落地銑鏜床換刀機構故障分析及解決措施
2023-4-4 來源：海申機電總廠 作者：王佳燕 李 峰 鄧利偉
摘要：主要介紹了落地銑鏜床在對離心機進行機加工過程中換刀機構的常見故障及原因，并提出行之有效的解決方案。通過方案的有效實施，極大地減少了落地銑鏜床的故障停機時間，確保了離心機的正常交付使用。
關鍵詞： 換刀機構 原因分析 解決措施
近年來，LW 系列臥螺式離心機應用范圍不斷擴大，市場需求量不斷增加，對于生產進度、產量的要求不斷提升，因此，需要保證離心機生產各工序正常有序開展，這對每道工序的操作人員及設備完好性提出了更高的要求。機械加工在離心機生產中不可或缺，而在機械加工中，其中關鍵工序所涉及的重大精密關鍵設備落地銑鏜床扮演著重要角色。[1-5]某廠目前使用的 TP6113 落地銑鏜床于 2005 年安裝
完成并投入生產，經過多年的頻繁使用，設備各個機構故障頻發，故障停機時間日益增多，對離心機整體生產進度和正常交付造成了影響。
1、設備概況
某廠 TP6113 落地銑鏜床由齊齊哈爾二機床（集團） 有限責任公司（原齊齊哈爾第二機床廠）出廠，其鏜軸直徑為 160 mm, 主軸箱垂直行程 6 000mm，立柱橫向行程可達 15 000 mm，主電動機功率為120 kW，機床重量約為 350 t，2005 年安裝完成并投產使用，已運行近 17 年。
2、設備運行情況
該設備有足夠的強度和剛性，能滿足大切削量的銑削與鏜削要求：具有 X，Y ，Z，W4 個進給，X，Y方向進給均有數字顯示及夾緊裝置。該設備性能優良，工藝范圍廣泛，精度及生產效率較高，通過配合旋轉平臺一次裝夾可完成鉆孔 、擴孔 、鏜孔 、切溝槽以及平面等繁雜加工面。
通過對近一年來落地銑鏜床的故障以及故障時間進行統計分析，發現落地銑鏜床停機的故障主要集中在 3 個方面，分別是換刀機構故障、液壓機構故障、電器機構故障。對具體故障停機時間進行分層統計，具體如表 1 所示。由表 1 可以看出，換刀機構故障對落地銑鏜床的正常運行影響較大。
表 1 故障停機時間分布
3、換刀機構故障原因分析
對落地銑鏜床換刀機構故障特征的研究發現，主軸銑刀拉桿機構最容易出現拉刀桿折斷、彈簧底座斷裂、拉刀桿緊刀螺紋滑絲等故障。在故障現象分析過程中，可以明顯發現換刀機構部位的損壞均為過載造成的機械損壞。運行中的換刀機構，換刀盤和松緊盤出現了不同程度的反轉，即按下換刀按鈕時有不同程度的松緊動作，且二者之間的運行方向正好相反，因此產生了兩個相反的作用力。在反向力的長期作用下，自然出現了刀桿折斷、彈簧底座斷裂、拉刀桿緊刀螺紋滑絲等現象。
針對這個根源，對該臺落地銑鏜床各個系統進行了檢查，并對可能的原因進行了模擬分析。
3.1 操作錯誤
根據設備操作說明書中操作步驟與操作者的行為對比，發現操作者每次均正確操作，且設備各護鎖指令周密，從根源上杜絕了誤操作現象。然而實際工作中發現，即使未同時啟動換刀按鈕和緊刀按鈕，仍然會出現換刀盤和松緊盤不同程度的反轉現象。因此，排除了操作錯誤導致的換刀機構故障。
3.2 接線異常
通常，接線異常會對設備各個部件正常動作有一定影響。通過對落地銑鏜床各點位的接線情況進行詳盡檢查，確認各處接線均完好，未出現接線錯誤或松動脫離現象。因此，排除了接線異常導致的換刀機構故障。
3.3 程序未關聯
通過啟動換刀開關對落地銑鏜床的原有可編程邏輯控制器（PLC）控制系統程序進行分析，發現原有的主軸轉動程序和松緊刀程序雖然各自獨立，但是依然出現二者均運行的現象，程序的獨立不足以保證動作的分離。可見，獨立的換刀機構程序和松緊刀程序在一定程度上影響了換刀機構故障。
3.4 工頻控制
目前使用的落地銑鏜床為工頻控制，當按下各個按鈕時均為高速啟動運轉，使得啟動過程中的正向扭矩和反向扭矩增大，長期作用導致強度極限斷崖式下降，影響換刀機構各部件的使用壽命。由此可見，工頻控制在一定程度上影響了換刀機構故障。通過上述分析，確定了兩項影響因素，即 PLC系統程序存在一定不足和使用工頻控制。
4、換刀機構故障解決措施
針對 PLC 系統程序存在的不足以及使用工頻控制，經過討論分析，主要采取了兩項措施。
4.1 增加 PLC 控制系統程序互鎖
對原來的 PLC 控制系統程序進行拷貝并備份，對原來的換刀電機控制程序和主軸控制程序進行了改進，將二者設置了互鎖。 通過修改，實現換刀電機動作時主軸不會動作，主軸動作時換刀電機不會動作，二者之間形成互鎖。
4.2 增設變頻控制
在原有電器主控制箱安裝了變頻器以及變頻 /工頻控制轉換開關，對變頻 / 工頻控制轉換開關線路、變頻器線路、主機線路等進行檢查，梳理連接，使目前使用的落地銑鏜床增加了變頻控制。
換刀電機工、變頻切換工作原理如下。
變頻控制：旋轉開關 SA1 打到變頻的位置，K1繼電器吸合，隨即控制 KM1，KM2 接觸器吸合，變頻器控制回路形成通路，KM4，KM5 接觸器的常開觸點控制變頻器的正反轉，實現松、緊刀的目的。
工頻控制：旋轉開關 SA1 打到工頻的位置，K2繼電器吸合，隨即控制 KM3 接觸器吸合，工頻控制回路形成通路，KM4，KM5 接觸器控制換刀電機的正反轉。
K1 與 K2 繼電器互鎖，實現 KM1，KM2 與 KM3接觸器互鎖，所以無論任何情況下只存在一種控制模式。
5、改進后的效果
5.1 消除換刀盤和松緊盤正反轉的現象
措施采取前，換刀電機控制程序和主軸控制程序相互獨立，當出現線路松動等情況時，可能出現換刀時緊刀，即換刀機構正反轉現象。增加了 PLC 控制系統程序互鎖后，實現了換刀電機動作時主軸不動作、主軸動作時換刀電機不動作，二者之間形成互鎖，有效消除了換刀機構換刀盤和松緊盤正反轉的現象。
5.2 減少設備損耗
分別增加了變頻器和變頻器旋鈕開關，作業時可以采取變頻控制的方式，改變供電頻率,調整主軸轉速，實現負載調節，從而減少換刀機構各部件的損耗和故障。
5.3 減少故障停機時間
通過消除換刀盤和松緊盤正反轉現象，在很大程度上減少了拉刀桿折斷、彈簧底座斷裂、拉刀桿緊刀螺紋滑絲的故障現象，進一步降低了設備損耗，從整體上減少了落地銑鏜床的故障停機時間。
5.4 排除潛在事故隱患
措施采取之前，原來緊刀過程出現的刀盤正反轉會同時帶動夾緊的工件轉動，存在潛在機械傷害。通過改進，解決了緊刀過程刀盤正反轉的問題，排除了事故隱患，降低了安全風險，提高了設備運行過程中的安全系數。
5.5 降低維修成本、提升生產進度
措施采取后，對換刀機構故障進行了徹底排除，減少了落地銑鏜床的修理次數，降低了維修成本、提升了生產進度。根據型號不同，落地銑鏜床加工一臺離心機的時間在 4~32 臺時之間，改進后，總的故障時間預計能縮短 60 臺時左右，理論上可以多加工機器 2~15 臺，為離心機的提產提供了有利條件。
6、結語
對落地銑鏜床在對離心機進行機加工過程中換刀機構常見故障的原因分析、解決方案的有效實施，以及在離心機加工中的實踐應用，極大地減少了落地銑鏜床的故障停機時間，確保了離心機的正常交付使用。
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