數控車刀架撞刀後故障分析及排除
廣東省高級技工學校廣州校區 李恪方
摘要：數控車床在使用過程中，經常出現的是撞刀事件。本文以WZD4型四工位端齒盤式方刀架為例，主要以數車在教學過程中一次嚴重撞刀引發的刀架故障為據，分析刀架結構原理，進行故障分析及故障處理，排除故障後裝配調試四大方面來論述。
論述核心：通過闡述數車刀架的結構，以其機械原理來分析故障原因、判斷故障部位，最後進行排除及裝配調試成功。
關鍵詞： 定位銷、中心軸、霍爾元件
前言：數控車床刀架撞刀後故障大小程度不一，嚴重時會損壞刀架內部元件。雖各廠家所生產的刀架結構、尺寸各異，均有所不同，但無論是哪一類刀架，故障原因大多雷同，維修方法也可以互相參考。為此，及時排除刀架故障，懂得部分維修手段是必然性的。但如何才能儘快地解決刀架故障呢？首先我們要了解刀架的結構，熟悉其機械原理，才能快速判斷故障所在。
下面就以典型的四工位端齒盤式WZD4型刀架為例進行論述。
一、故障起因
學生在實習過程中，粗心大意將G01指令誤輸成G00指令，並寫錯座標。在精加工時，造成刀具飛速撞上工件，致使主軸撞停，刀架扭轉近45度、卡死。
二、故障分析
故障分析前，我們先了解刀架結構及機械原理。
（一）、WZD4型刀架的結構
WZD4型刀架為典型的端齒盤式四工位自動迴轉刀架，是經濟型數控車床普遍採用的類型，其特點為：轉位快、穩定、定位可靠；外型長度尺寸短、造型美觀，並具有切向扭矩大，夾緊力恆定。如圖一所示：
圖一a) 圖 一c)
圖一 b)
圖一 WZD4型刀架結構
1-電動機 2-聯軸器 3-蝸槓軸 4-蝸輪絲槓 5-刀架底座 6-粗定位盤 7-刀架體 8-球頭銷 9-轉位套 10-電刷座 11-發信體 12-螺母 13、14-電刷 15-粗定位盤 16-中心螺母
（二）、WZD4型刀架換刀過程及原理（圖一）
該刀架可安裝四把不同的刀具，轉位信號由加工程序指定。
1、刀架抬起
當換刀指令發出之後，小型電動機1起動正轉，通過平鍵套筒聯軸器2使蝸桿軸3轉動，從而帶動蝸輪絲槓4轉動（蝸輪的上部外圓柱加工有外螺紋，所以該零件稱蝸輪絲槓）。刀架體7內孔加工有內螺紋，與蝸輪絲槓旋合。蝸輪絲槓內孔與刀架中心軸外圓是動配合，在轉位換刀時，中心軸固定不動，蝸輪絲槓環繞中心軸旋轉。當蝸輪絲槓轉動時，由於刀架底座5和7上的端面齒處在齧合狀態，且蝸輪絲槓軸向固定，這時刀架體7抬起。
2、刀架轉位
當刀架體抬至一定距離後，端面齒脫開。轉位套9用銷釘與蝸輪絲槓4聯接，隨蝸輪絲槓一同轉動，當端面齒完全脫開，轉位套正好轉過1600（圖一c），球頭銷8在彈簧力的作用下進入轉位套9的槽中，帶動刀架體轉位。
3、刀架定位
刀架體7轉動時帶著電刷座10轉動，當轉到程序指定的刀號時，定位銷15在彈簧的作用下進入粗定位盤6的槽中進行粗定位，同時電刷13、14接觸導面使電動機1反轉，由於粗定位槽的限制，刀架體7不能轉動，使其在該位置垂直落下，刀架體7和刀架底座5上的端面齒齧合實現精確定位。
4、刀架反鎖壓緊
電動機繼續反轉，此時蝸輪停止轉動，蝸桿軸3繼續轉動，隨夾緊力增加，轉矩不斷增大，達到一定值時，在傳感器的控制下，電動機1停止轉動（譯碼裝置由發信體11、電刷13、14組成，電刷13負責發信，電刷14負責位置判斷。）
有了對刀架結構及機械原理的瞭解，則方便我們分析故障並對症下藥了。
（三）、故障原因分析
1、檢測
（1）觀察刀架體7與刀架底座5之間四周間隙是否均勻，且是否有擴大。觀察現象為：刀架體7已抬升，但周邊間隙均勻。
（2）用手擺動刀架，無晃動現象。
（3）啟動手動換刀，電機有啟動聲但不能迴轉，刀架紋絲不動。
（4）將內六角扳手插入蝸桿軸端部，順時針方向轉不動，逆時針方向用力方可將蝸桿軸轉動一定量。
2、故障判斷
刀架體7與刀架底座5之間四周間隙均勻，說明刀架中心軸無彎曲損壞；故障前電機無問題，且啟用手動換刀功能時，電機有啟動聲，可大膽排除電機故障；根據刀架抬升一段距離並扭轉近45度、啟動手動換刀功能刀架無迴轉、用內六角扳手正轉蝸槓時刀架不能轉動這幾方面的現象，結合其機械原理，可判斷為刀架內部機械卡死。可能出現的情況為：
（1）端面齒盤損壞，造成刀架體7與刀架底座5卡死；
（2）蝸輪絲槓4與刀架體7的螺旋副咬死，甚至螺紋變形；
（3）定位銷15彎曲變形或者斷裂，卡在粗定位盤槽中；
（4）蝸桿軸軸承開裂或蝸桿副損壞。
三、故障查詢
（一）、檢查電機運轉是否正常
將電機拆下，試運轉，轉動正常。
（二）、檢查刀架內部機械裝置
將蝸槓軸旋出，刀架體拆開。
（1）觀察蝸槓軸、蝸輪以及軸承，無損壞，說明蝸桿副和蝸槓軸承故障可排除；
（2）查看端面齒盤，無刮傷及變形現象，此項可排除；
（3）檢查刀架體與中心軸的螺旋副，無損壞，此項可排除；
（4）拆粗定位盤時，比較緊，拆出後，發現一支定位銷卡在粗定位盤槽中，另外一支卡在刀架體中，均明顯彎曲變形，用手根本不能晃動。
由此可診斷出刀架卡死的原因為撞刀導致定位銷彎曲變形，卡在粗定位盤槽和刀架體內。
四、故障排除及相應調試
（一）、取出並製作定位銷15
定位銷彎曲變形，卡在刀架體與粗定位盤錐孔中難以取出，可分別在刀架體與粗定位盤上墊上不脫毛布料，採用大力鉗拔出，續而重新制作。定位銷尺寸如圖二，用45#鋼加工即可。
圖二 定位銷
（二）、安裝、試用。
1、安裝。
（1）定位銷塗上黃油裝入刀架體中，試用手壓彈簧，觀察彈簧是否能靈活將定位銷彈出；
（2）再將定位銷單獨配入粗定位盤槽內，配合深度為10mm～13mm，手晃動感覺配合間隙，配合深度在13mm左右時應是零間隙。
2、安裝刀架
（1）刀架安裝時的注意事項
①刀架安裝時用不脫毛的棉布擦拭乾淨（防毛料脫落及灰塵），給機械部件上黃油（潤滑不良而磨損）。
②定位銷在安裝時不能刮傷，否則刀架轉位又可能出現卡死的現象；
③注意刀架體與刀架底座的端齒盤必須齧合，否則刀架不能旋轉到位。
④安裝時注意中心軸螺母鎖緊力度（過緊，刀架會因預緊力過大而不能轉動；過鬆則刀架鎖不緊）。可結合手動換刀功能調試到最佳狀態。
（2）檢查、試用並調整
安裝後，啟動手動功能迴轉刀架檢查，出現刀架不定期過位或不到位、刀架不能鎖緊，甚至用手可以晃動的現象，確認安裝機械部位無問題後可用調整霍爾元件相對位置的方法解除。結合手動換刀功能，通過反覆調節發信體11，改變其與電刷14的相對位置來調整。最後，在加工之前採用試切的方式檢查，刀架的鎖緊力度正常，可以正常投入使用。此次維修則成功完成。
總結：數控車床在使用過程中，我們常見的故障有刀架類、主軸類、螺紋加工類、系統顯示類、驅動類、通信類等故障，而其中刀架故障佔有很大的比例。故障後機床暫時不能使用，這就造成了在時間上的人力、物力資源浪費。如果我們能對其進行一些基本的維修，便可節約成本，節省時間，創造一定的經濟效益。此次對刀架的維修時間較短，且維修過程也涉及到了刀架的其他問題，為以後的刀架維修奠定了基礎。另此維修方法可還可借鑑到其他類型的刀架故障維修中。
1、《數控機床維修技師手冊》 機械工業出版社 編委會 編
2、《數控刀架說明書》 廣州數控設備廠
個人資料：
姓名：李恪方 性別：男 學歷：大專
職業：數控專業生產實習指導教師
技能：數控車床工技師
通訊地址：廣東省廣州市花都區雅瑤鎮廣東省高級技工學校廣州校區
郵編：510800 電話：13570504864 電子郵件：[email protected]
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