加工中心換刀系統故障與維修
2020-9-30 來源： 江西鈴格有色金屬加工有限公司 作者：王登亮，王超
摘要：主要介紹馬扎克 5000-II 型機床換刀系統的機械結構、工作原理、常見故障原因及問題處理措施。
關鍵詞：換刀系統；ATC；刀庫；主軸；內冷管
1、背景介紹
我們公司機加工廠成立于 2015 年初，機加設備維修班成立時間更短，維修人員平均年齡不到 29 歲，他們踏出校園大門懷揣著對生活的美好夢想一起組建了機加維修班，這過程工存在許多問題；換刀系統是加工中心生產加工過程中關鍵的環節，直接影響加工效率、質量、設備穩定性。公司現有 5000-II 型馬扎克加工中心 14 臺，主要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、降本增效要求不斷提供，目前設備狀態遠遠達不到使用及費用控制要求；統計 2018 年 1-12 月換刀系統故障平均 595 min/ 月，18 年發生的維修費用合計約 18.62 萬。為降低設備故障率、減少設備維修費用、提高生產效率。18 年上半年我們成立攻堅改善小組針對整個換刀系統故障進行統計、分析，從 A 矩陣的損失分類統計到 B 矩陣的因果關系分類到 C 矩陣的貨幣化轉化，把故障轉化為實實在在的費用損失，選定攻擊對象，有的放矢。
2、工作原理簡述
換刀系統包含刀庫、刀庫門、換刀機構、主軸等系統；各個系統精準的配合最終完成一次完美的換刀動作，換刀機構是其中重要組成部分。換刀機構由電機驅動凸輪，其中弧面凸輪通過控制機械手上軸承來控制機械手的轉動；平面凸輪通過連桿機構控制機械手的伸縮與收回。而換刀機構上刀具的夾緊靠擺臂手上的夾指完成。換刀系統動作順序為 NC 系統接收到換刀指令后，PLC 輸 出 動 作 到 ATC 門、 刀 庫、ATC 單 元、 主 軸 等 做 出相應準備：門打開、主軸移動到第二參考點或者換刀點、主軸定向、刀庫備刀至換刀位、換刀氣缸將被選刀移至主軸側、ATC 單元旋轉到換刀角度、主軸抓刀單元松開到位、ATC 單元自動移出并旋轉至主軸上完成主軸上刀具與待刀位刀具之間的交換、主軸抓刀單元夾緊到位、ATC 臂回到起點。
3、故障原因分析
確定了攻擊對象即換刀系統。統計了故障表現主要為換刀系統配件更換頻繁、產品尺寸超差、產品節拍拉長。針對出現的一個個問題，組織生產、設備、技術、人資工程師頭腦風暴，從各部門專業角度，利用 5 W1H、5 Why等工具從人、機、料、法、環 5 個方面分析根本原因。不斷的肯定再否定，經過幾次激烈的討論，總結出 4 個要因：
（1）換刀機構問題。抓刀臂鎖刀用大拇指彈銷存在兩個問題：一是新采購的大拇指彈簧鎖緊定位銷需鎖緊到位后配轉孔后固定，用虎鉗夾緊轉孔其孔徑尺寸和垂直度很難保證；我們經過測量，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并折斷；彈銷折斷后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，發現國產彈銷壽命只有進口彈銷壽命一半，基本一個月左右就出問題；同時發現彈銷斷裂是造成設備換刀時掉刀的主要原因。
（2）主軸問題。主軸錐孔內部鋁泥堆積、磨損產生凹凸點導致刀柄與主軸貼合不夠緊密，主軸拉力（一般 10 KN-22 KN）及精度（主軸近端跳動 0.003 mm，遠端跳動 0.008 mm（300 mm 范圍內）母線跳動 0.007 mm（300 mm 范圍內））都合格，但是做出來的產品就是不合格；通過與主機廠及主軸維修公司溝通后利用振動檢測儀才發現主軸在 12000 轉 / 分鐘高速旋轉狀態下，主軸振動數據異常。
（3）刀庫分析。刀具裝入刀套及待刀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污垢累積，進而導致裝刀過程中的異常摩擦、磨損，傳導到圓珠定位銷導致一步步慢慢松動，如此反復惡性循環定位角度逐漸發生累積變化導致裝刀抓刀異常。刀具內冷管松動原因如上如出一轍，內冷管脫落與伸出拉桿鎖頭造成干涉導致刀具裝入不到位，表現出來的就是換刀異常。
（4）位置問題。由于原點開關位置變動或機械位置偏差導致換刀側或主軸側位置變動引起換刀系統故障。換刀臂抓刀放入主軸瞬間嚴重的時候產生刺耳的金屬敲擊聲，此時位置度偏差在 0.3mm 以上。嚴重的直接導致刀具掉落，安全風險極大。
4、改善方案實施并固化措施
（1）經過數據統計及破拆實驗探傷驗證，進口彈銷使用 80 天左右就會出現裂痕。為保證彈銷的可靠；統一采購進口彈銷，彈銷納入一保范疇，每使用 2.5 個月定期更換，更換的同時檢查彈簧、夾指、頂桿銷磨損情況 ( 如有裂痕或磨損嚴重需要更換 ) 并加注潤滑脂。
（2）為了解決彈簧鎖緊定位銷配轉孔位偏差和垂直度問題，經過三次設計優化，兩次實物改造。設計制作了一個方形固定裝置，大拇指裝入固定裝置后，尾部靠檔銷限位，到位后靠頂部固定螺絲鎖緊，頭部靠平面墊塊支撐。設計的轉孔位置直接和彈銷定位孔重合。經過改造后，孔徑都控制在要求的 Φ3±0.01mm 以內。
（3）為了避免鋁泥以及臟污堆積導致異常磨損發展到間隙偏差進而導致換刀系統故障。通過與操作人員、維修人員現場溝通，實際演練。從設備本身角度出發，制作了一套主軸錐孔、刀套、刀套定位銷、內冷管點檢、清理操作指導書及點檢表。實施過程中操作工存在不理解、不執行的抵觸情緒，經過我們拿數據講道理也一一得到化解。經過覆蓋培訓，PDCA 全過程的跟蹤驗證，這類問題
也基本得到遏制。
（4）通過與廠家溝通我們目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，我們采購標準的換刀臂與主軸配合校正工具（三件套）。由于刀具和錐孔的磨損，以前采用刀具校正第二原點的方法很難做到標準統一，位置適當。通過每三個月用專用校驗工具（三件套）校驗主軸換刀原點，可以及時發現問題快速調整處理。
（5）為了經濟高效的了解主軸動態運動情況，我們與主軸維修年度合作供應商簽訂季度主軸維護保養內容，每季度檢測一次設備主軸振動情況，有問題的及時處理，有必要的話重新做動平衡實驗。
5、成果展示
通過 2018 年一年的改善及 2019 年的持續改善，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%。通過對換刀系統改善不僅取得了經濟上的收益，還鍛煉了隊伍。對我們以往分析故障原因，處理設備故障的思路、方法起到了很好的洗禮作用。也對機械制造、結構設計、加工精度的有機配合有了重新的認識。機械不再是冷冰冰的一疊圖紙、一堆鋼材，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義。
6、橫向拓展
檢查為總結成功的經驗，通過總結提煉，匯報分享。我們把我們這一年的工作總結為所追求的工匠精神，在工作中抓住一個目標，不斷探索未知、不斷精益求精，用勞動人民的汗水堆砌起屬于我們年輕一代工程師的標簽。為企業創造價值，為事業添磚加瓦。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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