劉加勇

（北京市工貿(mào)技師學(xué)院 北京 100097）

數(shù)控銑床拉刀故障的診斷與維修*

劉加勇

（北京市工貿(mào)技師學(xué)院 北京 100097）

拉刀故障是數(shù)控銑床的常見故障之一，主軸松、拉刀動(dòng)作涉及電氣、機(jī)械及液壓回路，回路中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失效都會(huì)引起機(jī)床拉刀動(dòng)作故障。本文從企業(yè)維修案例著手，介紹了XKA714B/F數(shù)控銑床主軸結(jié)構(gòu)和控制原理，分析了常見的故障點(diǎn)，并采用流程圖的形式介紹了故障診斷方法，最后對(duì)故障維修方式進(jìn)行了探討。

數(shù)控銑床；拉刀故障；診斷與維修；流程圖

在企業(yè)生產(chǎn)過程中，XKA714B/F立式數(shù)控銑床主軸會(huì)出現(xiàn)如下故障現(xiàn)象：操作工人在進(jìn)行手動(dòng)換刀操作時(shí)，刀具可以拿下，但裝上刀后，按“主軸拉刀”按鈕，拉刀動(dòng)作明顯比平常慢，重復(fù)一次松、拉刀過程，拉刀時(shí)間變得更長(zhǎng)，再重復(fù)幾次后，拉刀動(dòng)作幾乎沒有了。機(jī)床狀態(tài)提示：處于松刀狀態(tài)。

拉刀故障是數(shù)控銑床的常見故障之一。主軸松、拉刀動(dòng)作涉及電氣、機(jī)械及液壓回路，回路中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失效都會(huì)引起機(jī)床拉刀動(dòng)作故障。要分析和排除松、拉刀這一故障，首先要知道主軸部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成及松、拉刀動(dòng)作的原理及過程，然后熟悉常見的故障點(diǎn)，掌握故障診斷思路及流程，最后維修排除故障。

主軸結(jié)構(gòu)和控制原理

數(shù)控銑床一般可分為立式銑床、臥式銑床和立臥兩用數(shù)控銑床三種。本維修案例使用的是XKA714B/F立式數(shù)控銑床，它由床身、立柱、主軸箱、工作臺(tái)、液壓系統(tǒng)、伺服裝置、數(shù)控系統(tǒng)等組成。床身用于支撐和連接機(jī)床各部件，主軸箱用于安裝主軸，主軸內(nèi)裝有拉刀機(jī)構(gòu)，拉刀機(jī)構(gòu)采用液壓裝置及碟形彈簧來完成拉刀、松刀動(dòng)作。主軸下端的錐孔用于安裝銑刀。當(dāng)主軸箱內(nèi)的主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，銑刀能夠切削工件。主軸箱還可沿立柱上的導(dǎo)軌在Z向移動(dòng)，使刀具上升或下降。工作臺(tái)用于安裝工件或夾具，可沿滑鞍上的導(dǎo)軌在X向移動(dòng)，滑鞍可沿床身上的導(dǎo)軌在Y向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件在X和Y向的移動(dòng)。無論是X、Y向，還是Z向的移動(dòng)都是靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)。伺服裝置用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，主傳動(dòng)系統(tǒng)由5.5kW的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)安裝在主軸箱的頂面，經(jīng)過齒輪傳動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速?？刂破饔糜谳斎肓慵庸こ绦蚝涂刂茩C(jī)床工作狀態(tài)，控制電源用于向伺服裝置和控制器供電。

（一）XKA714B/F立式數(shù)控銑床主軸部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)

主軸部件主要由刀具自動(dòng)夾緊裝置、自動(dòng)吹凈等裝置組成。為了適應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速高和工作性能要求，前、后支承都采用了向心推力軸承。（1）前支承是三個(gè)向心推力球軸承，背靠背安裝，前面兩個(gè)支承大口朝向主軸前端，后一個(gè)軸承大口朝向主軸尾部。前支承既承受徑向載荷，又承受兩個(gè)方向的軸向載荷。（2）后支承是兩個(gè)向心推力球軸承，也是背靠背安裝，小口相對(duì)。后支承只承受徑向載荷，故軸承外圈軸向不定位。主軸軸承采用油脂潤(rùn)滑方式，迷宮式密封。

刀具自動(dòng)夾緊裝置 數(shù)控銑床主軸組件由活塞、螺旋彈簧、拉桿、碟形彈簧和4個(gè)鋼球組成。該機(jī)床采用錐柄刀具，刀柄的錐度為7∶24，它與主軸前端錐孔錐面定心。夾緊時(shí)，油缸上腔接回油，下腔接壓力油，壓力油和螺旋彈簧使活塞桿向上移動(dòng)，拉桿在碟形彈簧壓力作用下也向上移動(dòng)，鋼球被迫進(jìn)入刀柄尾部拉釘?shù)沫h(huán)形槽內(nèi)，將刀具的刀柄拉緊。放松時(shí)，即需要換刀松開刀柄時(shí)，油缸上腔通入壓力油，下腔接回油，使活塞桿向下移動(dòng)，推動(dòng)拉桿也向下移動(dòng)，直到鋼球被推至主軸孔徑較大處，便松開刀柄，將刀具連同刀柄從主軸孔中取出。刀具的刀柄是靠碟形彈簧產(chǎn)生的拉緊力進(jìn)行夾緊的，以防止在工作中突然停電時(shí)刀柄自行脫落。在活塞桿上下移動(dòng)的兩個(gè)極限位置上，安裝行程開關(guān)，用來發(fā)出刀柄夾緊和松開的信號(hào)。在夾緊時(shí)，活塞桿下端的活塞桿端部與拉桿的上端面之間應(yīng)留有一定的間隙，約為4mm，以防止主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)引起端面摩擦。

自動(dòng)吹凈裝置 主軸換刀時(shí)，需自動(dòng)清除主軸裝刀錐孔內(nèi)的切屑或灰塵，以便保護(hù)主軸錐孔和刀柄表面，確保刀具定位安裝精度。因此，該機(jī)床采用壓縮空氣自動(dòng)吹凈裝置。當(dāng)?shù)侗鷱闹鬏S錐孔拔出后，壓縮空氣通過活塞桿上端噴嘴經(jīng)活塞和拉桿的中心孔，自動(dòng)吹凈主軸錐孔。

（二）XKA714B/F立式數(shù)控銑床液壓系統(tǒng)控制原理

液壓站油箱位于機(jī)床的后側(cè)，油箱容積為40L。當(dāng)油面低于油標(biāo)顯示位置時(shí)要及時(shí)添加；液壓油使用2000h后，要進(jìn)行更換。液壓控制板裝在液壓站油箱上面，由一個(gè)1.1kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵完成液壓系統(tǒng)的供油和主軸箱的潤(rùn)滑，液壓系統(tǒng)的調(diào)定壓力為3.5MPa。液壓系統(tǒng)控制三個(gè)二位四通的電磁閥，電磁閥YV1控制主軸箱潤(rùn)滑油路，電磁閥YV1、YV2控制主傳動(dòng)系統(tǒng)中的液壓變速機(jī)構(gòu)（通電為高擋），電磁閥YV1、YV3控制拉刀機(jī)構(gòu)。

松刀時(shí)，電磁閥YV1、YV3同時(shí)通電，閥芯切換油路，液壓油進(jìn)入油缸上腔，油缸下腔接回油，活塞桿向下動(dòng)作，油缸頂部行程限位開關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號(hào)，松刀完成。

拉刀時(shí)，電磁閥YV1吸合、YV3斷開閥芯切換油路，液壓油進(jìn)入油缸下腔，油缸上腔接回油，活塞桿向上動(dòng)作，油缸頂部行程限位開關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號(hào)，拉刀完成。

需要變速時(shí)，電磁閥YV1通電，電磁閥YV2則按高低擋要求通或斷；變速完畢或裝刀完畢電磁閥YV1即斷。

液壓系統(tǒng)還負(fù)責(zé)潤(rùn)滑主軸箱內(nèi)的齒輪及軸承。主軸箱內(nèi)的潤(rùn)滑油通過主軸箱背面的回油管流回油箱。如發(fā)現(xiàn)主軸箱下柔性擋板防護(hù)罩處有漏油現(xiàn)象，應(yīng)立即停止使用并檢查主軸箱潤(rùn)滑回油管路是否通暢，嚴(yán)禁在主軸潤(rùn)滑回油系統(tǒng)不暢的情況下使用機(jī)床。液壓油管均是通過拖鏈裝置到達(dá)主軸箱。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出油路堵塞報(bào)警時(shí)，應(yīng)對(duì)液壓箱的濾油器及時(shí)清理。

（三）XKA714B/F立式數(shù)控銑床主軸松、拉刀電氣系統(tǒng)控制原理

只要控制電磁閥YV1、YV3就可以實(shí)現(xiàn)拉刀、松刀的動(dòng)作，但是，電磁閥怎么跟PMC聯(lián)系呢？這需要通過PMC對(duì)電磁閥進(jìn)行控制。一般而言，實(shí)現(xiàn)拉刀、松刀的動(dòng)作需要用到的PMC輸入接口有松緊刀允許、緊刀、拉刀；輸出接口有刀具松/緊、液壓油路開關(guān)、松緊刀允許指示燈、松刀指示燈、緊刀指示燈，每個(gè)接口都用相應(yīng)的地址位來表示。通過XKA714B/F立式數(shù)控銑床主面板輸入地址電氣圖可以查出，松緊刀允許按鈕的輸入地址位是X33.4，緊刀按鈕的輸入地址位是X34.0，松刀按鈕的輸入地址位是X34.1；通過XKA714B/F立式數(shù)控銑床PMC輸出地址電氣圖可以查出，刀具松/緊的輸出地址位是Y2.1，液壓油路開關(guān)的輸出地址位是Y2.2；通過XKA714B/F立式數(shù)控銑床主面板輸出地址電氣圖可以查出，松緊刀允許指示燈的輸出地址位是Y33.4，緊刀指示燈的輸出地址位是Y34.0，松刀指示燈的輸出地址位是Y34.1。

那么，松緊刀允許按鈕的地址位X33.4、緊刀按鈕的地址位X34.0、松刀按鈕的地址位X34.1和控制拉刀以及松刀的輸出地址位Y2.1.Y2.2有什么關(guān)系呢？當(dāng)同時(shí)按下“松緊刀允許”和“松刀”按鈕后，輸入信號(hào)經(jīng)地址位X33.4和X34.1傳遞給PMC，PMC通過輸出接口Y2.1來控制拉刀或松刀動(dòng)作，具體控制過程查看XKA714B/F立式數(shù)控銑床松刀按鈕控制梯形圖，可以看出，當(dāng)觸點(diǎn)X33.4和X34.1接通時(shí)，松緊刀允許指示燈Y33.4和松刀指示燈Y34.1亮，線圈Y2.1工作，繼電器KA10和KA11指示燈亮，松刀完成。也就是說通過Y2.1來控制電磁閥，由于電磁閥所需要的驅(qū)動(dòng)電流比較大，而PMC的輸出接口驅(qū)動(dòng)能力比較小，所以先由Y2.1控制繼電器KA10，然后再由繼電器KA10來控制電磁閥YV3的動(dòng)作；同理，由Y2.2控制繼電器KA11，然后再由繼電器KA11來控制電磁閥YV1的動(dòng)作。

（四）XKA714B/F立式數(shù)控銑床主軸松、拉刀動(dòng)作控制過程

動(dòng)作控制過程包括松刀動(dòng)作控制過程和拉刀控制過程。

松刀控制過程 從圖1可以看出，當(dāng)按下松刀按鈕后，輸入信號(hào)經(jīng)地址位X34.1傳遞給PMC，PMC通過輸出接口Y2.1和Y2.2來控制繼電器KA10和KA11吸合，使得電磁閥YV1和YV3得電，閥芯切換油路，液壓油進(jìn)入油缸上腔，油缸下腔接回油，使活塞桿向下移動(dòng)，推動(dòng)拉桿也向下移動(dòng)，壓縮碟形彈簧，拉刀爪松開，油缸頂部行程限位開關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號(hào)，松刀完成。

圖1 松刀動(dòng)作電氣控制流程圖

拉刀控制過程 從圖2所示拉刀動(dòng)作電氣控制流程圖可以看出，當(dāng)按下拉刀按鈕后，輸入信號(hào)經(jīng)地址位X34.0傳遞給PMC，PMC通過輸出接口Y2.1和Y2.2來控制繼電器KA10斷開和KA11吸合，使得電磁閥YV1得電吸合、YV3斷開，閥芯切換油路，液壓油進(jìn)入油缸下腔，油缸上腔接回油，壓力油和螺旋彈簧使活塞桿向上移動(dòng)，拉桿在碟形彈簧壓力作用下也向上移動(dòng)，拉刀爪拉緊，油缸頂部行程限位開關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號(hào)，繼電器KA11斷電，電磁閥YV1斷電，液壓油轉(zhuǎn)向潤(rùn)滑油路，拉刀完成。

XKA714B/F立式數(shù)控銑床拉刀常見故障點(diǎn)分析

數(shù)控銑床拉刀故障應(yīng)綜合考慮電氣故障、機(jī)械故障和液壓故障。

（一）電氣回路故障分析點(diǎn)

電氣回路故障分析點(diǎn)主要有：（1）松、拉刀按鈕開關(guān)；（2）拉刀活塞桿行程限位開關(guān)；（3）PMC控制器；（4）繼電器及線路；（5）電磁閥及線路等。

圖2 拉刀動(dòng)作電氣控制流程圖

在這些故障分析點(diǎn)中，松、拉刀按鈕開關(guān)、繼電器由于頻繁使用，容易疲勞損壞；PMC控制器屬于技術(shù)成熟的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，在弱電環(huán)境下工作，一般不易損壞。

（二）機(jī)械及液壓回路故障分析點(diǎn)

機(jī)械及液壓回路故障分析點(diǎn)主要有：（1）主軸拉刀機(jī)構(gòu)；（2）活塞油缸；（3）油管；（4）電磁閥；（5）單向閥；（6）溢流閥；（7）液壓泵；（8）壓力表；（9）碟形彈簧等。

在這些故障分析點(diǎn)中，主軸拉刀機(jī)構(gòu)中的活塞桿、拉刀爪、拉桿以及電磁閥、碟形彈簧等，由于頻繁動(dòng)作，容易疲勞損壞；油管易老化漏油。

XKA714B/F立式數(shù)控銑床拉刀故障診斷與維修

主軸松、拉刀動(dòng)作涉及電氣、機(jī)械及液壓回路，回路中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失效都會(huì)引起機(jī)床拉刀動(dòng)作故障，因?yàn)榘粹o開關(guān)、繼電器、電磁閥的通斷狀態(tài)可以通過PMC診斷地址及發(fā)光二極管等狀態(tài)指示燈來快速判斷，直觀、快捷，故先從電氣回路開始檢查（液壓泵及壓力表也可直觀檢查），然后再對(duì)機(jī)械及液壓回路進(jìn)行檢查。

從圖3所示XKA714B/F數(shù)控銑床拉刀故障綜合診斷流程圖可知，故障診斷與維修步驟如下：

第一步，維修準(zhǔn)備。準(zhǔn)備好XKA714B/F立式數(shù)控銑床對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)操作說明書、機(jī)床生產(chǎn)廠家提供的機(jī)械說明書、電氣說明書、維修手冊(cè)和維修記錄等，同時(shí)準(zhǔn)備好機(jī)床維修的常用必備工具。

第二步，現(xiàn)場(chǎng)勘察。首先察看一下XKA714B/F數(shù)控銑床的具體故障現(xiàn)象。然后查看報(bào)警信息，鎖定故障范圍，機(jī)床狀態(tài)提示：處于松刀狀態(tài)。最后，查閱發(fā)生故障銑床的機(jī)械及電氣說明書，了解松/拉刀按鈕開關(guān)地址位、PMC刀具松緊輸出地址位、松緊刀電磁閥控制和液壓系統(tǒng)原理圖。

第三步，懸掛“維修中，請(qǐng)勿靠近”警示牌，在機(jī)床手動(dòng)狀態(tài)下，主軸停轉(zhuǎn)，按下“緊刀”按鈕，檢查PMC輸入地址X34.0的狀態(tài)變化。如果沒有變化，檢查“緊刀”按鈕開關(guān)及其至PMC的線路。若開關(guān)損壞，則更換開關(guān)；電路斷路，則維修電路。

第四步，如果第一步不存在問題，即PMC輸入地址X34.0的狀態(tài)有變化（由0變?yōu)?），則檢查PMC輸出地址Y2.1、Y2.2的狀態(tài)變化。若狀態(tài)沒有變化，根據(jù)梯形圖判斷哪些條件不滿足，針對(duì)不滿足條件，相應(yīng)調(diào)整機(jī)床操作方式。

第五步，如果第四步不存在問題，即PMC輸出地址Y2.1、Y2.2的狀態(tài)有變化（由0變?yōu)?），繼電器KA10和KA11應(yīng)依次由通到斷。若KA11和KA10其中有未斷開現(xiàn)象，則檢查PMC至KA10線圈的線路（因?yàn)樗傻秳?dòng)作正常，故可以判斷KA11和YV1都是正常的），如果線路短路則檢修線路。

第六步，如果第五步不存在問題，即KA11和KA10正常斷開，電磁閥YV3由吸合轉(zhuǎn)為斷開，線圈插頭指示燈由亮轉(zhuǎn)滅。若電磁閥未由吸合轉(zhuǎn)為斷開，檢查KA10觸點(diǎn)及YV3線圈至KA10觸點(diǎn)的控制線路，如果觸點(diǎn)損壞，則更換繼電器；如果線路短路，則檢修線路。

圖3 XKA714B/F數(shù)控銑床拉刀故障綜合診斷流程圖

第七步，如果第六步不存在問題，即電磁閥YV3由吸合轉(zhuǎn)為斷開，說明YV1和YV3線圈正常，則檢查YV3閥芯是否正常動(dòng)作、能否切換油路。若YV3閥芯動(dòng)作不正常，應(yīng)先檢查活塞缸下腔油管有無波動(dòng)，在機(jī)床斷電情況下，拆開油管接頭，查看油管是否通油，如果不通油，則疏通或更換油管；然后用內(nèi)六角扳手插入閥芯孔，感知閥芯移動(dòng)距離，如果距離小于正常移動(dòng)距離，則說明閥芯被堵塞或復(fù)位彈簧彈力不足，可用新閥替換或拆閥進(jìn)行檢修。

第八步，如果第七步不存在問題，即YV3閥芯正常動(dòng)作，可正常切換油路，則檢查油缸及活塞桿是否正常。如果不正常，油缸進(jìn)出油口及活塞桿被堵塞，則拆開檢修。

第九步，如果以上各步檢查均正常，則診斷維修結(jié)束。

總之，針對(duì)這類故障，不管是主軸拉不緊刀，還是主軸松不下刀，只要掌握了控制回路的電氣、機(jī)械及液壓原理，依據(jù)故障現(xiàn)象，逐一分析控制回路的各個(gè)環(huán)節(jié)，由簡(jiǎn)到繁，就不難找出故障點(diǎn)并排除故障。數(shù)控機(jī)床是一種自動(dòng)化程度高、機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的加工設(shè)備，要充分發(fā)揮機(jī)床的高效益，就必須正確操作使用和精心維護(hù)，這樣可防止設(shè)備產(chǎn)生非正常性磨損，保持其良好的技術(shù)性能狀態(tài)，延緩劣化進(jìn)程，保證生產(chǎn)安全運(yùn)行。

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G712

A

1672-5727（2012）04-0122-03

北京市工貿(mào)技師學(xué)院教學(xué)研究基金資助項(xiàng)目《數(shù)控機(jī)床典型故障診斷與維修的研究》（項(xiàng)目編號(hào)：GMKY201006）

劉加勇（1979—），男，湖北襄陽人，工程碩士研究生在讀，北京市工貿(mào)技師學(xué)院講師，機(jī)械系主任，研究方向?yàn)閿?shù)控機(jī)床故障診斷與維修。