千 登 閆秦川 趙亮亮

(西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100)

數(shù)控刀塔作為數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵一環(huán)，其精度將對(duì)工件質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響。德國(guó)SAUTER公司生產(chǎn)的數(shù)控刀塔以其穩(wěn)定的工作精度廣泛應(yīng)用于世界各大機(jī)床品牌，而其刀塔工作原理和結(jié)構(gòu)同其他品牌相比，也有著很多特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這就增大了機(jī)床維修人員工作難度。為此維修前對(duì)故障刀塔的結(jié)構(gòu)和工作原理應(yīng)有深入了解，才能有效解決故障。

數(shù)控刀塔所出現(xiàn)的機(jī)械故障主要包括刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)卡死、刀位定位精度超差、主軸軸線與刀座孔軸線同軸度超差等。排除人為原因外，很大原因在于傳動(dòng)環(huán)節(jié)存在間隙，故障解決的實(shí)質(zhì)就是間隙的排除過(guò)程。在此以3種不同類(lèi)型SAUTER數(shù)控刀塔維修實(shí)例加以說(shuō)明。

1 德國(guó)TNE-6數(shù)控車(chē)削加工中心刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)卡死故障

1.1 概述

TNE-6數(shù)控車(chē)削加工中心為德國(guó)進(jìn)口機(jī)床，在近十多年的使用中各項(xiàng)精度保持一直較為良好，日前該機(jī)床轉(zhuǎn)塔刀盤(pán)在換刀過(guò)程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)卡死現(xiàn)象，刀塔外觀如圖1所示。

在此首先對(duì)刀塔工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，這也是解決所有故障的基礎(chǔ)。由圖2所示，該刀塔在換刀過(guò)程中，液壓缸1動(dòng)作推動(dòng)刀盤(pán)鼠牙盤(pán)11與固定鼠牙盤(pán)14脫開(kāi)，液壓缸起始位置由檢測(cè)開(kāi)關(guān)控制，由于Z字定位塊9一端掛在刀盤(pán)鼠牙盤(pán)(如圖3所示)，所以Z字定位塊也在定位銷(xiāo)上向左移動(dòng)；液壓缸到達(dá)位置后，Z字定位塊也剛好落入齒輪盤(pán)卡槽12和刀盤(pán)10卡槽內(nèi)(如圖4所示)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶3、齒輪7傳動(dòng)使齒輪盤(pán)13轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)過(guò)Z字定位塊將動(dòng)力傳遞給刀盤(pán)；電動(dòng)機(jī)后面編碼器可以識(shí)別刀位信號(hào)，到達(dá)設(shè)定刀位后，液壓缸縮回Z字定位塊右移，回歸初始位置鼠牙盤(pán)鎖死，換刀結(jié)束。

1.2 故障樹(shù)分析

在對(duì)上述刀塔工作結(jié)構(gòu)及原理分析基礎(chǔ)上，為提高排故效率，結(jié)合故障實(shí)際情況全面考慮造成該故障的原因，在此列出該刀塔卡死故障樹(shù)，如圖5。

通過(guò)故障樹(shù)可以看出，刀塔在換刀中出現(xiàn)卡死故障，分為電器原因和機(jī)械原因。

在電器原因方面，首先編碼器是刀塔到位的檢測(cè)元器件，如果編碼器松動(dòng)或零點(diǎn)位置改變都有可能造成刀塔不能到位，進(jìn)而Z字定位塊不能落入齒輪盤(pán)卡槽內(nèi)，即出現(xiàn)卡死；其次液壓缸的位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)，只有液壓缸位置到位后，刀盤(pán)鼠牙盤(pán)才能與固定鼠牙盤(pán)脫開(kāi)，刀塔才能轉(zhuǎn)動(dòng)，如果不能完全脫開(kāi)，卡死現(xiàn)象也顯而易見(jiàn)。

在機(jī)械原因方面，液壓缸出現(xiàn)故障，造成刀盤(pán)鼠牙盤(pán)與固定鼠牙盤(pán)不能脫開(kāi)；刀塔內(nèi)部機(jī)械零部件損壞，例如Z字定位塊、鼠牙盤(pán)等；刀塔安裝刀具重量不平衡，刀具安裝過(guò)于集中刀塔一側(cè)，在換刀過(guò)程中刀塔沉重一端會(huì)少許下沉，造成不能準(zhǔn)確到位；傳動(dòng)鏈中存在間隙，電動(dòng)機(jī)與皮帶輪之間，齒輪與齒輪盤(pán)之間，雖然系統(tǒng)指令準(zhǔn)確，可是由于間隙存在，刀塔也不能準(zhǔn)確到位。

根據(jù)上述故障綜合分析，結(jié)合本次故障實(shí)際情況，隨即對(duì)刀塔拆分，檢查各個(gè)零部件，Z字定位塊、鼠牙盤(pán)都完好；進(jìn)而檢測(cè)編碼器、液壓缸接近開(kāi)關(guān)有無(wú)松動(dòng)，并對(duì)其自身狀態(tài)、傳輸信號(hào)進(jìn)行檢查都處于正常狀態(tài)；刀塔所安裝刀具也無(wú)偏心現(xiàn)象。在完成上述檢測(cè)一切正常后，重點(diǎn)落到傳動(dòng)鏈間隙上，只要該傳動(dòng)鏈的間隙之和大于Z字定位塊落入齒輪盤(pán)卡槽的間隙就會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

1.3 故障排除

針對(duì)傳動(dòng)鏈間隙，首先從傳動(dòng)鏈起始端電動(dòng)機(jī)排查，檢查電動(dòng)機(jī)與傳遞軸之間皮帶松緊程度，從新調(diào)整至合適狀態(tài)，故障同樣存在；其次傳遞軸前后軸承，當(dāng)此軸承出現(xiàn)疲勞損壞其自身徑向跳動(dòng)就會(huì)增大，進(jìn)而兩齒輪嚙合時(shí)傳動(dòng)間隙增大，這將直接對(duì)換刀位置產(chǎn)生重要影響，使得Z字定位塊不能落入齒輪盤(pán)卡槽內(nèi)，出現(xiàn)刀盤(pán)卡死現(xiàn)象；后續(xù)更換同型號(hào)軸承故障得到消除。

2 德國(guó)SPINNER精密數(shù)控車(chē)加工中心刀塔定位超差

2.1 概述

德國(guó)SPINNER精密數(shù)控車(chē)刀塔安裝徑向動(dòng)力刀座(外觀如圖6所示)，可以在主軸分度的情況下對(duì)薄壁棒料進(jìn)行徑向孔加工。日前加工薄壁棒料8個(gè)均布徑向孔，首先使用1號(hào)刀位中心鉆定位，再使用2號(hào)刀位鉆頭打孔，在加工完8個(gè)均布徑向孔時(shí)，發(fā)現(xiàn)同一個(gè)孔的兩次加工存在位置偏差，最大偏差近1 mm且8個(gè)孔均布相對(duì)位置也存在偏差。排除主軸分度故障后，對(duì)刀塔各基準(zhǔn)面與X軸平行度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 刀塔12個(gè)基準(zhǔn)面與X軸平行度檢測(cè)結(jié)果

刀號(hào)檢測(cè)值/mm刀號(hào)檢測(cè)值/mm10.08570.0420.0280.0230.0690.0740.04100.0350.06110.0860.02120.05

從表1可以看出各基準(zhǔn)面與X軸平行度各不相同，重新調(diào)整2號(hào)刀位基準(zhǔn)面與X軸平行度在0.01 mm之內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)刀塔多次檢測(cè)該基準(zhǔn)面與X軸平行度，每次檢測(cè)結(jié)果存在差異最大偏差0.05 mm，對(duì)其他刀位基準(zhǔn)面也進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果基本與表1相同。依據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以得出刀位重復(fù)定位精度超差，使用不同刀位加工出現(xiàn)不同的定位基準(zhǔn)，是造成工件超差的原因。

2.2 故障分析與解決

該刀塔同其他刀塔結(jié)構(gòu)類(lèi)似也是液壓提供動(dòng)力源，推動(dòng)鼠牙盤(pán)動(dòng)齒盤(pán)與定齒盤(pán)嚙合，最終準(zhǔn)確鎖緊定位。刀位重復(fù)定位精度超差原因即刀塔換刀動(dòng)作完成鎖緊定位時(shí)，鼠牙盤(pán)動(dòng)齒盤(pán)與定齒盤(pán)嚙合有間隙。產(chǎn)生這種間隙的原因，一是因?yàn)橐簤簤毫Σ蛔?；二是因?yàn)橐簤河瓦^(guò)臟，動(dòng)齒盤(pán)與定齒盤(pán)之間有污物；三是鼠牙盤(pán)自身磨損；四是動(dòng)齒盤(pán)與定齒盤(pán)有錯(cuò)位存在裝配間隙。

針對(duì)上述分析原因檢查液壓壓力滿足3 MPa要求，并更換液壓油清洗液壓油箱，故障現(xiàn)象依舊存在。決定對(duì)刀塔拆除分解，刀塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

刀塔得到換刀指令，液壓油進(jìn)入鼠牙盤(pán)動(dòng)齒盤(pán)10左側(cè)推動(dòng)動(dòng)齒盤(pán)與定齒盤(pán)3、12分開(kāi)，刀盤(pán)1得到放松，電動(dòng)機(jī)輸入動(dòng)力通過(guò)齒輪5、6傳動(dòng)使刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，在到達(dá)指定刀位后，液壓油推動(dòng)動(dòng)齒盤(pán)10向左移動(dòng)與定齒盤(pán)3、12咬合，鎖緊刀盤(pán)完成換刀動(dòng)作。而動(dòng)力頭傳動(dòng)與刀盤(pán)電動(dòng)機(jī)為同一電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)前端齒輪傳動(dòng)，傳遞給動(dòng)力頭傳動(dòng)桿7帶動(dòng)錐齒輪副2，傳遞給動(dòng)力頭刀座。

在對(duì)刀塔的結(jié)構(gòu)和工作原理了解之后，進(jìn)行分解刀塔工作，首先摘除各個(gè)信號(hào)線；其次放松刀盤(pán)一周螺釘13將刀盤(pán)取下；再次拆除刀塔后蓋板、錐齒輪副2和動(dòng)力頭螺釘15，將動(dòng)力頭傳動(dòng)部分從后端拿出；最后放松鼠牙盤(pán)鎖緊螺釘11、14，將各鼠牙盤(pán)和傳動(dòng)大齒輪取出。

清洗各個(gè)零部件，對(duì)各拆除部件狀態(tài)進(jìn)行檢查，重點(diǎn)檢查鼠牙盤(pán)3、10、12與滾針軸承8，該滾針軸承對(duì)大齒輪6的徑向和軸向都進(jìn)行約束定位，對(duì)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)精度保證起到到關(guān)鍵作用。后經(jīng)檢查后并未發(fā)現(xiàn)異常損壞部件，至此故障原因可斷定為由于刀塔長(zhǎng)時(shí)間使用，動(dòng)齒盤(pán)有一個(gè)微量的圓周旋轉(zhuǎn)，造成在與定齒盤(pán)咬合時(shí)存在錯(cuò)位現(xiàn)象。

得出故障原因后，恢復(fù)拆除部件對(duì)刀塔重新裝配。為解決動(dòng)齒盤(pán)與靜齒盤(pán)錯(cuò)位問(wèn)題，在裝配時(shí)一定要將兩齒盤(pán)處于完全咬合狀態(tài)，從源頭上消除裝配間隙。待裝配完成后，調(diào)整刀盤(pán)基準(zhǔn)面與X軸平行度在0.01 mm之內(nèi)，重新試車(chē)故障消除。

3 臺(tái)灣YSL-35數(shù)控車(chē)床主軸軸線與刀座孔軸線同軸度超差

3.1 概述

臺(tái)灣YSL-35數(shù)控車(chē)床刀塔帶有軸向動(dòng)力刀座(外觀如圖8所示)，可以用于工件中心孔的加工。日前在加工中出現(xiàn)主軸中心與孔中心不同軸現(xiàn)象，超差約0.08 mm。后續(xù)對(duì)主軸軸線與刀塔動(dòng)力頭軸線同軸度進(jìn)行檢測(cè)為0.10 mm，按照機(jī)床出廠標(biāo)準(zhǔn)該項(xiàng)精度應(yīng)為0.03 mm，精度示意如圖9a所示，故判斷該精度超差是引起中心孔超差的原因。

對(duì)于主軸軸線與動(dòng)力刀座孔軸線同軸度的調(diào)整相比于普通刀座的調(diào)整增加了一定的難度。在普通刀座調(diào)整中該精度只需將刀盤(pán)一圈的緊固螺釘放松，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)并檢測(cè)徑向車(chē)刀座基準(zhǔn)面與X軸平行度，如圖9b所示，調(diào)整至0.01 mm之內(nèi)，再將螺釘緊固即可，這是因?yàn)樵诘端圃熘袕较蜍?chē)刀座中心線與刀座孔軸線是相交的，只要保證了該平行度就能夠保證主軸軸線與刀座孔軸線同軸度。而此刀塔中存在兩點(diǎn)難度：一是刀盤(pán)一周的緊固螺釘在動(dòng)力頭心軸下方，放松刀盤(pán)緊固螺釘前需先將動(dòng)力頭心軸拆卸；二是動(dòng)力刀頭有定位位置，恢復(fù)時(shí)必須重新調(diào)整定位位置，才能保證動(dòng)力刀頭的正常使用。

3.2 故障排除

在分析完該故障后，隨即對(duì)刀塔此項(xiàng)精度進(jìn)行調(diào)整。首先將動(dòng)力刀頭電動(dòng)機(jī)拆除取出聯(lián)軸器，將刀塔本體左側(cè)塞頭螺釘拆卸，如圖10所示，該螺釘是用來(lái)鎖緊動(dòng)力頭心軸的，為后續(xù)拆卸動(dòng)力頭心軸做準(zhǔn)備。

其次拆卸刀盤(pán)前段端蓋，將動(dòng)力心軸齒輪盤(pán)的16個(gè)螺釘拆除，從后敲擊將動(dòng)力心軸取出，如圖11所示。此刻即可看見(jiàn)鎖緊刀盤(pán)的21個(gè)螺釘，如圖12所示，放松21個(gè)螺釘，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)并檢測(cè)刀盤(pán)基準(zhǔn)面與X軸平行度，調(diào)整至0.01 mm之內(nèi)，鎖緊21個(gè)螺釘。

按照上述拆除步驟恢復(fù)各個(gè)拆除部件，在安裝動(dòng)力心軸齒輪盤(pán)鎖緊16個(gè)螺釘后，需將動(dòng)力心軸齒輪盤(pán)上的兩個(gè)凹槽(如圖13所示)的連線與X軸平行度調(diào)整在0.01 mm之內(nèi)，此調(diào)整是為了將動(dòng)力心軸齒輪盤(pán)上動(dòng)力頭與刀盤(pán)上刀孔保證同軸。調(diào)整結(jié)束后再鎖緊刀塔本體左側(cè)塞頭螺釘。

在恢復(fù)各個(gè)拆卸部件之后為保證動(dòng)力頭的正常使用，動(dòng)力頭凸頭(如圖14所示)的定位位置必須處于12點(diǎn)位置，因?yàn)閯?dòng)力刀座上凹槽是12點(diǎn)位置，這樣才能順利無(wú)阻礙地插入進(jìn)去。該機(jī)床系統(tǒng)為FANUC 0iTD，系統(tǒng)參數(shù)4077控制動(dòng)力頭的定位位置，隨即調(diào)整參數(shù)4077觀察動(dòng)力頭位置，直至處于12點(diǎn)方向。重新加工工件，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)精度合格。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控刀塔故障是數(shù)控車(chē)床故障中常見(jiàn)的一類(lèi)，在日常維修中不管是SAUTER刀塔還是其他品牌刀塔，都要在維修前清楚各自的結(jié)構(gòu)及工作原理，同時(shí)也要理解刀塔和機(jī)床幾何精度的聯(lián)系，綜合考慮問(wèn)題。刀塔機(jī)械故障的發(fā)生很大原因可歸咎于“間隙”，實(shí)例一和實(shí)例二中都是因?yàn)閭鲃?dòng)系統(tǒng)存在間隙導(dǎo)致了故障的出現(xiàn)，而實(shí)例三幾何精度超差也是“間隙”的偏離，因此故障的解決就是尋找“間隙”由來(lái)的過(guò)程，這里可以使用故障樹(shù)法等，逐一對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行排查直至故障得到解決，提高排故效率，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

[1]袁衛(wèi)華，千登.基于故障樹(shù)的轉(zhuǎn)塔刀塔典型故障排除[J].設(shè)備管理與維修，2015(8)：36-37.

[2]李保國(guó)，李玉恩.機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量與檢驗(yàn)手冊(cè)，金屬切削機(jī)床卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.