淺談數控車四方刀架拆裝維保措施
2020-12-1 來源： 連云港工貿高等職業技術學校 作者：金玉
摘要：四方刀架在數控車床中是最常用的換刀裝置，各種不同用途的刀具均可安裝在刀架上通過刀架旋轉、定位和分度，在經濟型數控車床上實現精確換刀。由于該種刀架在企業中應用廣泛，刀架的拆裝維保很重要。本文針對數控車四方刀架拆裝維保中遇到的部分問題進行了分析整理。
關鍵詞：自動換刀裝置；霍爾元件；裝配
回轉刀架在數控車床中是比較典型的換刀裝置，常用的類型有六角刀架、四方刀架，即在刀架上可以裝有四把或更多刀具。回轉刀架根據刀架回轉軸與安裝地面的相對位置分為臥式刀架和立式刀架兩種，其中立式刀架回轉軸是垂直于機床主軸，多用在經濟型數控車床中，以徑向裝刀為主；臥式刀架回轉軸是平行于數控車床主軸，可以在徑向與軸向安裝刀具。四方刀架有四個刀位可供安裝刀具，四方刀架每當刀具轉過 90 度時，刀架變換一個刀位，但四方刀架回轉及刀位定為選擇是由數控系統指令控制實現。數控車床刀架動作順序是：刀架抬起、刀架轉位、刀架定位和夾緊。主要組成有：電動機；渦輪軸；聯軸器；刀架底座；蝸輪絲杠；粗定位盤；球頭銷；刀架體；轉位套；發信體；檢測體座；粗定位銷；檢測體；螺母。
當數控系統執行換刀指令時，刀架電動機通電啟動正轉，通過平鍵套筒聯軸器驅動蝸桿軸進行轉動，帶動蝸輪絲杠跟隨旋轉。與渦輪絲杠配合零件是具有內螺紋的刀架體內孔，與渦輪絲杠進行螺紋旋合配合。刀架中心軸外圓與蝸輪絲杠組成滑動配合，在刀架旋轉選刀時，中心軸固定不動，蝸輪絲杠圍繞中心軸旋轉。當渦輪進行旋轉時，由于刀架體上的端面齒和刀架底座處于嚙合狀態，而且渦輪絲杠在軸向固定不動，刀架體隨著螺旋運動向上抬起。當刀架體抬至相應距離后，端面齒相繼脫開。蝸輪絲杠與轉位套采用銷釘連接，隨蝸輪絲杠轉動，當端面齒完全脫開后，轉位套正好在水平面內轉過一定角度，在彈簧彈力作用下將球頭銷推入轉位套槽中，帶動刀架體跟隨旋轉。檢測體跟隨刀架體轉動同時轉動，當程序指定的刀位信號轉到位時，在彈簧彈力的作用下將定位銷推入粗定位盤中進行粗定位，同時鐵磁檢測體觸發霍爾傳感器導通，數控系統得到信號后改變電動機通電相序反轉，由于定位銷與粗定位槽的作用，刀架體不能反向轉動，使其在位置上螺旋落下，從而使刀架體和刀架底座上的端面齒嚙合，實現刀架精確定位。電動機繼續反轉鎖緊刀具，隨著鎖緊力的增大，電動機轉矩在不斷增大，達到一定值時，傳感器發出控制信號，數控系統接收到信號后控制電動機停止轉動。刀架譯碼裝置由檢測體、發信盤組成，發信盤負責發處刀位信號，檢測體負責位置刀架實際轉動判斷。
1 、刀架拆卸
（1）在刀架正常情況下刀架是鎖緊狀態，因此要先松開刀架。用一字螺絲刀拆開與電機相對面的悶頭螺母，并將內六角扳手通過悶頭孔插入絲杠端部內六角槽內，將扳手順時針轉動，使得蝸桿進行順時針轉動，從而松開離合盤，其外形結構如圖 1 所示。
圖 1 刀架外形
（2）拆卸刀架鋁蓋。利用內六角扳手先對稱依次松開緊固鋁蓋的螺絲，然后在徹底拆卸掉螺絲。在取下鋁蓋之前，要先把鋁蓋周邊的雜物和切削液等清理干凈，以防不甚落入刀架體內部。接著取下鋁蓋，注意保護好鋁蓋下端的防水密封墊圈。
（3）拆卸發信盤。首先用對應型號的十字螺絲刀松開發信盤上緊固信號線的螺釘，取下信號線。接著用扳手松開中心軸頂端緊固螺母，取下發信盤即可。如圖 2 所示。
圖 2 發信體
（4）利用十字螺絲刀斜對著大螺母上凹圓巢，用橡膠錘適當擊打十字螺絲刀尾部，要對稱著敲擊，將大螺母敲擊松動，然后把螺母旋下來，接著輕輕取下止退圈，再把中心軸上鍵從鍵槽上取下，接著取出軸承。要求按順序擺好，不得隨意擺放。
（5）利用工具對稱鉗住離合盤邊緣，提升離合盤并取出，然后將離合銷即球頭銷和彈簧取出，并依次擺好。不得出現圖 3 所示情況。
圖 3 不規則擺放
（6）用工具夾持反靠銷，通過手動操作盤動上刀體進行逆時針轉動，一直旋轉至上刀體從螺桿分離為止，接著取下上刀體。如圖 4 所示。
圖 4 上刀體
2、 清洗零件與裝配
附著在機械零件上的油污主要由灰塵雜質與油等混合物形成。該油的特點是不易溶于水，如各種礦物油、潤滑油等，但是易溶于一些有機溶劑。因此，在去除此類油污時通常采用電化學清洗法。常見的清洗液為以下兩種：溶劑型清洗劑和水基型清洗劑。清洗方式常見有兩種：人工清洗和機械清洗。常用清洗方法有：擦洗、加熱清洗、噴洗、超聲清洗、振動清洗這五種方法。
擦洗：將機械零件浸入裝有適量零件清洗劑的容器中，用毛刷刷洗或棉紗擦洗。擦洗操作方便簡單且設備要求低，但是清洗效率低，只對單件小批小型配件清洗適用。注意：一般情況下不宜采用汽油作為清洗液，因為它有溶脂性，會對人體健康造成損害且汽油易燃易爆，易發生火災危險。
加熱清洗：將配置好的清洗液與零件共同放入用鋼板焊制，且具有合尺寸適的清洗池中，用配套的熱源將其加熱至80 ～ 90℃，浸潤 3 ～ 5min 即可完成清洗。
噴洗：將具有一定壓力和溫度的清洗劑噴射至零件表面進行清洗油污。此方法效果明顯，清洗效率高，但是所需設備比較復雜，僅對清洗形狀不太復雜的零件適合，而且零件表面有嚴重油污。
振動清洗：將要清洗的零件放在振動清洗機的清洗架上或清洗籃里，接著將清洗架或清洗籃完全浸沒在清洗液中，利用清洗機產生的模擬人工振動來漂涮，結合清洗液化學作用達到去除油污目的。
超聲清洗：將零件放入已配置清洗溶液的清洗槽中，利用超聲波振蕩與清洗液化學反應共同作用于機械零件，達到去除機械零件上油污目的。
由于單個四方刀架拆卸下來的零件屬于小批量零件，因此選用煤油作為清洗液，將從刀架上拆下的零件浸泡在清洗液中，用紗布進行擦洗。擦洗完之后將零件按順序擺放在干凈的紙上，以防止再次被污染。在清洗完成之后進行裝配，裝配順序按拆卸反順序進行即可。裝配完成之后對刀架進行檢查。利用數控車床進行選刀操作，查看刀架能否輕松實現選刀過程即刀架抬起、刀架轉位、刀架定位、刀架鎖緊。若無法正常實現該功能，則說明在裝配過程中存在問題，必須從新拆卸一邊在從新裝配，直至問題解決。
3 、刀架維護
（1）正常上班期間，要做到每天上下班之前清掃數控車床刀架，將散落在刀架表面上的灰塵、切屑和切削液進一步清洗干凈，并將刀架上刀具按正確流程拆卸下來擺放到合適的位置，保持刀架的干凈整潔，提高刀架的壽命。
（2）在正常加工間隙要及時清理刀架體上的異物，如切屑等，防止其在數控車床正常換刀抬刀過程中通過縫隙進入刀架內部，在刀架內部卡住機械部件使刀架運行阻力增大，刀架運轉不暢，甚至影響刀架定位精度，進而音響數控車床加工精度；或者在刀架內部增加內部機械零件之間摩擦力使得刀架內部結構發生嚴重磨損，嚴重者縮短刀架壽命。
（3）嚴禁超負荷使用。這有兩層含義：首先，數控車床加工工件時的加工參數要選用合適的值，不能為了趕進度或者提高效率選用過大的切削參數，導致刀架受到過大的進給力，使得刀架機械零部件發生變形，甚至發生斷裂；其次，在選用加工刀具時要選擇合適的刀具，不能選擇過重過大過長的刀具，避免刀具在旋轉選刀時發生一系列事故，如刀具過長在換到過程中發生碰撞，刀具過大過重導致刀架慣性增大，不利于刀架快速啟停，容易導致刀架過沖，甚至損壞機械部件。
（4）嚴禁撞擊、擠壓通往刀架的連接導線，其中通往刀架的連接導線分成兩類：信號線和動力線。信號線為刀架24V 刀位信號相關線路，一但被擠壓撞擊破壞則會導致刀位信號不正常，使得刀架不能正常工作，甚至發生短路。動力線為刀架電動機的 380V 三相交流電 , 若被破壞則會導致刀架電機發生缺相，甚至完全無法通電，使得刀架電機不能正常工作，從而導致刀架不能正常工作。
（5）減少刀架被間斷撞擊即斷續強力切削的機會。在加工過程中斷續強力切削會使在切削過程中刀架受到不連續較大沖擊力，使得刀架機械零部件受力變形，從而影響刀架的機械精度，甚至發生機械斷裂損壞刀架。
（6）保持刀架機械部件良好的潤滑。刀架內部的潤滑是采用潤滑脂，通過潤滑減少刀架內部的摩擦阻力減輕磨損，使得刀架在工作過程中機械部件保持良好的狀態，延長刀架的使用壽命，以及保持良好的精度。
（7）在數控加工過程中，盡可能減少使用具有腐蝕性冷卻液，若是不可避免要使用，必須在加工完工件之后進行及時清理，下班之前應及時擦拭涂油，以防止其緩慢滲透進入刀架內部，對刀架內部機械部件產生腐蝕損壞機械零件。
（8）在調整刀架預緊力過程中，要將預緊力的大小調節到合適位置，防止預緊力過大導致刀架無法轉動或者運裝阻力過大，增加刀架電機負載影響電機壽命。
（9）不定期檢查刀架相關連線、傳感器元件盤即發信盤、磁鐵。通過檢查防止連接線破損，影響信號穩定；防止發信盤螺母聯接松動，從而引起刀架的越位過沖或轉不到位；防止磁鐵去磁，不能夠提供足夠的磁場去觸發發信盤中的傳感器元件發出相應的控制信號。
（10）對于經常進行強力切削的數控車刀架，要定期檢查刀架內部機械零件的配合是否緊固，有無松動現象，若是有松動跡象則要及時進行緊固，否則容易引起刀架不能正常鎖緊，定位精度不夠的故障，而且容易引起應力集中，導致某些零件過早損壞斷裂。
（11）定期檢查刀架內部相關鎖緊機構零件，如后靠定位銷、彈簧、后靠棘輪等，檢查這些零件潤滑及磨損情況，是否潤滑良好，磨損是否在正常范圍內，防止由于這些原因引起鎖緊機構不起作用，甚至造成機械卡死。
4、常見故障診斷
4.1 刀架不動
機械方面：調整四方刀架時預緊力過大。當把內六角扳手通過悶頭孔插入蝸桿端部并且手動旋轉松開時比較吃力，而且調整后能完成選刀動作，但完成換刀之后刀架仍出現上述問題。通過故障現象可判斷為刀架預緊力過大導致刀架不能轉動，可通過拆開刀架將大螺母向上旋出一些，然后再測試直至能輕松完成選刀動作過程。
刀架內部機械零件某種原因卡死。當用內六角扳手通過悶頭孔插入蝸桿端部轉動蝸桿時，使勁也轉不動，可判斷為某個機械零件在某個位置卡死。
第一，檢查鎖緊裝置中反靠定位銷是否卡在反靠棘輪槽內，若卡在棘輪槽內，則需將反棘輪與螺桿連接銷孔相對轉過一定角度再打孔連接；
第二，檢查中軸螺母是否鎖緊力過大，如若螺母鎖緊力過大，應對器重新調整；
第三，檢查是否由潤滑效果不良造成轉動時零件研死，則應將刀架拆開對相關零件進行潤滑處理。
電氣方面：電動機供電相關回路不通斷路，刀架電機無法得電轉動。檢查熔斷器溶芯是否熔斷，檢查電源開關觸點接觸是否正常，檢查開關閉合位置是否正確。借助萬用表檢測電容電壓是否
在正常范圍內。可以通過更換保險，調整開關閉合位置，更換開關等相應措施來一一排除。另外，電源不通還要考慮刀架電動機相關控制線路是否斷路，刀架內部線路是否斷路，霍爾元件位置是否正確。電機供電正常，電機由震動聲但刀架不轉，可判斷為電機通電相序錯誤，通過變換相序排除。手動方式換刀正常，數控系統控制方式不換刀。這應重點檢查數控系統與刀架控制器接線、數控系統 I/O 接口及刀架到位控制信號，通過一一排除解決問題。
4.2 刀架連續旋轉不停，提示選刀失敗
刀架能轉動說明機械方面無故障，故障主要存在于電氣控制方面。檢查刀位信號是否觸發，若刀位信號沒有觸發，則是發信盤故障。檢查鐵磁檢測頭是否損壞，發信盤接線是否斷路或者接觸不良或漏接，針對其信號回路中的繼電器、霍爾元件以及接線情況進行故障排除。若僅某號刀不能定位，一般是該號刀位信號線斷路所至。
4.3 刀架過沖或不到位
刀架發生過沖一般由機械原因導致，主要是后靠裝置定位不可靠。檢查后靠定位銷是否靈活，彈簧是否疲勞損壞，潤滑是否正常。應通過改善潤滑等措施修復定位銷靈活性或更換復位彈簧。檢查蝸桿與后靠棘輪連接是否正常，若斷開則需更換連接銷。若仍出現過沖現象，則可能是刀具過重，應更換定位銷彈簧或更換輕刀具。刀架旋轉不到位，甚至中途突然停止，主要是發信盤相關霍爾元件與鐵磁檢測頭位置錯位。應調整發信盤中霍爾元件與鐵磁檢測頭相對位置并牢靠固定。
4.4 刀架不能鎖緊
該故障應檢查鎖緊開關位置是否有偏差，若是該原因則調整位置至正常即可。用萬用表檢查其對應回路中繼電器是否正常。若仍不能排除，則應考慮刀架內部機械零件配合是否正常。或有碎屑卡在內齒盤上造成鎖緊不牢而影響鎖緊，則應調整機械并清洗相關零件。
5、結語
四方刀架作為經濟型數控車常見的自動換刀裝置，在各企業中應用最為廣泛，對于四方刀架的維護非常有必要。在正常運裝的情況下，可以有效的改善數控車床精度，保證零件加工精度，提高企業生產效率，利于企業成本的控制。因此，四方刀架的拆裝與維保具有非常典型意義。四方刀架拆裝只要按照步驟進行即可，但是要注意在拆除和安裝過程中避免對零部件的損壞以及丟失，要按照一定順序進行擺放零件。
維護過程中同樣要注意避免二次損壞，要小心對待每個零件，潤滑油要選擇合適的產品才能達到潤滑效果。在維修過程中要根據故障現象進行判斷故障原因，不能盲目下手進行暴力拆解。因此，四方刀架在維護拆裝時要按工藝要求做，才可以既高效又正確無誤的完成。
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