(lái)越高。數(shù)控機(jī)床需要控制力好、剛性好、換刀時(shí)間短、定位精準(zhǔn)度高、安全性能高德刀架并要求能夠及時(shí)排除故障。雖然我們隊(duì)換刀裝置的過(guò)沖和滯后故障現(xiàn)象有了一定的研究，但是這還是不能夠及時(shí)滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床發(fā)展的需要，我們還必須作進(jìn)一步的研究，研制出高精度、高效率和低故障的換刀裝置。

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