数控车刀架撞刀后故障分析及排除
广东省高级技工学校广州校区 李恪方
摘要：数控车床在使用过程中，经常出现的是撞刀事件。本文以WZD4型四工位端齿盘式方刀架为例，主要以数车在教学过程中一次严重撞刀引发的刀架故障为据，分析刀架结构原理，进行故障分析及故障处理，排除故障后装配调试四大方面来论述。
论述核心：通过阐述数车刀架的结构，以其机械原理来分析故障原因、判断故障部位，最后进行排除及装配调试成功。
关键词： 定位销、中心轴、霍尔元件
前言：数控车床刀架撞刀后故障大小程度不一，严重时会损坏刀架内部元件。虽各厂家所生产的刀架结构、尺寸各异，均有所不同，但无论是哪一类刀架，故障原因大多雷同，维修方法也可以互相参考。为此，及时排除刀架故障，懂得部分维修手段是必然性的。但如何才能尽快地解决刀架故障呢？首先我们要了解刀架的结构，熟悉其机械原理，才能快速判断故障所在。
下面就以典型的四工位端齿盘式WZD4型刀架为例进行论述。
一、故障起因
学生在实习过程中，粗心大意将G01指令误输成G00指令，并写错坐标。在精加工时，造成刀具飞速撞上工件，致使主轴撞停，刀架扭转近45度、卡死。
二、故障分析
故障分析前，我们先了解刀架结构及机械原理。
（一）、WZD4型刀架的结构
WZD4型刀架为典型的端齿盘式四工位自动回转刀架，是经济型数控车床普遍采用的类型，其特点为：转位快、稳定、定位可靠；外型长度尺寸短、造型美观，并具有切向扭矩大，夹紧力恒定。如图一所示：
图一a) 图 一c)
图一 b)
图一 WZD4型刀架结构
1-电动机 2-联轴器 3-蜗杠轴 4-蜗轮丝杠 5-刀架底座 6-粗定位盘 7-刀架体 8-球头销 9-转位套 10-电刷座 11-发信体 12-螺母 13、14-电刷 15-粗定位盘 16-中心螺母
（二）、WZD4型刀架换刀过程及原理（图一）
该刀架可安装四把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。
1、刀架抬起
当换刀指令发出之后，小型电动机1起动正转，通过平键套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮丝杠4转动（蜗轮的上部外圆柱加工有外螺纹，所以该零件称蜗轮丝杠）。刀架体7内孔加工有内螺纹，与蜗轮丝杠旋合。蜗轮丝杠内孔与刀架中心轴外圆是动配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠环绕中心轴旋转。当蜗轮丝杠转动时，由于刀架底座5和7上的端面齿处在啮合状态，且蜗轮丝杠轴向固定，这时刀架体7抬起。
2、刀架转位
当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开。转位套9用销钉与蜗轮丝杠4联接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过1600（图一c），球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀架体转位。
3、刀架定位
刀架体7转动时带着电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，定位销15在弹簧的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13、14接触导面使电动机1反转，由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体7和刀架底座5上的端面齿啮合实现精确定位。
4、刀架反锁压紧
电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆轴3继续转动，随夹紧力增加，转矩不断增大，达到一定值时，在传感器的控制下，电动机1停止转动（译码装置由发信体11、电刷13、14组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。）
有了对刀架结构及机械原理的了解，则方便我们分析故障并对症下药了。
（三）、故障原因分析
1、检测
（1）观察刀架体7与刀架底座5之间四周间隙是否均匀，且是否有扩大。观察现象为：刀架体7已抬升，但周边间隙均匀。
（2）用手摆动刀架，无晃动现象。
（3）启动手动换刀，电机有启动声但不能回转，刀架纹丝不动。
（4）将内六角扳手插入蜗杆轴端部，顺时针方向转不动，逆时针方向用力方可将蜗杆轴转动一定量。
2、故障判断
刀架体7与刀架底座5之间四周间隙均匀，说明刀架中心轴无弯曲损坏；故障前电机无问题，且启用手动换刀功能时，电机有启动声，可大胆排除电机故障；根据刀架抬升一段距离并扭转近45度、启动手动换刀功能刀架无回转、用内六角扳手正转蜗杠时刀架不能转动这几方面的现象，结合其机械原理，可判断为刀架内部机械卡死。可能出现的情况为：
（1）端面齿盘损坏，造成刀架体7与刀架底座5卡死；
（2）蜗轮丝杠4与刀架体7的螺旋副咬死，甚至螺纹变形；
（3）定位销15弯曲变形或者断裂，卡在粗定位盘槽中；
（4）蜗杆轴轴承开裂或蜗杆副损坏。
三、故障查询
（一）、检查电机运转是否正常
将电机拆下，试运转，转动正常。
（二）、检查刀架内部机械装置
将蜗杠轴旋出，刀架体拆开。
（1）观察蜗杠轴、蜗轮以及轴承，无损坏，说明蜗杆副和蜗杠轴承故障可排除；
（2）查看端面齿盘，无刮伤及变形现象，此项可排除；
（3）检查刀架体与中心轴的螺旋副，无损坏，此项可排除；
（4）拆粗定位盘时，比较紧，拆出后，发现一支定位销卡在粗定位盘槽中，另外一支卡在刀架体中，均明显弯曲变形，用手根本不能晃动。
由此可诊断出刀架卡死的原因为撞刀导致定位销弯曲变形，卡在粗定位盘槽和刀架体内。
四、故障排除及相应调试
（一）、取出并制作定位销15
定位销弯曲变形，卡在刀架体与粗定位盘锥孔中难以取出，可分别在刀架体与粗定位盘上垫上不脱毛布料，采用大力钳拔出，续而重新制作。定位销尺寸如图二，用45#钢加工即可。
图二 定位销
（二）、安装、试用。
1、安装。
（1）定位销涂上黄油装入刀架体中，试用手压弹簧，观察弹簧是否能灵活将定位销弹出；
（2）再将定位销单独配入粗定位盘槽内，配合深度为10mm～13mm，手晃动感觉配合间隙，配合深度在13mm左右时应是零间隙。
2、安装刀架
（1）刀架安装时的注意事项
①刀架安装时用不脱毛的棉布擦拭干净（防毛料脱落及灰尘），给机械部件上黄油（润滑不良而磨损）。
②定位销在安装时不能刮伤，否则刀架转位又可能出现卡死的现象；
③注意刀架体与刀架底座的端齿盘必须啮合，否则刀架不能旋转到位。
④安装时注意中心轴螺母锁紧力度（过紧，刀架会因预紧力过大而不能转动；过松则刀架锁不紧）。可结合手动换刀功能调试到最佳状态。
（2）检查、试用并调整
安装后，启动手动功能回转刀架检查，出现刀架不定期过位或不到位、刀架不能锁紧，甚至用手可以晃动的现象，确认安装机械部位无问题后可用调整霍尔元件相对位置的方法解除。结合手动换刀功能，通过反复调节发信体11，改变其与电刷14的相对位置来调整。最后，在加工之前采用试切的方式检查，刀架的锁紧力度正常，可以正常投入使用。此次维修则成功完成。
总结：数控车床在使用过程中，我们常见的故障有刀架类、主轴类、螺纹加工类、系统显示类、驱动类、通信类等故障，而其中刀架故障占有很大的比例。故障后机床暂时不能使用，这就造成了在时间上的人力、物力资源浪费。如果我们能对其进行一些基本的维修，便可节约成本，节省时间，创造一定的经济效益。此次对刀架的维修时间较短，且维修过程也涉及到了刀架的其他问题，为以后的刀架维修奠定了基础。另此维修方法可还可借鉴到其他类型的刀架故障维修中。
1、《数控机床维修技师手册》 机械工业出版社 编委会 编
2、《数控刀架说明书》 广州数控设备厂
个人资料：
姓名：李恪方 性别：男 学历：大专
职业：数控专业生产实习指导教师
技能：数控车床工技师
通讯地址：广东省广州市花都区雅瑶镇广东省高级技工学校广州校区
邮编：510800 电话：13570504864 电子邮件：190654275@qq.com
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