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加工中心換（huàn）刀係統（tǒng）故障與（yǔ）維修

2020-9-30 來源：江西鈴格有色金屬加工有限公司（sī）作者：王登（dēng）亮，王超

摘要：主（zhǔ）要介紹馬紮克 5000-II 型機床換刀係（xì）統（tǒng）的機械結構、工作原理、常見故障原因及問題處理措施。

關鍵詞：換刀係統；ATC；刀庫；主軸；內冷管

1、背景介紹（shào）

我們公司機加工廠成立於 2015 年初，機加設備維修班成立時間更（gèng）短，維修人員（yuán）平均年齡不到 29 歲，他們踏出校園大（dà）門懷揣著對生活的美（měi）好夢想（xiǎng）一起組建了機加維修班，這過程工存在許多問題；換刀係統是加工中心生產加工過程中關鍵的環節，直接影響（xiǎng）加工效率、質量、設備穩（wěn）定性。公司現有 5000-II 型（xíng）馬紮克加（jiā）工中心 14 台，主要（yào）生產鋁合金變速箱殼體，是我們公司生產主力設備。隨著公司產能提升（shēng）、降本增效要求不斷（duàn）提供，目（mù）前設備狀態遠遠達不到使用及費用控製要求；統計 2018 年 1-12 月換刀係統（tǒng）故障平均 595 min/ 月，18 年發生的維修費（fèi）用合計約 18.62 萬。為（wéi）降（jiàng）低設備故障率、減少設備維修費用、提高（gāo）生產效率。18 年上半年我們成立攻堅改善小組針對整個換刀（dāo）係統故障進行統計、分析，從 A 矩（jǔ）陣的損失分類統（tǒng）計（jì）到 B 矩陣的因（yīn）果關係分類到 C 矩陣的貨幣化轉化，把故障轉化為實實在（zài）在（zài）的費用損失，選定攻擊（jī）對象（xiàng），有的放矢。

2、工作原理簡述

換刀係統包含刀庫、刀庫門、換刀機構、主軸等係統；各個係統精準的配合最終（zhōng）完成一次完美（měi）的換刀動作（zuò），換（huàn）刀機構是其中重（chóng）要組成部分。換刀機（jī）構由電機驅動凸輪，其中弧麵凸輪通過控製機械手（shǒu）上（shàng）軸承來控製機械手的轉動；平麵凸輪通過連杆機構控製機械手的伸縮與收回。而換刀（dāo）機構上刀（dāo）具的夾緊靠擺臂手上的夾指完成。換刀（dāo）係（xì）統動作順序為 NC 係統接收到換（huàn）刀指令後，PLC 輸出動作到 ATC 門、刀庫、ATC 單元、主軸等做出相應準（zhǔn）備：門打開、主軸移動到第二參考點或者（zhě）換刀點（diǎn）、主軸定向、刀庫備刀至換刀位、換刀氣（qì）缸將被選刀移至（zhì）主軸側、ATC 單元旋轉到換刀角度、主軸抓刀單元鬆開到位、ATC 單元自動移出並旋轉至主軸上完成主軸上刀具（jù）與待刀位刀具之間的交換、主軸（zhóu）抓刀單元夾緊到位、ATC 臂回到起點。

3、故障原（yuán）因分（fèn）析

確定了攻擊對象即換刀係統。統計了故（gù）障表現主要為換刀係（xì）統配件更換頻繁、產品尺寸超差、產品節拍拉長。針對出（chū）現的一個（gè）個問題，組織生產、設備、技術、人資工程師頭腦風暴，從（cóng）各部門專業角度，利用（yòng） 5 W1H、5 Why等工具從人（rén）、機、料、法、環 5 個方（fāng）麵分析根本原（yuán）因。不斷（duàn）的肯定再否定（dìng），經過幾次（cì）激烈的討論，總結出 4 個要因：

（1）換刀機構（gòu）問題（tí）。抓刀臂鎖刀用大拇指彈銷存在兩個問題：一（yī）是（shì）新采購（gòu）的大拇指彈簧鎖緊定位銷需鎖（suǒ）緊到位後配轉孔後固定，用虎鉗夾緊（jǐn）轉孔其（qí）孔徑尺寸和垂直度很難保（bǎo）證（zhèng）；我們經過（guò）測量，孔徑超差 0.015 mm，垂直度相差 15 度，此類問題很容易導致大拇指彈銷出現裂痕並折斷；彈銷折斷後夾指伸縮異常導致抓刀力異常，直接導致掉刀故障。第二經過驗證及排查，發現（xiàn）國產彈銷壽命隻有進（jìn）口彈銷壽命一半，基本（běn）一個月左右就出問題；同時發現彈銷斷裂是（shì）造成設備換刀時掉刀的主要原因（yīn）。

（2）主軸問題。主軸錐孔內部（bù）鋁泥堆積、磨損產（chǎn）生凹凸點導致刀（dāo）柄與主軸貼合不夠緊密，主軸拉力（一般 10 KN-22 KN）及精度（dù）（主（zhǔ）軸近端跳動（dòng） 0.003 mm，遠端（duān）跳動 0.008 mm（300 mm 範圍內）母線跳動 0.007 mm（300 mm 範（fàn）圍內））都合格，但是做出（chū）來的產品就是不合（hé）格；通過與主機廠及主軸維修公司（sī）溝通後利用振動檢測儀才發現主軸在 12000 轉 / 分鍾高速旋轉狀態下，主軸振動（dòng）數據異常。

（3）刀庫分析。刀具裝入刀套及待刀（dāo）位刀套主要靠彈性圓珠定位銷固定，長時間的使用以及不徹底的清理導致刀套內部鋁泥及汙垢（gòu）累積（jī），進而導致裝刀過程中的異常摩擦、磨損，傳導到（dào）圓珠定位銷導致一步步慢慢鬆動，如此反複惡性循環定位角（jiǎo）度逐（zhú）漸發生累積變化導致裝刀抓刀異常。刀具內冷管（guǎn）鬆動（dòng）原（yuán）因如上如出一轍，內冷管脫落與伸出（chū）拉杆鎖頭（tóu）造成幹涉導致刀具裝入不到（dào）位，表現出來的就是換刀異常。

（4）位置問題。由於原點開關位置變動或機械位置偏（piān）差導致（zhì）換刀側或（huò）主軸側位置變動引起換刀係統故障。換刀臂抓（zhuā）刀放入主軸瞬間嚴重的時候產生（shēng）刺耳的金屬敲擊聲（shēng），此時（shí）位置度偏差（chà）在 0.3mm 以上。嚴重的直接導致刀具掉（diào）落，安全風險極大。

4、改善方案實施並固化措施

（1）經過數據統計及破拆實驗探傷驗證，進口彈銷使（shǐ）用（yòng） 80 天左右就會出現裂痕。為保證彈銷的可（kě）靠；統一采購進口彈銷，彈銷納入一保範（fàn）疇，每使用 2.5 個月定期更換，更換的同時檢（jiǎn）查彈簧、夾指、頂杆銷磨（mó）損情況 ( 如有裂痕或磨損嚴重需要更換 ) 並（bìng）加注潤滑（huá）脂。

（2）為了解決彈簧鎖緊定位銷配轉孔位偏差和垂直（zhí）度問（wèn）題，經（jīng）過三次設計優化，兩次實物改造。設計（jì）製作了一個方形固定裝置，大拇指（zhǐ）裝入固定裝置後，尾部靠檔銷限位，到位（wèi）後靠頂部固定螺（luó）絲鎖緊，頭部靠平麵墊塊支撐。設計的轉孔位置直接（jiē）和彈銷定位（wèi）孔重合。經過改造後，孔徑都控製在要求的 Φ3±0.01mm 以內。

（3）為了（le）避免鋁泥以及髒汙堆積導致異常磨損發展到間隙偏差進而導致換刀係統故障。通過與操作人員、維修人員現場溝通，實際演練。從設備本（běn）身角度出發（fā），製作了一套主軸錐孔、刀套（tào）、刀套定位（wèi）銷（xiāo）、內冷（lěng）管點檢、清理操作指導書（shū）及點檢表。實施過程中操作工存在不理解、不執（zhí）行的抵觸情緒，經過我們拿數據講道理也一（yī）一得到化解（jiě）。經過覆蓋培訓，PDCA 全過程的跟蹤驗證，這類問題

也基本得到遏製。

（4）通過與廠家溝通我們目（mù）前換刀過程存在的問題，結合現場設備故障現象及我們已開展的一些措施。按照廠家建議，我們采購標準（zhǔn）的換刀臂與主軸配合校正工（gōng）具（三件套）。由於刀具（jù）和錐孔的磨損，以前采用刀具校正第二原點（diǎn）的方（fāng）法很難做到（dào）標準統一，位置適當。通過每三個月用專用校（xiào）驗工（gōng）具（三件套（tào））校驗主軸換刀原點（diǎn），可以及時發現問題快速調整處理。

（5）為了經濟高效的了解（jiě）主軸動態運動（dòng）情況（kuàng），我們與主軸維修年度合作供應（yīng）商（shāng）簽訂季度主軸維護保養內（nèi）容，每季度（dù）檢測一次設備主軸振動情況，有問題的及時處理（lǐ），有必要的（de）話重（chóng）新做動平衡實驗。

5、成果展示

通過 2018 年一年的改（gǎi）善（shàn）及 2019 年的持續（xù）改善，2019年同比 2018 年故障時間下降 65%，維修費下降 73.2%，設備 OEE 達到 86.7%。通過對換刀係統改善（shàn）不僅取得了經濟上的收益，還（hái）鍛煉了隊伍。對我們以往（wǎng）分析（xī）故障原（yuán）因，處理設備故障的思（sī）路、方法起到了很好的洗禮作用。也對機械製造、結構設計、加工精度的有機配合有了（le）重新（xīn）的認識。機（jī）械不再是冷冰冰的一疊（dié）圖紙、一堆鋼材（cái），它變的有溫度、有思想、有感情。讓我們設備人的工作變得有意（yì）義。

6、橫向拓展

檢查為總結成（chéng）功的經驗，通過（guò）總結（jié）提煉，匯報分享（xiǎng）。我們把我們這一年的工作總結為（wéi）所追求的（de）工匠精神，在工作中抓住（zhù）一個目標，不斷探索未知（zhī）、不斷精益求精，用勞動人民的汗水堆砌起屬於我們年輕一代工程師的標（biāo）簽。為企業創造價值，為事業添磚加（jiā）瓦。

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