浅谈数控车四方刀架拆装维保措施
2020-12-1 来源： 连云港工贸高等职业技术学校 作者：金玉
摘要：四方刀架在数控车床中是最常用的换刀装置，各种不同用途的刀具均可安装在刀架上通过刀架旋转、定位和分度，在经济型数控车床上实现精确换刀。由于该种刀架在企业中应用广泛，刀架的拆装维保很重要。本文针对数控车四方刀架拆装维保中遇到的部分问题进行了分析整理。
关键词：自动换刀装置；霍尔元件；装配
回转刀架在数控车床中是比较典型的换刀装置，常用的类型有六角刀架、四方刀架，即在刀架上可以装有四把或更多刀具。回转刀架根据刀架回转轴与安装地面的相对位置分为卧式刀架和立式刀架两种，其中立式刀架回转轴是垂直于机床主轴，多用在经济型数控车床中，以径向装刀为主；卧式刀架回转轴是平行于数控车床主轴，可以在径向与轴向安装刀具。四方刀架有四个刀位可供安装刀具，四方刀架每当刀具转过 90 度时，刀架变换一个刀位，但四方刀架回转及刀位定为选择是由数控系统指令控制实现。数控车床刀架动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧。主要组成有：电动机；涡轮轴；联轴器；刀架底座；蜗轮丝杠；粗定位盘；球头销；刀架体；转位套；发信体；检测体座；粗定位销；检测体；螺母。
当数控系统执行换刀指令时，刀架电动机通电启动正转，通过平键套筒联轴器驱动蜗杆轴进行转动，带动蜗轮丝杠跟随旋转。与涡轮丝杠配合零件是具有内螺纹的刀架体内孔，与涡轮丝杠进行螺纹旋合配合。刀架中心轴外圆与蜗轮丝杠组成滑动配合，在刀架旋转选刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠围绕中心轴旋转。当涡轮进行旋转时，由于刀架体上的端面齿和刀架底座处于啮合状态，而且涡轮丝杠在轴向固定不动，刀架体随着螺旋运动向上抬起。当刀架体抬至相应距离后，端面齿相继脱开。蜗轮丝杠与转位套采用销钉连接，随蜗轮丝杠转动，当端面齿完全脱开后，转位套正好在水平面内转过一定角度，在弹簧弹力作用下将球头销推入转位套槽中，带动刀架体跟随旋转。检测体跟随刀架体转动同时转动，当程序指定的刀位信号转到位时，在弹簧弹力的作用下将定位销推入粗定位盘中进行粗定位，同时铁磁检测体触发霍尔传感器导通，数控系统得到信号后改变电动机通电相序反转，由于定位销与粗定位槽的作用，刀架体不能反向转动，使其在位置上螺旋落下，从而使刀架体和刀架底座上的端面齿啮合，实现刀架精确定位。电动机继续反转锁紧刀具，随着锁紧力的增大，电动机转矩在不断增大，达到一定值时，传感器发出控制信号，数控系统接收到信号后控制电动机停止转动。刀架译码装置由检测体、发信盘组成，发信盘负责发处刀位信号，检测体负责位置刀架实际转动判断。
1 、刀架拆卸
（1）在刀架正常情况下刀架是锁紧状态，因此要先松开刀架。用一字螺丝刀拆开与电机相对面的闷头螺母，并将内六角扳手通过闷头孔插入丝杠端部内六角槽内，将扳手顺时针转动，使得蜗杆进行顺时针转动，从而松开离合盘，其外形结构如图 1 所示。
图 1 刀架外形
（2）拆卸刀架铝盖。利用内六角扳手先对称依次松开紧固铝盖的螺丝，然后在彻底拆卸掉螺丝。在取下铝盖之前，要先把铝盖周边的杂物和切削液等清理干净，以防不甚落入刀架体内部。接着取下铝盖，注意保护好铝盖下端的防水密封垫圈。
（3）拆卸发信盘。首先用对应型号的十字螺丝刀松开发信盘上紧固信号线的螺钉，取下信号线。接着用扳手松开中心轴顶端紧固螺母，取下发信盘即可。如图 2 所示。
图 2 发信体
（4）利用十字螺丝刀斜对着大螺母上凹圆巢，用橡胶锤适当击打十字螺丝刀尾部，要对称着敲击，将大螺母敲击松动，然后把螺母旋下来，接着轻轻取下止退圈，再把中心轴上键从键槽上取下，接着取出轴承。要求按顺序摆好，不得随意摆放。
（5）利用工具对称钳住离合盘边缘，提升离合盘并取出，然后将离合销即球头销和弹簧取出，并依次摆好。不得出现图 3 所示情况。
图 3 不规则摆放
（6）用工具夹持反靠销，通过手动操作盘动上刀体进行逆时针转动，一直旋转至上刀体从螺杆分离为止，接着取下上刀体。如图 4 所示。
图 4 上刀体
2、 清洗零件与装配
附着在机械零件上的油污主要由灰尘杂质与油等混合物形成。该油的特点是不易溶于水，如各种矿物油、润滑油等，但是易溶于一些有机溶剂。因此，在去除此类油污时通常采用电化学清洗法。常见的清洗液为以下两种：溶剂型清洗剂和水基型清洗剂。清洗方式常见有两种：人工清洗和机械清洗。常用清洗方法有：擦洗、加热清洗、喷洗、超声清洗、振动清洗这五种方法。
擦洗：将机械零件浸入装有适量零件清洗剂的容器中，用毛刷刷洗或棉纱擦洗。擦洗操作方便简单且设备要求低，但是清洗效率低，只对单件小批小型配件清洗适用。注意：一般情况下不宜采用汽油作为清洗液，因为它有溶脂性，会对人体健康造成损害且汽油易燃易爆，易发生火灾危险。
加热清洗：将配置好的清洗液与零件共同放入用钢板焊制，且具有合尺寸适的清洗池中，用配套的热源将其加热至80 ～ 90℃，浸润 3 ～ 5min 即可完成清洗。
喷洗：将具有一定压力和温度的清洗剂喷射至零件表面进行清洗油污。此方法效果明显，清洗效率高，但是所需设备比较复杂，仅对清洗形状不太复杂的零件适合，而且零件表面有严重油污。
振动清洗：将要清洗的零件放在振动清洗机的清洗架上或清洗篮里，接着将清洗架或清洗篮完全浸没在清洗液中，利用清洗机产生的模拟人工振动来漂涮，结合清洗液化学作用达到去除油污目的。
超声清洗：将零件放入已配置清洗溶液的清洗槽中，利用超声波振荡与清洗液化学反应共同作用于机械零件，达到去除机械零件上油污目的。
由于单个四方刀架拆卸下来的零件属于小批量零件，因此选用煤油作为清洗液，将从刀架上拆下的零件浸泡在清洗液中，用纱布进行擦洗。擦洗完之后将零件按顺序摆放在干净的纸上，以防止再次被污染。在清洗完成之后进行装配，装配顺序按拆卸反顺序进行即可。装配完成之后对刀架进行检查。利用数控车床进行选刀操作，查看刀架能否轻松实现选刀过程即刀架抬起、刀架转位、刀架定位、刀架锁紧。若无法正常实现该功能，则说明在装配过程中存在问题，必须从新拆卸一边在从新装配，直至问题解决。
3 、刀架维护
（1）正常上班期间，要做到每天上下班之前清扫数控车床刀架，将散落在刀架表面上的灰尘、切屑和切削液进一步清洗干净，并将刀架上刀具按正确流程拆卸下来摆放到合适的位置，保持刀架的干净整洁，提高刀架的寿命。
（2）在正常加工间隙要及时清理刀架体上的异物，如切屑等，防止其在数控车床正常换刀抬刀过程中通过缝隙进入刀架内部，在刀架内部卡住机械部件使刀架运行阻力增大，刀架运转不畅，甚至影响刀架定位精度，进而音响数控车床加工精度；或者在刀架内部增加内部机械零件之间摩擦力使得刀架内部结构发生严重磨损，严重者缩短刀架寿命。
（3）严禁超负荷使用。这有两层含义：首先，数控车床加工工件时的加工参数要选用合适的值，不能为了赶进度或者提高效率选用过大的切削参数，导致刀架受到过大的进给力，使得刀架机械零部件发生变形，甚至发生断裂；其次，在选用加工刀具时要选择合适的刀具，不能选择过重过大过长的刀具，避免刀具在旋转选刀时发生一系列事故，如刀具过长在换到过程中发生碰撞，刀具过大过重导致刀架惯性增大，不利于刀架快速启停，容易导致刀架过冲，甚至损坏机械部件。
（4）严禁撞击、挤压通往刀架的连接导线，其中通往刀架的连接导线分成两类：信号线和动力线。信号线为刀架24V 刀位信号相关线路，一但被挤压撞击破坏则会导致刀位信号不正常，使得刀架不能正常工作，甚至发生短路。动力线为刀架电动机的 380V 三相交流电 , 若被破坏则会导致刀架电机发生缺相，甚至完全无法通电，使得刀架电机不能正常工作，从而导致刀架不能正常工作。
（5）减少刀架被间断撞击即断续强力切削的机会。在加工过程中断续强力切削会使在切削过程中刀架受到不连续较大冲击力，使得刀架机械零部件受力变形，从而影响刀架的机械精度，甚至发生机械断裂损坏刀架。
（6）保持刀架机械部件良好的润滑。刀架内部的润滑是采用润滑脂，通过润滑减少刀架内部的摩擦阻力减轻磨损，使得刀架在工作过程中机械部件保持良好的状态，延长刀架的使用寿命，以及保持良好的精度。
（7）在数控加工过程中，尽可能减少使用具有腐蚀性冷却液，若是不可避免要使用，必须在加工完工件之后进行及时清理，下班之前应及时擦拭涂油，以防止其缓慢渗透进入刀架内部，对刀架内部机械部件产生腐蚀损坏机械零件。
（8）在调整刀架预紧力过程中，要将预紧力的大小调节到合适位置，防止预紧力过大导致刀架无法转动或者运装阻力过大，增加刀架电机负载影响电机寿命。
（9）不定期检查刀架相关连线、传感器元件盘即发信盘、磁铁。通过检查防止连接线破损，影响信号稳定；防止发信盘螺母联接松动，从而引起刀架的越位过冲或转不到位；防止磁铁去磁，不能够提供足够的磁场去触发发信盘中的传感器元件发出相应的控制信号。
（10）对于经常进行强力切削的数控车刀架，要定期检查刀架内部机械零件的配合是否紧固，有无松动现象，若是有松动迹象则要及时进行紧固，否则容易引起刀架不能正常锁紧，定位精度不够的故障，而且容易引起应力集中，导致某些零件过早损坏断裂。
（11）定期检查刀架内部相关锁紧机构零件，如后靠定位销、弹簧、后靠棘轮等，检查这些零件润滑及磨损情况，是否润滑良好，磨损是否在正常范围内，防止由于这些原因引起锁紧机构不起作用，甚至造成机械卡死。
4、常见故障诊断
4.1 刀架不动
机械方面：调整四方刀架时预紧力过大。当把内六角扳手通过闷头孔插入蜗杆端部并且手动旋转松开时比较吃力，而且调整后能完成选刀动作，但完成换刀之后刀架仍出现上述问题。通过故障现象可判断为刀架预紧力过大导致刀架不能转动，可通过拆开刀架将大螺母向上旋出一些，然后再测试直至能轻松完成选刀动作过程。
刀架内部机械零件某种原因卡死。当用内六角扳手通过闷头孔插入蜗杆端部转动蜗杆时，使劲也转不动，可判断为某个机械零件在某个位置卡死。
第一，检查锁紧装置中反靠定位销是否卡在反靠棘轮槽内，若卡在棘轮槽内，则需将反棘轮与螺杆连接销孔相对转过一定角度再打孔连接；
第二，检查中轴螺母是否锁紧力过大，如若螺母锁紧力过大，应对器重新调整；
第三，检查是否由润滑效果不良造成转动时零件研死，则应将刀架拆开对相关零件进行润滑处理。
电气方面：电动机供电相关回路不通断路，刀架电机无法得电转动。检查熔断器溶芯是否熔断，检查电源开关触点接触是否正常，检查开关闭合位置是否正确。借助万用表检测电容电压是否
在正常范围内。可以通过更换保险，调整开关闭合位置，更换开关等相应措施来一一排除。另外，电源不通还要考虑刀架电动机相关控制线路是否断路，刀架内部线路是否断路，霍尔元件位置是否正确。电机供电正常，电机由震动声但刀架不转，可判断为电机通电相序错误，通过变换相序排除。手动方式换刀正常，数控系统控制方式不换刀。这应重点检查数控系统与刀架控制器接线、数控系统 I/O 接口及刀架到位控制信号，通过一一排除解决问题。
4.2 刀架连续旋转不停，提示选刀失败
刀架能转动说明机械方面无故障，故障主要存在于电气控制方面。检查刀位信号是否触发，若刀位信号没有触发，则是发信盘故障。检查铁磁检测头是否损坏，发信盘接线是否断路或者接触不良或漏接，针对其信号回路中的继电器、霍尔元件以及接线情况进行故障排除。若仅某号刀不能定位，一般是该号刀位信号线断路所至。
4.3 刀架过冲或不到位
刀架发生过冲一般由机械原因导致，主要是后靠装置定位不可靠。检查后靠定位销是否灵活，弹簧是否疲劳损坏，润滑是否正常。应通过改善润滑等措施修复定位销灵活性或更换复位弹簧。检查蜗杆与后靠棘轮连接是否正常，若断开则需更换连接销。若仍出现过冲现象，则可能是刀具过重，应更换定位销弹簧或更换轻刀具。刀架旋转不到位，甚至中途突然停止，主要是发信盘相关霍尔元件与铁磁检测头位置错位。应调整发信盘中霍尔元件与铁磁检测头相对位置并牢靠固定。
4.4 刀架不能锁紧
该故障应检查锁紧开关位置是否有偏差，若是该原因则调整位置至正常即可。用万用表检查其对应回路中继电器是否正常。若仍不能排除，则应考虑刀架内部机械零件配合是否正常。或有碎屑卡在内齿盘上造成锁紧不牢而影响锁紧，则应调整机械并清洗相关零件。
5、结语
四方刀架作为经济型数控车常见的自动换刀装置，在各企业中应用最为广泛，对于四方刀架的维护非常有必要。在正常运装的情况下，可以有效的改善数控车床精度，保证零件加工精度，提高企业生产效率，利于企业成本的控制。因此，四方刀架的拆装与维保具有非常典型意义。四方刀架拆装只要按照步骤进行即可，但是要注意在拆除和安装过程中避免对零部件的损坏以及丢失，要按照一定顺序进行摆放零件。
维护过程中同样要注意避免二次损坏，要小心对待每个零件，润滑油要选择合适的产品才能达到润滑效果。在维修过程中要根据故障现象进行判断故障原因，不能盲目下手进行暴力拆解。因此，四方刀架在维护拆装时要按工艺要求做，才可以既高效又正确无误的完成。
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