加工中心机械故障检修的方法和原则

现代加工中心虽然都具有丰富故障自诊断功能，一般情况下加工中心数控系统发生故障都有报警信息提示，但加工中心机械系统故障大部分都以综合故障形式出现，既无报警信息提示有时又很难区分是机械、电气、液压（气压）故障还是CNC系统的故障。维修人员应具有多学科的知识和综合判断能力，积累丰富的维修实践和经验.。维修人员在弄清加工中心部件装配图、液（气）压原理图、PLC梯形图、开关（限位开关、接近开关、压力开关）分布位置图等图样资料的基础上，结合具体零件的加工工艺和程序，搞懂各运动部件的动作原理和控制流程，仔细观察故障现象，灵活运用多学科的知识全面分析故障机理，本着先外围后内部、先软件后硬件、先机械后电气的原则由易到难地缩小故障范围最终锁定故障原因，并根据本企业的技术实力，拟定切实可行的检修方案和维修工艺。对于经常性的故障，要深究故障原因，探索失效规律，提出设备改进措施或设备结构改进方案。

加工中心价值昂贵，精度要求高，复杂系数大，如果有些修理工艺本企业不具实施技术条件，必须请机床生产厂家或有关专家处理。

1             主轴系统常见故障

由于使用主轴伺服调速电机，加工中心主轴箱结构大为简化，与普通机床主轴箱结构部件相比，加工中心主轴箱部件多了刀具的自动夹紧和切屑xx装置、主轴准停装置，主轴采用高精度轴承和专用的润滑系统。

1）              故障现象：我公司HF4-2型龙门式加工中心加工时发现镗孔精度下降，圆度超差，直角铣头发热，噪声较大。

2）              故障分析：首先观察机床主轴定心锥孔和镗刀杆，发现加工中心以前多次换刀过程中拔、插刀失误，主轴定心锥面有轻微损伤，用手拨动主轴，主轴转动转动阻力较小，与日本生产厂家联系，厂家声称要派人来更换主轴部件。考虑到境外来人更换主轴费用高昂周期长，而主轴是按照高刚度进行设计的，只要修理后能够满足生产需要无需更换主轴。经过把主轴拆卸后仔细检查，故障原因有4点：（1）主轴轴承润滑脂内混有粉尘和水分，因为该加工中心切屑液有轻微泄露造成主轴润滑不良使主轴发热和噪声。（2）主轴定位锥孔表面有少许碰伤，主轴锥孔与刀具锥面配合不良，出现轻微偏心。（3）主轴前轴承预紧力下降，轴承游隙变大。（4）主轴自动夹紧机构中的部分蝶形弹簧疲劳失效，刀具未被xx拉紧，出现少许窜动。

3）              故障处理：更换主轴前端轴承及润滑脂，重调轴承游隙，轴向游隙为0.003径向游隙为0.004。在本市制作简易研具手工研磨主轴锥孔定位面，用涂色法检查，保证锥孔面与刀具锥柄接触面积大于85%，更换蝶形簧。将修好的主轴装回主轴箱，用千分表检查主轴径向跳动，近端小于0.004m,远端300毫米处小于0.01mm。试加工，主轴温升及噪音正常，加工精度满足工艺要求，故障排除。

4）              注意事项：（1）拆卸加工中心主轴前实现要收集、消化有关资料，拟定全面具体的维修工艺，准备好相关的专用工具、研具、油料、备件，并制定好拆卸、检修的详细步骤及安全注意事项。（2）要将直角铣头放入附件库，然后再用行车吊出进行拆卸。拆卸时要注意不可碰伤砸伤所有零件，要充分注意安全。（3）严格按照技术要求和技术数据检修加工主轴。我们研具的制作就是在天成精密机械，按照他们{zg}精度加工能力做的。加工中心主轴轴承是高精度角向轴承和内锥面圆柱滚子轴承。精度很高，装配时一定要对准记号，轴承润滑脂也是专用润滑脂不可代用或增减用量。（4）主轴拆卸要放在防尘恒温的环境中进行。组装时要调整蝶形弹簧预紧力约为2000~2400公斤。

5）              改进措施: (1)随时检查主轴锥孔 、刀柄的清洁和配合状况 ,检查空气干燥器工作是否正常。 (2)合理安排数控加工工艺,避免材料切除率陡变。 (3) 加工中心严禁超负荷运行,有故障必须及时报修,不得带“病 ”运行。

2.2      主轴部件的拉杆钢球损坏

1) 故障现象:HK150-2P型加工中心 ,在使 用一段时间后发现主轴内刀具自动夹机构的拉杆钢球经常损坏 ,刀柄拉紧螺钉尾部锥面也经常损坏。

2 )故障分析 : 经检查分析 ,故障初步确定 为主轴松刀动作与机械手拔刀动作不协调 。正确的换刀流程应为 : Z轴回换刀参考点 ,主轴准停定位 ,机械手同时抓住主轴和刀库的刀具 ,主轴尾部气液增压油缸动作 ,活塞下行推动拉杆向下移动 ,同时压紧刀具自动夹紧机构内的碟形弹 簧 ,解除 碟形弹簧 对拉杆 约20000N的拉力 ,刀柄松开 ,相应的限位开关发出松刀信号 ,机械手的拔 、插刀油缸动作 ,机械手下行 ,从主轴和刀库中拔出刀具 ,机械手旋转180 °,机械手上行 ,将交换了的刀具插入主轴和刀库。故障可能的原因有 (1 限位)开关紧固螺钉松动 ,提前发出松刀信号。 (2 )活塞顶杆的锁紧螺母松动 ,使活塞顶杆的有效行程减小 ,松刀过程延迟。 (3 )气液增压缸气压不足 。 ( 4 )气液增压缸泄漏 。 ( 5) 碟形弹簧的预紧力太大 。 ( 6) 活塞顶杆弯曲 。依次检查各个可能的故障点 ,发现紧固螺钉 、锁紧螺母均未松动 ,气液增压缸气压 、碟形弹簧的预紧力正常 。因限位开关挡铁装在气液增压缸尾部 ,虽然气缸活塞动作到位 ,增压缸活塞动作却没有到位 ,致使机械手在刀柄还没有xx松开的情况下强行拔刀 ,损坏拉杆钢球及拉紧螺钉 。

3 )故障处理 :拆卸气液增压缸 ,清洗增压油缸 ,更换密封环 ,重新装配气液增压缸 ,增压油缸注油 ,重调气压在015 ～018M Pa,试用后故障消失 。4 )改进措施 : (1 )定期检查并清洁气液增压油缸 ,监测刀具自动夹紧机构各部分的运行状况 ,及时xx故障隐患 。 (2) 加工中心气压 、液压系统压力要定期检查调整 ,并检验液压油的油质 ,如氧化变质 ,应及时更换 ,换油时要用专用过滤器 ,所用油品不低于机床生产厂家的要求 。

2.3　主轴部件的定位键损坏

1 )故障现象 :某型号立式加工中心在使用一段时间后发现 ,换刀时的冲击响声大 主轴前端拨动刀柄旋转的定位键局部变形 。

2 )故障分析 : 经仔细检查 ,发现主轴换刀 过程的响声主要出现在机械手插刀阶段 ,故障初步确定为主轴准停位置误差和主轴换刀参考点漂移。本机床采用霍尔元件检测定向 ,引起主轴准停位置不准的原因可能是加工中心主轴准停装置电气系统参数变化 ,也可能是加工中心主轴准停装置定位不牢靠或主轴径向跳动超差 。根据由易到难的检修原则 ,首先检查霍尔元件的安装位置 ,发现霍尔元件的固定螺钉出现松动 ,致使机械手插刀时刀柄键槽未对正主轴前端定位键发生撞击 ,撞坏定位键 。主轴换刀参考点漂移的原因可能是CNC系统主电路板的位置控制部分接触不良或电气参数变化 ,也可能是接近开关的安装位置松动 ,检查主轴换刀参考点接近开关的安装位置 ,同样有松动现象 ,使主轴换刀参考点微量下移 ,刀柄插入主轴锥孔时刀柄锥面直接撞击主轴定心锥孔 ,产生异常响声 。

3 )故障处理 :调整霍尔元件的安装位置后拧紧并加防松胶。重新调整主轴换刀参点接近开关的安装位置 ,更换主轴前端的定位键 ,调完后试车 ,故障消失。

4 )改进措施 :定期检查清洁主轴准停装置和主轴换刀参考点定位装置 ,注意观察刀柄插入主轴锥孔时的状态 ,及时xx故障隐患 。

3　进给传动系统常 见故障

由于采用了伺服调速电动机和滚动摩擦副 ,加工中心进给传动系统的结构得到极大简化 ,它的故障通常表现为运动失效和精度超差 。进给传动系统的大部分故障原因多与维护不及时 ,调整不恰当有关 ,加工中心进给传动系统的精心维护和精心调整显得尤为重要 。

3.1   Y轴运动中断

(1)             故障现象 :某型号 立式加工中心 , 在使 用一段时间后 , Y轴运动到某点后运动中断 。(2)

(2)             故障分析 :经检查 ,加工中心Y轴断路器跳闸 ,复位后Y轴仍不能运动。故障初步确定为加工中心Y轴卡死或Y轴伺服驱动系统故障 。首先检查Y向滑座导轨及镶条间隙 , 无问题 , 机床断电后用手转动 Y轴滚珠丝杠螺母机构 ,不能转动 ,确认加工中心因日常维护保养不当 , Y轴丝杠螺母卡死 。

(3)             故障处理 :拆下机床防护板 ,吊开机床工作台 ,用扳手拆卸滑座与丝杠支架的联接螺钉 ,移开滑座 ,松开丝杠联轴器及轴承螺母 ,拆出丝杠螺母法兰的固定螺钉 , 从加工中心取出Y轴滚珠丝杠螺母副 , 找一合适的钳台夹紧滚珠丝杠螺母 , 将滚珠丝杠锁紧螺母退松 ,用手转动滚珠丝杠 。彻底清洗后重装滚珠丝杠螺母副 ,并调整滚珠丝杠螺母副的预紧力。预紧力的大小 ,一般为{zd0}载荷的1 /3,是靠测量预紧后增加的摩擦力矩大小来换算的。预紧时可用手转动滚珠丝杠的松紧程度来初定预紧力的大小 。调好滚珠丝杠螺母的预紧力后 , 将滚珠丝杠螺母副装回加工中心 ,检查并调整丝杠两端向心推力组合轴承的预紧力 ,同样可通过用手转动滚珠丝杠的松紧程度来初定预紧力的大小 ,重新调整滑座导轨及镶条间隙 。试车后故障排除 。

(4)             注意事项 : ( 1) 滚珠丝杠螺母副是精密配合部)件 ,一般情况下不允将滚珠丝杠与螺母解体 。 ( 2 )滚珠丝杠螺母副的预紧和轴向间隙直接影响 运动精度 ,要反复调试 ,如仍不理想要考虑通过修改CNC系统的机床 参数 来补偿 滚珠丝 杠螺母 副的轴 向间 隙 。( 3) 吊开工作台要采取保护措施 ,避免绳子损伤工作台工作面 , 防止丝杠弯曲变形。 ( 4 ) 预紧丝杠螺母和轴承时要用扭矩扳手 。

(5)             改进措施 : ( 1 )工作中应避免碰击滚珠丝杠螺母副防护装置 , 防护装置一有损坏应立即更换 。 ( 2)每半年清洗滚珠丝杠上旧的润滑脂 ,涂上新的润滑脂。

3.2X、Y两轴插补加工圆台或(内孔)时 , 圆度误差超差

(1)             故障现象 :HKDB-150型卧式加工中心 , 在使 用一段时间后X、Y两轴联动加工圆台时 , 发现圆台误差大 ,工件圆台在过象限处有一较明显的起伏 。

(2)             故障分析 :初步判断是X、Y轴的定位精度差或是X、Y轴有关位置补偿参数变化 。首先调出CNC系统X、Y轴位置补偿参数检查 ,均在要求范围。找一粒<6左右的滚珠涂抹润滑脂后置于滚珠丝杠的中心孔保护锥面 , 用千分表的触头顶住滚珠 , 在JOG模式下低速转动Y轴 ,发现Y轴轴向窜动达0.1mm。拆下机床防护板 , 移开滑座 ,检查Y轴进给传动链前 、后支承座 ,丝杠电动机支座及电动机轴承无异常 ,丝杠轴承座轴承游隙及预紧正常 ,但轴承座压盖有轻微松动。

(3)             故障处理 :调整丝 杠轴承座压盖 , 使其 压紧轴承外圈 端面 , 拧紧锁紧 螺母 。重 新检测 Y轴轴 向窜动 ,小于0.005mm重装完毕后 , 试加工 ,故障排除 。

(4)             改进措施 : (1通过对加工零件的检测 ,随时监)测加工中心的动态精度 ,以便及时对加工中心的进给传动链进行调整 。 (2 )每年应对加工中心进给传动链的反向间隙、丝杠螺距误差进行检查和补偿 ,并作出详细记录存档 。

3.3龙门加工中心X向直线度超差

(1)             故障现象:HF-2型龙门加工中心, 使用一段时间后发现沿X向加工底板外侧面时, 侧面直线度超差 ,加工面在接刀处有轻微刀痕 。

(2)             故障分析:经了解 , 该龙门加工中心投 产两年多 ,长期粗加工 。仔细检查发现 ,机床工作台导轨面研伤 , X向导轨下挠达0125mm, 工作台与导轨镶条松动 。

(3)             故障处理 :首先180号砂布修磨导轨面上的研伤 , 然后 重新调 整机床安装水平精度 , X向 0.02 /1000mm, Y向0.02 /1000mm , 保证导轨中部上凸0.03mm ～0.05mm。重调工作台镶条 , 保证 0.03mm塞尺不得塞入 ,并观察工作台移动时导轨上油膜厚度变化情况, 锁紧止退螺钉 。完毕后试加工 ,故障排除 。

(4)             改进措施 : ( 1 ) 工件装夹时要合理布置工件的装夹位置, 避免负荷过分集中在导轨局部部位。 ( 2) 加强机床维护保养,保证导轨润滑油供油压力和油量,及时xx导轨面切屑和粉尘, 导轨防护装置一有损坏应立即更换。 (3) 定期清理润滑油池底 , 定期更换润滑泵的过滤器 ,定期更换或过滤润滑油 。

4 ATC装置常见故障

加工中心刀具自动交换 (ATC过程比较复杂 ,涉)及的部件有机械的、液压的、电气的 ,且在工作中运动频繁 ,故障点较多 ,故障的发生率较高。故障大多出现在检测元件上 ,需通过运动部件动作控制流程的综合分析来判断故障 ,对此要有足够重视 。

4 .1　刀具插入主轴锥孔未夹紧

1 )故障现象 : 某型号 龙门加工中心 ,使用中发现主轴拉刀松动。

2 )故障分析 : (1 )碟形弹簧变形或失效 。 ( 2 )刀柄尾拉紧螺钉松动。首先检查刀尾拉紧螺钉 ,发现拉紧螺钉与刀柄的螺纹联接松动退丝 ,拉紧螺钉后退了约一个螺距。再检查碟形弹簧 ,碟形弹簧未失效 。

3 )故障处理: 调整刀柄尾拉紧螺钉在刀柄的轴向位置并加装锁紧螺母 ,故障排除 。

4 )改进措施: 在刀柄尾拉紧螺钉和刀柄间加装锁紧螺母 。

4 .2　刀具交换过程噪声较大

1 )故障现象 : 某型号龙门加工中心 ,使一段时间后发现刀具自动交换过程速度太快 ,噪声较大 。

2 )故障分析 :经检查 ,机械手拔、插刀过程速度过快 ,缺少缓冲过程 , 产生较大的撞击声 。该机械手的拔 、插刀运动由液压油缸驱动 ,导致液压油缸活塞速度过快的可能原因主要有 : (1)液压油氧化变质。 (2 )液流螺钉松动 。首先检查液压系统冷却器 ,发现冷却器周围堆积了很多灰尘 ,导致冷却器制冷效率低 ,油温升高 ,调速阀节流效果差 ,机械手拔、插刀过程速度变快而液压油质无变质 ,调速阀节流螺钉未松动 。

3）故障处理：彻分别调节机械手拔、插刀油路的调速阀 ,使拔 、插刀度和机械手转向速度合适。为了减小拔、插刀过程的冲击 ,分别调节拔 、插刀油缸两端的节流螺钉 ,增加油缸行程末端的缓冲行程。调节完毕后重新试车 ,故障排除。改进措施 : (1)严格执行液压系统定期调整 、清洗、过滤和更换制度，确保液压系统压力、流量、流速稳定。（2）每月定期清扫液压系统冷却器和冷却风扇上的灰尘。随时观察冷却器工作情况，严格控制液压系统温升。

5 结束语

1 )加工中心的机械故障可通过 精心检修得以修复 ,但对于一些经常性的多发故障 ,反映了加工中心可靠性的薄弱环节 ,要考虑从加工中心的设计 、制造、装过程采取改进措施 ,提高加工中心可靠性和可维修性 。

2 )加工中心维修实践的统计与分析都表明 ,加工中心可靠性差的主要根源是外购、外协件质量和总装调试问题 。因此 ,实施积极的全球采购策略 ,按全球{yl}的质量标准选购关键配套件 ,强化机床出厂前的装配 、调试和试运行 ,是提高加工中心可靠性 ,减少故障停机次数和故障修理时间的更为有效的举措。