數(shù)控機(jī)床液壓松拉刀機(jī)構(gòu)故障處理
2023-12-21 來源： 昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 作者：錢飛，劉駿，胡輝
［摘要］隨著機(jī)床自動化程度越來越高，越來越多的采用自動換刀裝置。主軸松拉刀機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)刀具在主軸上自動松開、夾緊的核心部件，其控制復(fù)雜、使用頻率高，因此主軸松拉刀機(jī)構(gòu)故障是數(shù)控設(shè)備常見的故障之一，主軸松拉刀動作主要涉及電氣控制、液壓回路、機(jī)械傳動等方面，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，主軸松拉刀動作都無法正常運(yùn)行，數(shù)控設(shè)備無法準(zhǔn)確執(zhí)行換刀動作 [1]。文章根據(jù)日常對數(shù)控設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)經(jīng)驗，從松拉刀機(jī)構(gòu)工作原理及典型維修案例入手，針對液壓控制方式主軸松拉刀機(jī)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，總結(jié)數(shù)控機(jī)床主軸液壓松拉刀系統(tǒng)典型故障的分析與處理方法。
［關(guān)鍵詞］數(shù)控機(jī)床 ；液壓控制 ；主軸系統(tǒng) ；松拉刀機(jī)構(gòu)
0、引言
數(shù)控機(jī)床是高精度自動化設(shè)備，其中主軸松拉刀機(jī)構(gòu)是機(jī)床的核心部件。機(jī)床主軸換刀過程中需要松拉刀機(jī)構(gòu)實現(xiàn)刀具的松開和夾緊，同樣，在切削加工時，為防止刀具脫開更需要松拉刀機(jī)構(gòu)進(jìn)行刀具的夾緊。主軸松拉刀機(jī)構(gòu)一般采用氣動或液壓控制方式，液壓控制方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，維修難度大。因此，文章針對液壓控制方式的主軸松拉刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)展開分析，總結(jié)典型故障的處理方法，為此類松拉刀機(jī)構(gòu)日常保障和故障處理提供可靠的途徑方法，有效提升數(shù)控設(shè)備運(yùn)行過程中的安全性及可靠性，縮短設(shè)備故障停機(jī)時間。
1、數(shù)控機(jī)床主軸松拉刀結(jié)構(gòu)分析
要準(zhǔn)確判斷分析主軸松拉刀機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障的原因，首先要對此套機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理及松拉刀的執(zhí)行動作過程有一個深入了解。液壓控制的主軸松拉刀機(jī)構(gòu)，主要特點是配備了一套液壓系統(tǒng)，通過液壓驅(qū)動完成刀具的松開和夾緊等動作，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由前端拉爪、頂桿、碟簧等部件組成，如圖1所示。
圖1 松拉刀機(jī)構(gòu)示意圖
具體動作執(zhí)行過程 ：松拉刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)泄壓，碟簧伸張并產(chǎn)生彈力，在碟簧彈力的作用下，將頂桿向后推，并在頂桿后移動的同時，拉爪撐開卡爪并卡住刀柄卡槽，此時將刀柄拉緊（其中拉緊力由碟簧產(chǎn)生），以此實現(xiàn)刀具的夾緊，可有效防止加工過程中突然斷電致使刀柄脫落。液壓系統(tǒng)執(zhí)行端為一單作用活塞缸，該活塞缸活塞與頂桿后端相接，松拉刀機(jī)構(gòu)刀具放松時，油缸上腔進(jìn)油，油缸靠近頂桿一側(cè)油腔接入回油，通過液壓系統(tǒng)施加壓力，油缸活塞將頂桿向前推，碟簧被壓縮，拉桿頂出，拉爪收縮，刀柄此時松開。其中，主軸松拉刀機(jī)構(gòu)為判定其執(zhí)行動作是否到位，會在活塞桿上下移動的極限位置布置感應(yīng)開關(guān)，用來檢測刀具拉緊和松開狀態(tài) [2]。
2、主軸松拉刀故障典型案例介紹
2.1 案例1
故障現(xiàn)象 ：一臺五坐標(biāo)立式加工中心，該設(shè)備在加工過程中，出現(xiàn)主軸無法松刀故障現(xiàn)象。
該主軸松拉刀機(jī)構(gòu)通過液壓控制，屬于常見的液壓松拉刀結(jié)構(gòu) ：通過對該主軸液壓松拉刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主軸在換刀過程中，由于松拉刀機(jī)構(gòu)長時間頻繁動作，松拉刀機(jī)構(gòu)的拉爪、拉桿、彈簧以及液壓控制系統(tǒng)（含液壓管路、電磁閥、活塞油缸、液壓泵等）出現(xiàn)磨損、劣化，從而造成液壓松拉刀機(jī)構(gòu)出現(xiàn)無法松刀的故障。可能原因有 ：①液壓油泵壓力不夠。②液壓閥、管路堵塞。③液壓缸存在泄漏引起松刀液壓壓力不穩(wěn)定。④刀爪有異物導(dǎo)致刀爪無法完全松到位，導(dǎo)致卡刀。⑤刀爪伸出尺寸超出范圍。⑥碟簧存在缺陷，導(dǎo)致偶發(fā)松刀過程中，碟簧伸張不完全，引起刀爪伸長值及拉力值發(fā)生變化。為進(jìn)一步確認(rèn)故障產(chǎn)生的原因，采用以下方法進(jìn)行逐一分析和排除。
（1）第一步。分析液壓控制部分 ：無法正常松拉刀可能是后端活塞缸壓力不足，導(dǎo)致活塞無法運(yùn)動引起的。通過打開主軸防護(hù)罩，檢查液壓管路、液壓控制閥以及液壓缸本體是否存在泄漏情況。發(fā)現(xiàn)液壓管路沒有破損、彎折，油缸無泄漏，基本排除因油液外漏造成壓力不穩(wěn)的原因。
（2）第二步。檢查油液壓力 ：測試送拉刀動作，發(fā)現(xiàn)主軸松刀狀態(tài)中，液壓油泵輸出壓力12MPa（主軸標(biāo)準(zhǔn)松刀壓力 14MPa），略小于標(biāo)準(zhǔn)值，初步懷疑是液壓閥阻塞所引起主軸松刀壓力過低。于是將液壓閥進(jìn)行拆卸清洗，清除閥組內(nèi)部異物。重新安裝后，主軸送拉刀壓力為14MPa，但仍然無動作，基本排除是松拉刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)造成的問題。
（3）第三步。①檢查拉刀機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)，檢查主軸拉爪，對主軸拉爪內(nèi)異物進(jìn)行清理，防止松拉刀出現(xiàn)卡滯。②檢查測量刀爪伸長值和拉力值發(fā)現(xiàn)，刀爪伸長值為10.8mm，超出刀爪伸長值標(biāo)準(zhǔn)范圍10.5±0.1mm。因此對刀爪進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后測量刀爪伸長值 10.6mm，拉刀力值為25.4kN（范圍22 ～ 34kN），均符合要求，如圖2所示。
圖2 拉刀力測試
通過對上述機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整后，對主軸拉爪機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查試運(yùn)行，經(jīng)過多次換刀測試，主軸松拉刀正常，數(shù)控系統(tǒng)未出現(xiàn)報警現(xiàn)象，故障排除，設(shè)備恢復(fù)正常。
2.2 案例2
故障現(xiàn)象 ：一臺橋式龍門五坐標(biāo)加工中心在加工過程中，其主軸裝置無法正常松拉刀，無法完成換刀動作，設(shè)備無法正常加工使用。
該橋式龍門五坐標(biāo)加工中心機(jī)床配置的是電主軸，其松拉刀裝置采用液壓方式驅(qū)動、碟簧拉緊的控制方式，但與一般松拉刀結(jié)構(gòu)不同的是其采用了氣液增壓、蓄能器儲備壓力的控制方式，正常情況下由氣液增壓泵將壓力增加到需求壓力，同時壓縮蓄能器進(jìn)行壓力儲備。當(dāng)松刀時，蓄能器中壓力輸出，通過控制電磁閥開啟，油液作用于主軸松刀油缸，將拉桿向前推，撐開拉爪，產(chǎn)生松刀動作。
當(dāng)拉刀時，電磁閥關(guān)閉。而氣液增壓泵形成獨立的控制系統(tǒng)，用于保持蓄能器壓力穩(wěn)定，當(dāng)壓力低于額定壓力時，增壓泵工作將壓力補(bǔ)充到額定壓力。氣液增壓泵工作原理類似于壓力增壓器，通過壓縮空氣對橫截面積較大的活塞施加一個很低的壓力，當(dāng)此壓力作用于另一個小面積活塞上時，會產(chǎn)生一個高壓。通過一個二位五通氣動換向閥換向工作，增壓泵能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。由單向閥控制的高壓柱塞不斷的將液體單向排出，增壓泵的出口壓力大小與壓縮空氣驅(qū)動壓力有關(guān)。當(dāng)驅(qū)動部分和輸出液體部分之間的壓力達(dá)到平衡時，增壓泵會停止運(yùn)行。當(dāng)輸出壓力下降或壓縮空氣驅(qū)動壓力增加時，增壓泵會自動啟動運(yùn)行，直到再次達(dá)到壓力平衡后自動停止，同時采用單氣控非平衡氣體分配閥來實現(xiàn)泵的自動往復(fù)運(yùn)動。
氣液增壓缸運(yùn)行過程中分為3個行程階段，如圖3所示。
（1）預(yù)壓行程階段。P4進(jìn)氣 P1排氣，增壓缸前軸下降，預(yù)壓完畢。
（2）增壓行程階段。P3進(jìn)氣 P2排氣增壓缸活塞下降，進(jìn)行增壓。
（3）回程階段。P1/P2 進(jìn)氣，增壓缸活塞前軸回位，此刻動作完成。
圖3 氣液增壓缸動作原理圖
氣液增壓缸則是將一油壓缸與增壓器作一體式結(jié)合的機(jī)構(gòu)，使用壓縮空氣作為動力源，利用增壓器內(nèi)部活塞 ；兩端大小不同截面面積輸出不同壓力，其基本遵循帕斯卡能量守衡原理，因為壓力不變，當(dāng)受壓面積由大變小時，則壓強(qiáng)也會變化，從而達(dá)到將氣壓提高數(shù)十倍的效果。
針對設(shè)備本次出現(xiàn)無法正常松拉刀的故障，通過對液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)增壓泵無法產(chǎn)生壓力。將增壓泵進(jìn)行拆卸分解，對部件逐一檢測、排查，發(fā)現(xiàn)主要原因是 P2 與 P3 腔體之間密封件出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致增壓過程中，在 P3送入壓縮空氣后，氣體出現(xiàn)泄漏，大部分壓力從 P2口泄壓，無法推動 D1活塞運(yùn)動，導(dǎo)致最終無法進(jìn)行增壓。由于增壓過程沒有完成，壓力達(dá)不到系統(tǒng)所設(shè)定壓力，無法推動換向閥換向，不能進(jìn)入下一個動作，增壓缸一直處于停止等待狀態(tài)，導(dǎo)致回路無法建立系統(tǒng)壓力。針對此情況，將 D1活塞的密封圈進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，根據(jù)腔體尺寸將密封圈作增厚處理，保證其能承受更大的壓力。對安裝改進(jìn)后的活塞密封進(jìn)行泵的安裝測試，經(jīng)檢查并進(jìn)行多次換刀測試，氣液增壓泵正常工作，液壓壓力表上顯示的液壓壓力值符合松拉刀額定壓力要求，且壓力能長時間保持不變化，同時電氣壓力檢測觸點可以達(dá)到高電平輸出信號，說明液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到正常范圍之內(nèi)，且經(jīng)過多次換刀試驗，設(shè)備均能工作正常，說明該故障已完全排除，設(shè)備恢復(fù)正常。
3、結(jié)束語
數(shù)控機(jī)床主軸松拉刀機(jī)構(gòu)屬于機(jī)床的關(guān)鍵部件，其可靠和穩(wěn)定程度直接影響機(jī)床的加工效率及零件的加工品質(zhì)，但油液控制的松拉刀機(jī)構(gòu)具有復(fù)雜程度高、故障率高、可維修性差的特點，為機(jī)床的日常維護(hù)帶來了一定的困難。對于設(shè)備維護(hù)人員來說，需要熟悉其工作原理，同時需加強(qiáng)設(shè)備的日常保養(yǎng)，尤其是主軸松拉刀機(jī)構(gòu)等核心部件保養(yǎng)工作，防止核心部件非正常磨損、劣化，維持核心部件的良好狀態(tài)，延長使用壽命，保證核心部件的性能指標(biāo)。
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