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數控（kòng）機床液壓（yā）鬆拉刀機構故障處理

2023-12-21 來源：昌河飛機工業（集團）有限責任公司作者：錢飛，劉駿，胡輝

［摘要］隨著機床自動（dòng）化程度越來越高，越來越多的采用自動換刀裝置。主（zhǔ）軸（zhóu）鬆拉刀機構是實現（xiàn）刀具在主軸（zhóu）上自動鬆開、夾緊的核心部件，其控製複雜、使用（yòng）頻（pín）率高，因此主軸（zhóu）鬆拉刀機構故障（zhàng）是數控設備（bèi）常見的故障之一，主軸鬆拉刀動作主要涉及（jí）電氣控製、液壓回路、機械傳動等方麵，任何環（huán）節出現問題，主軸鬆拉刀動作都無法（fǎ）正常運行，數控設備無法準確執行換刀動作 [1]。文章根據日常對數控設備的維護（hù）保養經驗，從鬆（sōng）拉刀機構工作原理及典型維修（xiū）案例入手，針對液壓控製（zhì）方式主軸（zhóu）鬆拉刀機構使用（yòng）過程中出現的問題進行分析，總結數控機床主軸液壓鬆拉刀係統典型故障的分析與處理方法。

［關鍵詞］數控機床；液壓控製；主軸係統；鬆拉刀機構

0、引言

數控機床（chuáng）是高精度自動化設備，其中主軸鬆拉刀機構（gòu）是（shì）機床的核心部件。機床主軸換刀過程中需要鬆拉刀機構實現刀（dāo）具（jù）的鬆開和夾緊，同樣，在切削加工時，為防止刀具脫開更需要鬆拉刀機構進行刀（dāo）具的夾緊。主軸鬆拉刀機構一（yī）般采用氣動（dòng）或液壓控製方式（shì），液壓控（kòng）製方式結構複雜，故障率高，維修難度大（dà）。因此，文章針對液壓控製方式的主軸鬆拉刀係統結構展開分析，總結典型故障的處理方法，為（wéi）此類（lèi）鬆拉刀機構日常保障和故障處理提供可靠的途（tú）徑方法，有效提升數控設（shè）備（bèi）運行過程中（zhōng）的安全性（xìng）及可靠性（xìng），縮短（duǎn）設備故障停機時間。

1、數控機床主（zhǔ）軸鬆拉刀結構分析

要準確判斷分析（xī）主軸（zhóu）鬆拉（lā）刀機構（gòu）出現故障的原因，首先要對此套機構結構原理及鬆拉刀的執行動作過程有一個深入了解。液壓控製的主軸鬆拉刀機構，主要特點（diǎn）是配備了一套液壓係統，通過液壓驅動完成（chéng）刀（dāo）具的鬆開和夾緊（jǐn）等動作，機械結構主要由（yóu）前端拉爪、頂杆（gǎn）、碟簧等部件組成（chéng），如圖1所示。

圖1 鬆拉刀機構示意圖

具體動作執行過程：鬆拉刀機構液壓係統泄壓，碟簧伸張並產生彈力，在碟（dié）簧彈力的作用下，將頂杆向後推，並在頂（dǐng）杆後（hòu）移（yí）動的同時，拉爪（zhǎo）撐開卡爪並卡（kǎ）住刀柄卡槽，此時將刀柄拉緊（其（qí）中拉緊力由（yóu）碟簧（huáng）產生），以此實現刀具的夾緊，可有效防（fáng）止加工過程中突然（rán）斷電致使刀柄脫落。液壓係統執（zhí）行（háng）端為一單作用活塞缸，該活塞缸活塞與頂杆後端相接，鬆拉刀機構刀具放鬆（sōng）時，油缸上腔進油，油缸靠近頂杆一側油腔接入回油，通過液壓係統施加壓力，油缸活塞將頂（dǐng）杆向前推，碟簧被壓縮，拉（lā）杆頂（dǐng）出，拉爪（zhǎo）收縮，刀柄此時鬆開。其中，主軸鬆（sōng）拉（lā）刀機構為（wéi）判定其執行動作是否到（dào）位，會在活塞杆上（shàng）下移動的極限位置布置感應開關（guān），用來檢測刀具拉緊和鬆開狀態 [2]。

2、主（zhǔ）軸鬆拉刀（dāo）故障典型案例介紹

2.1 案例1

故障現象：一台五坐標立式加工中心，該設備在加工過程中，出現主軸無法鬆刀故障現象。

該主軸鬆拉刀機構通過液壓控製，屬於常見（jiàn）的液壓鬆（sōng）拉刀結構：通過對該主軸液壓鬆拉刀結（jié）構進行分析，發現主軸在換刀過程中，由於鬆拉刀機構長時間頻繁動作，鬆拉刀機構的拉爪、拉（lā）杆、彈簧以及液壓控（kòng）製係統（含液壓管路（lù）、電磁閥（fá）、活塞油缸、液壓泵（bèng）等）出現磨損、劣（liè）化（huà），從而造成液（yè）壓鬆拉刀（dāo）機構出現（xiàn）無法鬆刀的故障。可能原（yuán）因有：①液壓油泵壓力（lì）不夠。②液壓閥、管路堵塞。③液（yè）壓缸（gāng）存在泄漏引起（qǐ）鬆刀液壓壓力不穩定。④刀爪有異物導致刀爪無法完全鬆到位，導致卡刀。⑤刀爪伸出尺寸超出範圍。⑥碟簧存在（zài）缺陷，導致偶發鬆刀過程中，碟簧伸張（zhāng）不完全（quán），引起刀（dāo）爪伸長值及拉力值發生變化。為進（jìn）一步確認故障產生的原（yuán）因，采用以下方法進行（háng）逐（zhú）一（yī）分析和排除（chú）。

（1）第一步。分（fèn）析液壓控製部（bù）分：無法正常鬆拉（lā）刀可能（néng）是後端活（huó）塞缸壓力不足，導（dǎo）致活塞無法運動引起的。通過打開主軸防護罩，檢查液壓（yā）管路、液壓控製閥以及液壓缸本體是（shì）否存在泄漏情況。發現液壓管路沒有破損、彎折，油缸無泄漏，基本排（pái）除因油液（yè）外漏造成壓力不穩的原因。

（2）第二步。檢查油液壓力：測試送拉刀動作，發現主軸鬆刀狀態中，液壓油泵輸出壓力12MPa（主軸標準鬆刀壓力 14MPa），略小於標準值，初步懷疑是液壓閥阻塞所（suǒ）引起主（zhǔ）軸鬆（sōng）刀壓力過低。於是將液壓閥進行拆（chāi）卸清（qīng）洗，清除閥組內部異物。重新安（ān）裝後，主軸（zhóu）送拉刀壓力（lì）為14MPa，但仍然無（wú）動（dòng）作（zuò），基本排除（chú）是鬆拉刀（dāo）機構液壓係統（tǒng）造（zào）成的問題。

（3）第三步。①檢查拉刀（dāo）機構機械結構（gòu），檢（jiǎn）查主軸拉爪，對主軸拉爪內異物進行清理，防止鬆拉刀出現卡滯。②檢查測（cè）量刀爪伸長值和拉（lā）力值發現（xiàn），刀爪伸長值為10.8mm，超出（chū）刀爪伸長值標準範圍10.5±0.1mm。因此對刀爪進行調（diào）整，調整後測量刀（dāo）爪伸長值 10.6mm，拉刀力值為25.4kN（範圍22 ～ 34kN），均符合要求，如圖2所示。

圖（tú）2 拉刀力測試

通過對上述機械結（jié）構進行調（diào）整後，對主軸拉爪（zhǎo）機構進行檢查試（shì）運行（háng），經過多次換刀測試，主軸鬆拉（lā）刀正常，數控係統未出現報警現象，故障排除，設備恢（huī）複正常。

2.2 案例2

故障現象：一台橋式龍門五坐標（biāo）加工中心在加工過（guò）程中，其主軸裝置無法正常鬆拉刀，無法完成換（huàn）刀動作，設備無法正常加（jiā）工使用。

該橋式（shì）龍門五坐標加工中心機床配置的是電主軸（zhóu），其鬆拉刀裝置采用液壓方式驅動、碟簧拉緊的控製方式（shì），但與一般鬆拉刀結構不同的是其采用了氣液增壓（yā）、蓄能器（qì）儲備壓力的控製方式，正常情況下由氣液（yè）增壓泵將壓力增加到需求壓（yā）力，同時壓縮蓄能器進行壓力儲備。當鬆刀時，蓄能器中壓力（lì）輸出，通過控製（zhì）電磁閥開（kāi）啟，油液作用於主軸鬆刀油缸，將拉杆向前推，撐開拉爪，產生鬆刀動作。

當拉刀時，電磁（cí）閥關閉。而氣液增（zēng）壓泵形成獨立的控製係統，用於保持蓄能器壓力穩定，當壓力低（dī）於額定壓力時，增壓泵工（gōng）作將壓力補充（chōng）到額定壓力。氣液增壓泵工（gōng）作原理類似於（yú）壓力增壓器，通過壓縮空氣對橫截麵積較（jiào）大的（de）活塞施加一個很低的壓力，當此壓力作用於（yú）另一個小麵積活塞上（shàng）時（shí），會（huì）產生一個高壓。通過一個二位五通氣動（dòng）換向（xiàng）閥換（huàn）向工作，增壓泵能夠實現連續運行。由單向閥控製的高壓柱塞不斷的將液體單向排出，增壓泵的出口壓力大（dà）小與（yǔ）壓縮空氣驅（qū）動壓力有關。當驅動部分和輸出液體部分之間的壓力（lì）達到平衡時，增壓泵會停止運行。當輸出壓力下降（jiàng）或壓縮空氣驅動壓力增（zēng）加時，增（zēng）壓泵會自動啟動運行，直到再（zài）次達到壓力平衡後自動停（tíng）止，同時采用單氣控非平衡氣（qì）體分配（pèi）閥來實現泵的（de）自動往複運動。

氣液（yè）增壓缸運（yùn）行過程中分（fèn）為3個行程階段，如圖3所示。

（1）預壓行程階段。P4進氣 P1排氣，增壓缸前軸下降，預壓完畢。

（2）增壓行程階段（duàn）。P3進氣 P2排氣增壓缸活塞下降，進行增壓。

（3）回程階段（duàn）。P1/P2 進氣，增壓缸活塞前軸回（huí）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（zēng）壓器作一體式結合的機構，使用壓縮空氣作為動力源，利用增壓器內部活塞；兩端大小（xiǎo）不同（tóng）截麵（miàn）麵積輸出不同壓力，其基本遵循帕斯卡能量守衡原理，因為壓力不變，當受壓麵積由（yóu）大（dà）變小時，則壓（yā）強（qiáng）也會變化，從而達到將氣（qì）壓提高數十倍的效果。

針對設備本次出現無法（fǎ）正常鬆拉刀的故障，通過對液壓控製係統進行檢（jiǎn）查，發現（xiàn）增壓泵無法產生壓力。將增壓泵進行拆卸分解，對部件逐（zhú）一檢測、排查，發現主要原因是 P2 與 P3 腔體之間密（mì）封件出現磨損，導致（zhì）增壓過程中（zhōng），在 P3送入壓縮空氣後，氣體出現泄漏，大部分壓力從 P2口泄壓（yā），無法推動（dòng） D1活塞運動，導致最終無（wú）法進行增壓。由於增（zēng）壓（yā）過（guò）程沒（méi）有完成，壓力達不到係統所設定壓力（lì），無法推動（dòng）換向閥換向，不能進入下一個動作，增（zēng）壓缸一直（zhí）處於停止等待狀態，導致回路無法建立係統壓力。針對此（cǐ）情況，將 D1活塞的密封（fēng）圈（quān）進行優化改進，根據腔體尺寸將密封圈（quān）作增厚處理，保證其能承受更大的壓（yā）力。對安裝改進後的活塞密封（fēng）進行泵的安裝測試，經檢查並進（jìn）行（háng）多次換刀測試，氣液增壓泵正常工作（zuò），液壓壓力表上顯示（shì）的液壓壓力值符合鬆拉刀額定壓（yā）力要求（qiú），且壓力能長時間保持不變化，同（tóng）時電氣壓力檢測觸點可以達到高電平輸出信（xìn）號，說明液壓係統壓力達到正常範圍之內，且經過多（duō）次換刀試驗，設備均能工（gōng）作正常，說明該故障已完（wán）全排除，設備恢複正（zhèng）常。

3、結束語

數控機床主軸鬆拉刀機構屬於機床的（de）關鍵（jiàn）部件，其（qí）可靠（kào）和穩定（dìng）程度直接影響機床的加工效率及零件的加（jiā）工品質，但（dàn）油液控製的鬆拉刀機構具有複雜程度高、故障率高、可維（wéi）修（xiū）性差的特點（diǎn），為機床的日（rì）常維護帶來了一定的困難。對（duì）於設備維護人員來說，需要熟悉（xī）其工作原理，同時需加（jiā）強（qiáng）設備的（de）日常保養，尤其是主軸鬆拉刀機（jī）構等核心（xīn）部件（jiàn）保養工作，防止核心部件非正常磨損、劣化（huà），維持核心部件的良（liáng）好狀態（tài），延長使用壽命，保證核心部件的性能指標。

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