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數控機床液壓（yā）鬆拉刀機構故障處理（lǐ）

2023-12-21 來源：昌河飛機工業（集團（tuán））有限（xiàn）責任（rèn）公司作者：錢飛，劉（liú）駿，胡輝

［摘要］隨著機床自（zì）動化程度越來越高，越來越多的采用自動換刀裝置。主軸鬆拉（lā）刀（dāo）機構是實現刀具（jù）在主軸上自動鬆開、夾緊（jǐn）的核心部（bù）件，其控製複（fù）雜、使用頻率（lǜ）高，因此主軸鬆拉刀機構故障是數控設備常（cháng）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（lù）、機械傳動等（děng）方麵，任何環節出現問題，主軸鬆拉刀動作都（dōu）無法（fǎ）正常運行，數（shù）控設備無（wú）法準確執行換刀動作 [1]。文章根據日常對數控設備（bèi）的維護保養經（jīng）驗，從鬆拉刀機構工作原理及典型維修案例入手，針對液壓控製方式主軸鬆拉刀機構使用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（gù）障的分析與處理（lǐ）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（shù）控機床是高精（jīng）度自動化（huà）設備，其中主軸鬆拉刀機構是（shì）機床的核（hé）心部件。機床主軸換刀過程（chéng）中需要鬆拉刀機構（gòu）實現刀具的鬆（sōng）開和夾（jiá）緊，同（tóng）樣，在切削加工時，為（wéi）防止刀具脫開（kāi）更需要鬆拉刀機構進行刀具（jù）的夾緊（jǐn）。主（zhǔ）軸鬆拉刀機構一般采用氣動或液壓控製方式，液壓控製方式（shì）結（jié）構（gòu）複雜（zá），故障率高，維修難度大。因此，文（wén）章針對液壓控製方式（shì）的主軸鬆拉刀係統結構展（zhǎn）開分析，總結典型故障的處理方法，為此類鬆拉刀機構日常保障和（hé）故障處理提（tí）供可靠的途徑方法，有效提升數控設備（bèi）運行過程中（zhōng）的（de）安（ān）全性及可靠性，縮短（duǎn）設備故障停機時間。

1、數控機床主軸鬆拉刀結構分析

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

圖1 鬆拉刀機構示意圖

具（jù）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，在碟簧彈力的（de）作用下，將頂杆向後推，並在（zài）頂杆後移動（dòng）的同時，拉爪（zhǎo）撐（chēng）開卡爪並卡住刀柄卡槽，此時將刀柄（bǐng）拉緊（其中拉緊力由碟簧產生），以此實現刀具的夾緊，可（kě）有效防（fáng）止（zhǐ）加工過程中突然斷電致使刀柄脫落。液壓係統執行端為一（yī）單作用活塞缸，該活塞缸活塞與頂（dǐng）杆後（hòu）端相接，鬆拉刀機構刀具放鬆時，油缸上腔（qiāng）進（jìn）油（yóu），油（yóu）缸靠近頂（dǐng）杆一側油腔接入回油（yóu），通過液壓（yā）係統施加壓力，油缸活（huó）塞將頂杆向前推，碟簧被壓縮，拉杆頂出，拉爪收縮，刀柄此時鬆開。其中，主軸鬆（sōng）拉刀機構為判（pàn）定其執（zhí）行動作是否到（dào）位，會在活塞杆上下移動（dòng）的極限（xiàn）位置布置感應開關，用來檢測刀具拉緊和鬆開狀態 [2]。

2、主軸鬆拉刀故障典型案例（lì）介紹

2.1 案例1

故障現象：一台五（wǔ）坐標立式加工中心，該設備在加（jiā）工（gōng）過程中，出（chū）現主軸（zhóu）無法鬆刀故障現象。

該主軸鬆拉刀機構通過液壓控製，屬（shǔ）於常見的液壓鬆拉刀結構：通過對該主軸液壓鬆拉刀結構（gòu）進行分析，發現主軸在換刀過程中，由於鬆拉刀機構長（zhǎng）時間頻繁動作，鬆拉刀機構的拉爪、拉杆、彈簧以及液壓控製係統（含液壓管路、電磁閥、活塞油缸、液壓泵等）出現磨損、劣化，從（cóng）而造成液壓（yā）鬆拉刀機構出現無法鬆刀的故障。可能原因有：①液壓油泵壓力不夠。②液壓閥、管路堵塞（sāi）。③液壓缸存在泄漏（lòu）引起鬆刀液壓壓力不穩（wěn）定（dìng）。④刀爪有異物導（dǎo）致刀爪無法完（wán）全鬆到位，導致卡刀。⑤刀爪伸出尺寸（cùn）超出範圍。⑥碟簧存在缺（quē）陷，導致偶發鬆刀過程中（zhōng），碟（dié）簧伸張不完（wán）全，引起刀爪伸（shēn）長值及拉力值（zhí）發生變化。為進一步確認故障產生的原因，采用以下方法進行逐一分析和（hé）排除。

（1）第一步。分析液壓控製部分：無（wú）法正常鬆拉刀可能是後端活塞缸壓力不足，導致活（huó）塞無法運動引起的。通過打開主（zhǔ）軸防護罩，檢查（chá）液壓管（guǎn）路、液壓控製閥以及（jí）液壓缸本體是否存在泄漏情況。發現液壓管路（lù）沒有破損、彎折，油缸無泄漏，基本排除因油液外漏（lòu）造成壓力不穩的原因。

（2）第二步。檢查（chá）油液壓力：測試送拉刀動作（zuò），發現主軸鬆刀狀態中，液壓油泵輸（shū）出壓力12MPa（主軸標準鬆刀壓力 14MPa），略小於標準值，初（chū）步懷疑是液壓閥阻塞所（suǒ）引起主軸鬆刀壓力過低。於是將液（yè）壓閥進行拆卸清洗，清除（chú）閥組（zǔ）內部異物。重新安裝後，主軸送拉刀壓（yā）力為14MPa，但仍然無動（dòng）作，基本排除是鬆拉刀機構液壓係統造（zào）成的問題。

（3）第三步。①檢查拉刀機構（gòu）機械結構，檢（jiǎn）查（chá）主軸拉（lā）爪，對主軸拉爪內異物進（jìn）行清理，防止鬆拉刀出現卡滯。②檢查測量刀爪伸長值和拉力值發現，刀爪伸長值為10.8mm，超出刀爪伸長值標準範圍10.5±0.1mm。因此對刀爪進行調整，調整後測量（liàng）刀爪伸（shēn）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2 拉刀力測試

通過對上述（shù）機械結構進行調整後，對主軸拉爪機構進行檢查試運行，經過多次（cì）換刀測試，主軸鬆拉刀正常（cháng），數控係統未（wèi）出現（xiàn）報警現象，故（gù）障排除，設備恢複正常。

2.2 案例2

故障現（xiàn）象：一台橋式龍門五坐標加工中心在加工過程中，其主軸裝置無法正（zhèng）常鬆拉刀，無（wú）法完成換（huàn）刀動（dòng）作，設備無法（fǎ）正（zhèng）常加工使用。

該（gāi）橋式龍門五坐標加工中心機床配置（zhì）的是（shì）電主軸，其鬆（sōng）拉刀（dāo）裝置采用液壓方式（shì）驅動、碟簧拉緊的控製方式，但與一般鬆拉刀結構不同的是其采用了（le）氣液增壓、蓄能器儲備（bèi）壓力的控製（zhì）方式，正常情況下（xià）由氣液增壓泵將壓力增加到（dào）需求（qiú）壓力，同時壓縮蓄能器進行壓力儲備。當鬆刀時，蓄能器中壓力輸出，通過控製電磁閥開啟，油液作用於主軸鬆刀油缸，將拉杆（gǎn）向前推，撐開拉爪，產生鬆刀動作。

當拉刀時，電磁閥關閉。而氣（qì）液增壓泵形成獨立的控製（zhì）係統，用於保持蓄能器壓力穩定，當壓力低於額定壓力時（shí），增壓泵工作將（jiāng）壓（yā）力補充到額（é）定壓力。氣液（yè）增壓泵工作原理類似於壓力增壓器，通（tōng）過壓縮空氣（qì）對橫截麵積較大的活（huó）塞施加一個很低的壓力，當此壓力作用於另一（yī）個小麵積活塞上時，會產（chǎn）生一個高壓。通過一個二位五通氣動換向閥換向（xiàng）工作，增壓泵能夠實現連續運（yùn）行。由單向閥控製的高壓柱塞不斷的將液體單向排（pái）出，增壓泵的出口壓力大小（xiǎo）與壓縮空氣驅（qū）動壓力有關。當驅動部（bù）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（yùn）行。當輸出壓力下降或壓（yā）縮空氣（qì）驅動壓力增加時，增（zēng）壓泵（bèng）會自（zì）動啟動（dòng）運行，直到（dào）再次達到壓（yā）力平衡後自動停止，同時（shí）采用單氣控非平衡氣體分配閥來實現泵的自動往複運動。

氣液增壓缸運行過程中分為3個行程階段，如圖3所示。

（1）預（yù）壓行程階段。P4進氣 P1排氣，增壓缸前軸下降，預壓完畢。

（2）增壓行程階段。P3進氣 P2排氣增壓缸活塞下降，進（jìn）行（háng）增壓。

（3）回程階段。P1/P2 進氣，增壓缸活塞前軸回位，此刻動作（zuò）完成。

圖3 氣液增壓缸動作原（yuán）理圖

氣液增壓缸則是（shì）將一油壓缸與增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；兩端大小不同截麵（miàn）麵積輸出不同壓力，其基（jī）本遵循帕斯卡能量（liàng）守衡原理，因為壓力不（bú）變，當受壓麵積由大（dà）變小時，則壓強也會變化，從而（ér）達到將氣壓（yā）提高數十倍的效果。

針對設備本次出現無法正常鬆拉刀的故障，通過對液（yè）壓控（kòng）製係統進行檢查，發現增壓泵無法產生壓力。將增壓泵進行拆卸分解，對部件逐一（yī）檢測、排查，發現主要原因是 P2 與 P3 腔體（tǐ）之間密封件出現磨損，導致（zhì）增壓過程中（zhōng），在 P3送（sòng）入（rù）壓縮空氣後，氣（qì）體出現泄漏，大（dà）部分壓力從 P2口泄壓，無法推動 D1活塞（sāi）運動，導致最終無法進行增壓。由於增壓過程沒有完成，壓力達不到係（xì）統所設定壓力，無法（fǎ）推動換向（xiàng）閥換向（xiàng），不能進入下一個（gè）動作（zuò），增壓缸一直（zhí）處於停止等待狀態（tài），導致回路無法建立係統壓力。針對此情況，將 D1活塞（sāi）的密封圈進行優化改進，根據腔體尺寸將密封圈作增厚處理，保證其能承（chéng）受更大的壓力。對安裝改進後的活塞密封（fēng）進（jìn）行（háng）泵的安裝測試（shì），經檢查並進行多次換刀測試，氣液（yè）增壓泵正（zhèng）常工作，液壓壓（yā）力表上顯示的液壓壓力值符合鬆拉刀額定壓力要求，且壓（yā）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號，說明液壓係統壓力達到正常範圍之內，且經過多次換刀試驗，設備均能工（gōng）作正（zhèng）常，說明（míng）該故障已（yǐ）完全（quán）排除，設備（bèi）恢複正常。

3、結束語

數控機床主軸鬆拉刀（dāo）機構屬於機床的關鍵部件（jiàn），其可靠和穩定（dìng）程度直接影響機床的加工效率及零件的加（jiā）工品質，但油液控製的鬆拉刀（dāo）機構具有複雜程度高、故障率高、可維修性差的特點，為機床（chuáng）的日常維護帶來了一（yī）定的（de）困難。對於設備維（wéi）護人（rén）員來說，需要熟悉其工作原理，同時需加強設備的日常保（bǎo）養，尤其是（shì）主軸（zhóu）鬆拉刀機構等（děng）核心部件保養工作，防止核心部件非正常磨損、劣（liè）化，維持（chí）核心部件的良好狀態，延長使用壽（shòu）命，保證核心部件的性能指標。

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