落地铣镗床换刀机构故障分析及解决措施
2023-4-4 来源：海申机电总厂 作者：王佳燕 李 峰 邓利伟
摘要：主要介绍了落地铣镗床在对离心机进行机加工过程中换刀机构的常见故障及原因，并提出行之有效的解决方案。通过方案的有效实施，极大地减少了落地铣镗床的故障停机时间，确保了离心机的正常交付使用。
关键词： 换刀机构 原因分析 解决措施
近年来，LW 系列卧螺式离心机应用范围不断扩大，市场需求量不断增加，对于生产进度、产量的要求不断提升，因此，需要保证离心机生产各工序正常有序开展，这对每道工序的操作人员及设备完好性提出了更高的要求。机械加工在离心机生产中不可或缺，而在机械加工中，其中关键工序所涉及的重大精密关键设备落地铣镗床扮演着重要角色。[1-5]某厂目前使用的 TP6113 落地铣镗床于 2005 年安装
完成并投入生产，经过多年的频繁使用，设备各个机构故障频发，故障停机时间日益增多，对离心机整体生产进度和正常交付造成了影响。
1、设备概况
某厂 TP6113 落地铣镗床由齐齐哈尔二机床（集团） 有限责任公司（原齐齐哈尔第二机床厂）出厂，其镗轴直径为 160 mm, 主轴箱垂直行程 6 000mm，立柱横向行程可达 15 000 mm，主电动机功率为120 kW，机床重量约为 350 t，2005 年安装完成并投产使用，已运行近 17 年。
2、设备运行情况
该设备有足够的强度和刚性，能满足大切削量的铣削与镗削要求：具有 X，Y ，Z，W4 个进给，X，Y方向进给均有数字显示及夹紧装置。该设备性能优良，工艺范围广泛，精度及生产效率较高，通过配合旋转平台一次装夹可完成钻孔 、扩孔 、镗孔 、切沟槽以及平面等繁杂加工面。
通过对近一年来落地铣镗床的故障以及故障时间进行统计分析，发现落地铣镗床停机的故障主要集中在 3 个方面，分别是换刀机构故障、液压机构故障、电器机构故障。对具体故障停机时间进行分层统计，具体如表 1 所示。由表 1 可以看出，换刀机构故障对落地铣镗床的正常运行影响较大。
表 1 故障停机时间分布
3、换刀机构故障原因分析
对落地铣镗床换刀机构故障特征的研究发现，主轴铣刀拉杆机构最容易出现拉刀杆折断、弹簧底座断裂、拉刀杆紧刀螺纹滑丝等故障。在故障现象分析过程中，可以明显发现换刀机构部位的损坏均为过载造成的机械损坏。运行中的换刀机构，换刀盘和松紧盘出现了不同程度的反转，即按下换刀按钮时有不同程度的松紧动作，且二者之间的运行方向正好相反，因此产生了两个相反的作用力。在反向力的长期作用下，自然出现了刀杆折断、弹簧底座断裂、拉刀杆紧刀螺纹滑丝等现象。
针对这个根源，对该台落地铣镗床各个系统进行了检查，并对可能的原因进行了模拟分析。
3.1 操作错误
根据设备操作说明书中操作步骤与操作者的行为对比，发现操作者每次均正确操作，且设备各护锁指令周密，从根源上杜绝了误操作现象。然而实际工作中发现，即使未同时启动换刀按钮和紧刀按钮，仍然会出现换刀盘和松紧盘不同程度的反转现象。因此，排除了操作错误导致的换刀机构故障。
3.2 接线异常
通常，接线异常会对设备各个部件正常动作有一定影响。通过对落地铣镗床各点位的接线情况进行详尽检查，确认各处接线均完好，未出现接线错误或松动脱离现象。因此，排除了接线异常导致的换刀机构故障。
3.3 程序未关联
通过启动换刀开关对落地铣镗床的原有可编程逻辑控制器（PLC）控制系统程序进行分析，发现原有的主轴转动程序和松紧刀程序虽然各自独立，但是依然出现二者均运行的现象，程序的独立不足以保证动作的分离。可见，独立的换刀机构程序和松紧刀程序在一定程度上影响了换刀机构故障。
3.4 工频控制
目前使用的落地铣镗床为工频控制，当按下各个按钮时均为高速启动运转，使得启动过程中的正向扭矩和反向扭矩增大，长期作用导致强度极限断崖式下降，影响换刀机构各部件的使用寿命。由此可见，工频控制在一定程度上影响了换刀机构故障。通过上述分析，确定了两项影响因素，即 PLC系统程序存在一定不足和使用工频控制。
4、换刀机构故障解决措施
针对 PLC 系统程序存在的不足以及使用工频控制，经过讨论分析，主要采取了两项措施。
4.1 增加 PLC 控制系统程序互锁
对原来的 PLC 控制系统程序进行拷贝并备份，对原来的换刀电机控制程序和主轴控制程序进行了改进，将二者设置了互锁。 通过修改，实现换刀电机动作时主轴不会动作，主轴动作时换刀电机不会动作，二者之间形成互锁。
4.2 增设变频控制
在原有电器主控制箱安装了变频器以及变频 /工频控制转换开关，对变频 / 工频控制转换开关线路、变频器线路、主机线路等进行检查，梳理连接，使目前使用的落地铣镗床增加了变频控制。
换刀电机工、变频切换工作原理如下。
变频控制：旋转开关 SA1 打到变频的位置，K1继电器吸合，随即控制 KM1，KM2 接触器吸合，变频器控制回路形成通路，KM4，KM5 接触器的常开触点控制变频器的正反转，实现松、紧刀的目的。
工频控制：旋转开关 SA1 打到工频的位置，K2继电器吸合，随即控制 KM3 接触器吸合，工频控制回路形成通路，KM4，KM5 接触器控制换刀电机的正反转。
K1 与 K2 继电器互锁，实现 KM1，KM2 与 KM3接触器互锁，所以无论任何情况下只存在一种控制模式。
5、改进后的效果
5.1 消除换刀盘和松紧盘正反转的现象
措施采取前，换刀电机控制程序和主轴控制程序相互独立，当出现线路松动等情况时，可能出现换刀时紧刀，即换刀机构正反转现象。增加了 PLC 控制系统程序互锁后，实现了换刀电机动作时主轴不动作、主轴动作时换刀电机不动作，二者之间形成互锁，有效消除了换刀机构换刀盘和松紧盘正反转的现象。
5.2 减少设备损耗
分别增加了变频器和变频器旋钮开关，作业时可以采取变频控制的方式，改变供电频率,调整主轴转速，实现负载调节，从而减少换刀机构各部件的损耗和故障。
5.3 减少故障停机时间
通过消除换刀盘和松紧盘正反转现象，在很大程度上减少了拉刀杆折断、弹簧底座断裂、拉刀杆紧刀螺纹滑丝的故障现象，进一步降低了设备损耗，从整体上减少了落地铣镗床的故障停机时间。
5.4 排除潜在事故隐患
措施采取之前，原来紧刀过程出现的刀盘正反转会同时带动夹紧的工件转动，存在潜在机械伤害。通过改进，解决了紧刀过程刀盘正反转的问题，排除了事故隐患，降低了安全风险，提高了设备运行过程中的安全系数。
5.5 降低维修成本、提升生产进度
措施采取后，对换刀机构故障进行了彻底排除，减少了落地铣镗床的修理次数，降低了维修成本、提升了生产进度。根据型号不同，落地铣镗床加工一台离心机的时间在 4~32 台时之间，改进后，总的故障时间预计能缩短 60 台时左右，理论上可以多加工机器 2~15 台，为离心机的提产提供了有利条件。
6、结语
对落地铣镗床在对离心机进行机加工过程中换刀机构常见故障的原因分析、解决方案的有效实施，以及在离心机加工中的实践应用，极大地减少了落地铣镗床的故障停机时间，确保了离心机的正常交付使用。
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