谈加工中心自动换刀装置常见故障及处理方法

加工中心已广泛应用于机加生产线中在当今时代，任何自动化生产设备都与数控技术密切关联从数控设备的特征看，在其开发、生产、销售到使用与维护的过程中都不可避免地涉及到许多相关领域和交叉学科。因此学习、理解和掌握数控传述，是从事加工行业人士的必由之路为了尽是减少加工中心的故障停机时间，我根据多年的维修管理经验针对加工中心故障频率较高的自动换刀裝置部分，总结了一些快速诊断和查找故障的方法现以VH-650加工中心为例进行简述。

1.加工中心主轴和刀有间隙刀具不能夹紧到位

故障现象(1)：刀具送入加工中心主轴和刀有间隙时不能安全进入夹爪。

原因：①打杆与夹爪拉杆之间距离大于5mm

排除方法：①调整打杆处的调整螺母，使其与拉杆之间距离1~5mm以内②检查换刀液压油是否足够；气液缸及其管路是否存在泄漏；压缩空气压力是否达到0.392Mpa以上。若有上述现象則检修，使加工中心主轴和刀有间隙换刀压力达到3.92~6.868Pma

故障现象(2)：工件加工质量变坏，如钻孔出现圆柱度变坏等

原因：①拉杆上的蝶形弹簧断裂。在加工中心主轴和刀有间隙停止状态下用手沿轴线方向上下拉动刀具，会发现刀具有上下窜动现象②夹爪破裂。在加工中心主轴和刀有间隙停止状态下置“寸动”模式，手动上下上的刀具会感觉到刀具上下不灵活自如。

2.刀库转动时不能刹车定位

原因：刀庫计数感应开关LSIO损坏。此时在“寸动”模式下，每按刀库旋转按钮一次刀库只旋转一个刀位后立即停止转动，并且该刀位不能停止在規定的换刀位置

排除方法：更换感应开关。

原因：控制刀库转动的计数感应开关损坏或感应开关的接线断，或感应距离太远

排除方法：检查感应开关的接线状况；感应距离调整在1~5mm以内，若无效则更换感应开关。

原因：①刀库旋转状态位置感应开关感应面上附着有铁屑等污物②刀库上的刀套下降未到位，刀套升降气缸压力不足

排除方法：①清洁感应开关。②检查气缸及其祕管道有无泄漏使压力達到0.392~0.49Mpa。

原因：①控制刀臂旋转的感应开关表面上附着有铁屑等污物②控制刀臂旋转的感应开关损坏或接线不良。

排除方法：①清洁感应開关表面②检查感应开关接线，若无效则更换感应开关。

原因：①刀套上升限位开关坏；接触杠杆动作不灵活；刀套上升后接触杠杆鈈能压入②刀套下降限位开关坏；接触杠杆动作不灵活；刀套上升后接触杠杆不能弹出。

排除方法：①检查限位开关的接触杠杆动作是否灵活若无效；则更换限位开关。②检查限位开关的接触杠杆动作是否灵活若无效，则更换限位开关

以上故障可按所述方法比较快哋判断和排除从而减少候机时间，提高加工中心的利用率由于数控机床价格昂贵，结构复杂数控系统出现故障时又难以排除，因此有些用户从“保护”设备出发宁可闲置，非万不得己时才启用设备利用率极低。其实这种保护方法是不可取的，尤其是对于数控系统更是如此。因此数控系统是由成千上万个电子器件组成而它们的性能和寿命具有很大的离散性。它们虽经严格筛选但在使用过程中仍不免会有某些元件出现故障。所以建议用户们参考我以上介绍的一些处理方法来判断故障

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刀具对于来說每天都大规模使用属于一种劳损工具。刀具在加工中心作业过程中会产生磨损,破损,崩刃等现象虽然不可避免，但是过于频繁的发生鈈加重了生产成本也降低了生产效率。这当然也有人为原因如：维护保养知识不当、操作不科学不规范等找到根本原因解决才能更好解决问题。

一、刀具磨损刀具磨损按磨损原因可分为：

被加工材料中常有一些硬度极高的微小颗粒，能在刀具表面划出沟纹这就是磨料磨砂损。磨料磨损在各个面都存在前刀面最明显。而且各种切削速度下都能发生麻料磨损但对于低速切削时，由于切削温度较低其它原因产生的磨损都不明显，因而磨料磨损是其主要原因成海数控机床的日常研发生产就是致力减少磨料磨损，另处刀具硬度越低磨料麻损越严重

切削时，工件、切削与前后刀面之间存在很大的压力和强烈的摩擦，因而会发生冷焊由于摩擦副之间有相对运动，冷焊将产生破裂被一方带走从而造成冷焊磨损。冷焊磨损一般在中等切削速度下比较严重根据实验表明，脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强；多相金属比单向金属小；金属化合物比单质冷焊倾向小；化学元素周期表中B族元素与铁的冷焊倾向小高速钢与硬质合金低速切削时冷焊比较严重。

在高温下切削、工件与刀具接触过程中双方的化学元素在固态下相互扩散，改变刀具的成分结构使刀具表层变得脆弱，加剧了刀具的磨损扩散现象总是保持着深度梯度高的物体向深度梯度低物体持续扩散。例如硬质合金在800℃时其中的钴便迅速地扩散到切屑、工件中去WC分解为钨和碳扩散到钢中去；PCD刀具在切削钢、铁材料时当切削温度高于800℃时，PCD中的碳原子将以很大的扩散强度转移箌工件表面形成新的合金刀具表面石墨化。钴、钨扩散比较严重钛、钽、铌的抗扩散能力较强。故YT类硬质合金耐磨性较好陶瓷和PCBN切削时，当温度高达1000℃-1300℃时扩散磨损尚不显著。

工件、切屑与刀具由于材料的同切削时在接触区将产生热电势，这种热电势有促进扩散嘚作用而加速刀具的磨损这种在热电势的作用下的扩散磨损，称为“热电磨损”

当温度升高时刀具表面氧化产生较软的氧化物被切屑摩擦而形成的磨损称为氧化磨损。如：在700℃~800℃时空气中的氧与硬质合金中的钴及碳化物、碳化钛等发生氧化反应形成较软的氧化物;在1000℃時PCBN与水蒸气发生化学反应。

刀具按磨损形式可分为面磨损、尖磨损和后刀面磨损具体来看

在以较大的速度切削塑性材料时，前刀面上靠菦切削力的部位在切屑的作用下，会磨损成月牙凹状因此也称为月牙洼磨损。在磨损初期刀具前角加大，使切削条件有所改善并囿利于切屑的卷曲折断，但当月牙洼进一步加大时切削刃强度大大削弱，最终可能会造成切削刃的崩碎毁损的情况在切削脆性材料，戓以较低的切削速度及较薄的切削厚度切削塑性材料时一般不会产生月牙洼磨损。

刀尖磨损为刀尖圆弧的后刀面及邻近的副后刀面上的磨损它是刀具上后刀面的磨损的延续。由于此处的散热条件差应力集中，故磨损速度要比后刀面快有时在副后刀面上还会形成一系列间距等于进给量的小沟，称为沟纹磨损它们主要由于已加工表面的硬化层及切削纹路造成的。在切削加工硬化倾向大的难切削材料时最易引起沟纹磨损。刀尖磨损对工件表面粗糙度及加工精度影响最大

在很大切削厚度切削塑性材料时，由于积屑瘤的存在刀具的后刀面可能不与工件接触。除此之外通常后刀面都会与工件发生接触，而在后刀面上形成一道后角为0的磨损带一般在切削刃工作长度的Φ部，后刀面磨损比较均匀因此后刀面的磨损程度可用该段切削刃的后刀面磨损带宽度VB来衡量。

由于各种类型的刀具在不同的切削情况丅几乎都会了发生后刀面磨损特别是切削脆性材料或以较小的切削厚度切削塑性材料时刀具的磨损主要是后刀面磨损，而且磨损带的宽喥VB的测量比较简便因此通常都用VB来表示刀具的磨损程度。VB愈大不但会使切削力增大，引起切削振动而且会影响刀尖圆弧处的磨损，從而影响加工精度及加工表面质量

当工件材料组织、硬度、余量不均匀，前角偏大导致切削刃强度偏低工艺系统刚性不足产生振动，戓进行断续切削刃磨质量欠佳时，切削刃容易发生微崩即刃区出现微小的崩落、缺口或剥落。出现这种情况后刀具将失去一部分切削能力，但还能继续工作继续切削中，刃区损坏部分可能迅速扩大导致更大的破损。

（2） 切削刃或刀尖崩碎

这种破损方式常在比造荿切削刃微崩更为恶劣的切削条件下产生，或者是微崩的进一步的发展崩碎的尺寸和范围都比微崩大，使刀具完全丧失切削能力而不嘚不终止工作。刀尖崩碎的情况常称为掉尖

（3） 刀片或刀具折断。

当切削条件极为恶劣切削用量过大，有冲击载荷刀片或刀具材料Φ有微裂，由于焊接、刃磨在刀片中存在残余应力时加上操作不慎等因素，可能造成刀片或刀具产生折断发生这种破损形式后，刀具鈈能继续使用以致报废。

（4） 刀片表层剥落

对于脆性很大的材料，如TiC含量很高的硬质合金、陶瓷、PCBN等由于表层组织中有缺陷或潜在裂纹，或由于焊接、刃磨而使表层存在着残余应力在切削过程中不够稳定或刀具表面承受交变接触应力时极易产生表层剥落。剥落可能發生在前刀面刀可能发生在后刀面，剥落物呈片状剥落面积较大。涂层刀具剥落可能性较大刀片轻微剥落后，尚能继续工作严重剝落后将丧失切削能力。

（5） 切削部位塑性变型

具钢和高速钢由于强度小硬度低，在其切削部位可能发生塑性变型硬质合金在高温和彡向压应力状态直工作时，也会产生表层塑性流动甚至使切削刃或刀尖发生塑性变形面造成塌陷。塌陷一般发生在切削用量较大和加工硬材料的情况下TiC基硬质合金的弹性模量小于WC基硬质合金，故前者抗塑性变形能力加快或迅速失效。PCD、PCBN基本不会发生塑性变形现象

当刀具承受交变的机械载荷和热负荷时，切削部分表面因反复热胀冷缩不可避免的产生交变的热应力，从而使刀片发生疲劳而开裂例如，硬质合金铣刀进行高速铣削时刀齿不断受到周期性地冲击和交变热应力，而在前刀面产生梳状裂纹有些刀具虽然并没有明显的交变載荷与交变应力，但因表层、里层温度不一致也将产生热应力，加上刀具材料内部不可避免地存在缺陷，故刀片也可能产生裂纹裂紋形成后刀具有时还能继续工作一段时间，有时裂纹迅速扩展导致刀片折断或刀面严重剥落

（1）成海数控技术团队针对被加工材料和零件的特点给出的建议是，合理选择刀具材料的各类和牌号在具备一定硬度和耐磨性的前提下，必须保证刀具材料具有必要的韧性

（2）匼理选择刀具几何参数。通过调整前后角主副偏角，刃倾角等角度 保证切削刃和刀尖有较好的强度。在切削刃上磨出负倒棱是防止崩刀的有效措施。

（3）保证焊接和刃磨的质量避免因焊接、刃磨不善而带来的各种疵病。关键工序所用的刀具其刀而应经过研磨以提高表面质量，并检查有无裂纹

（4）合理选择切削用量，避免过大的切削力和过高的切削温度以防止刀具破损。

（5）尽可能保证工艺系統具有较好的刚性减小振动。

（6）采取正确的操作方法尽量使刀具不承受或少承受突变性的负荷。

（1）刀片牌号、规格选择不当如刀片的厚度太薄或粗加工时选用了太硬太脆的牌号。

对策：增大刀片厚度或将刀片立装选用抗弯强度及韧性较高的牌号。

（2） 刀具几何參数选择不当（如前后角过大等）

对策：可从以下几方面着手重新设计刀具。① 适当减小前、后角② 采用较大的负刃倾角。③减小主偏角④采用较大的负倒棱或刃口圆弧。⑤ 修磨过渡切削刃增强刀尖。

（3）刀片的焊接工艺不正确造成焊接应力过大或焊接裂缝。

对筞：①避免采用三面封闭的刀片槽结构②正确选用焊料，不得不提成海数控的焊接技术过硬③避免采用氧炔焰加热焊接，并且在焊接後应保温以消除内应力。④尽可能改用机械夹固的结构

（4）刃磨方法不当造成磨削应力及磨削裂纹；对PCBN铣刀刃磨后刀齿的振摆过大，使个别刀齿负荷过重也会造成打刀。

对策：①采用间断磨削或金刚石砂轮磨削②选用较软的砂轮，并经常修整保持砂轮锋利③注意刃磨质量，严格控制铣刀刀齿的振摆量

（5）切削用量选择不合理，如用量过大便机床闷车；断续切削时，切削速度过高进给量过大，毛坯余量不均匀时切削深度过小；切削高锰钢等加工硬化倾向大的材料时，进给量过小等

对策：重新选择切削用量。

（6） 机械夹固式刀具的刀槽底面不平整或刀片伸出过长等结构上的原因

对策：①修整刀槽底面。②合理布置切削液喷嘴的位置③淬硬刀杆在刀片下媔增加硬质合金垫片。

（7） 刀具磨损过度

对策：及时换刀或更换切削刃。

（8） 切削液流量不足或加注方法不正确造成刀片骤热而裂损。

对策：① 加大切削液的流量② 合理布置切削液喷嘴的位置。③ 采用有效的冷却方法如喷雾冷却等提高冷却效果④ 采用切削减小对刀爿的冲击。

（9） 刀具安装不正确如：切断车刀安装过高或过低；端面铣刀采用了不对称顺铣等。

（10） 工艺系统刚性太差造成切削振动過大。

对策：① 增加工件的辅助支承提高工件装夹刚性。② 减小刀具的悬伸长度③ 适当减小刀具的后角。④ 采用其它的消振措施

（11） 操作不慎，如：刀具由工件中间切入时动作过猛；尚未退刀，即行停车

在靠近切削刃的一部分，刀-屑接触区内由于下压力很大，使切屑底层金属嵌入前刀面上的微观不平的峰谷内形成无间隙的真正的金属间接触而产生粘结现象，这部分刀-屑接触区被称为粘结区茬粘结区内，切屑底层将有一薄层金属材料层积滞留在前刀面上这部分切屑的金属材料经过了剧烈的变形，在适当的切削温度下发生强囮随着切屑的连续流出，在后继切削的流动所作推挤下这层滞积材料便与切屑上层发生相对滑移而离开来，成为积屑瘤的基础随后，在它的上面又会形成第二层滞积切削材料这样不断地层积，就形成了积屑瘤

（2） 特点及对切削加工的影响

①硬度比工件材料高1.5~2.0倍，鈳代替前刀面进行切削有保护切削刃、减小前刀面磨损的作用，但积屑瘤脱落时的碎片流经刀具-工件接触区会造成刀具后刀面磨损

②茬积屑瘤形成后刀具的工作前角明显增大，对减小切屑变形及降低切削力起了积极作用

③由于积屑瘤突出于切削刃之外，使实际切削深喥增大影响工件的尺寸精度。

④积屑瘤会在工件表面造成“犁沟”现象影响工件表面粗糙度。⑤积屑瘤的碎片会粘结或嵌入工件表面慥成硬质点影响工件已加工表面的质量。

由上述分析可知积屑瘤对切削加工，特别对精加工是不利的

不使切屑底层材料与前刀面发苼粘结或变形强化，即可避免积屑瘤的产生为此日的可采取如下措施

① 减小前刀面的粗糙度。

④ 采用低速切削或高速切削避开容易形荿积屑瘤的切削速度。

⑤ 对工件材料进行适当的热处理提高其硬度减小塑性。

⑥ 采用抗粘结发性能好的切削液（如含硫、氯的极压切削液）

下面由大立加工中心谈谈数控加笁中心掉刀的故障排除法：

目前,加工中心的刀库自动换刀(ATC)有两种常用换刀方式,一是刀具从刀库中直接与加工中心主轴和刀有间隙交换,二是依靠机械手交换加工中心主轴和刀有间隙与刀库上的刀具?第一种换刀方式适用于小型加工中心,刀库较小,刀具较少,换刀动作简单,出现掉刀等故障时容易发现并能及时排除?第二种换刀方式,从结构上和动作上看均属于比较复杂的一种?本文是以850加工中心为例分析掉刀故障现象並加以处理?

1、加工中心换刀的动作分析

从PLC图上看换刀程序达900多步,很难读懂其工作原理?在此,略运去ATC数据交换?传递?存储及刀号存储等內容,把换刀动作概括如下:CNC换刀指令(M06)?刀套下降?下降到位?机械手转动?转动减速?转动到位(X4.7)?加工中心主轴和刀有间隙刀松开?松开到位?机械手转动?转动减速?转动到位?加工中心主轴和刀有间隙刀夹紧?夹紧到位(X2.5)?机械手逆转?机械原位,换刀完成?其中,机械手的快?慢速由变频器实现,电动机转动时带动机械凸轮传动实现机械手的上升?下降?

掉刀故障现象出现时间较长,一开始,偶尔出现一次,一月一次,甚至两三月一次,以为是偶然因素引起的,没有引起足够的重视,慢慢地一周出现一次,甚至两次,同时伴随着加工中心主轴和刀有间隙上的刀装不箌位的情况?后来慢慢地演变为一个班次多次出现故障,严重地影响生产进度?造成废品产生?仔细观察,掉刀故障有两种情况出现,一种是由夲工步加工完成后掉刀,一种是本工步根本没加工,刀具落在工作台上?由于加工过程中,换刀动作均执行,动作顺序正常,故出现掉刀?装刀(装到加工中心主轴和刀有间隙上)不到位时均无任何报警现象,只有操作者在工件检查或听到掉刀异常声音时,才会发生故障,因而在自动加工生产线仩有时会因掉刀而出现批量废品的现象?

3、故障分析与处理 

（1）检查机械手执行ATC换刀故障排除步骤,把机械手停止在垂直极限位置?检查机械手手臂上的两个卡爪及支持卡爪的弹簧等附件?均没有发现问题,说明机械手夹持刀具紧固,在机械手转动情况下不会出现掉刀现象?

（2）檢查刀具夹持情况根据刀具有加工中心主轴和刀有间隙上装不位的现象分析,可能是加工中心主轴和刀有间隙内孔中碟簧不能对刀具夹持紧凅,从而出现刀装不到位,甚至装不上而掉刀现象?拆开加工中心主轴和刀有间隙内部,发现有几处对碟簧已碎?于是更换了全部碟簧?试车时沒有出现任何问题?运行一个班次后又出现掉刀现象?

（3）检查换刀程序针对本故障仅出现在换刀动作过程中,与其他动作无关,编辑一个自動换刀反复执行程序,并运行此程序,以期找到掉刀的真正原因?编辑自动换刀程序如下:O0200?S500?M03?G04X3.0?M06?M99?%在程序运行中,发现如下情况:加工中心主軸和刀有间隙刀具夹紧没有到位,甚至还没有夹紧动作的情况下,机械手转动,于是掉刀?依前文换刀动作顺序分析加工中心主轴和刀有间隙刀具夹紧到位行程开关误动作引起掉刀故障?打开PLC梯形图,监控该行程开关(输入为X2.5),反复按压该行程开关,发现20多次压合中有3次X2.5为“0”状态的现象絀现两次,同时压合后X2.5不能由“1”状态转到“0状态”的现象出现两次,根据以上判定该行程开关损坏?此开关为OMRONZC—Q2255,用国产CXW5—11Q1替换,试车正常?一周后,操作者仍反映有掉刀现象,当然出现的频次小了,这说明掉刀故障仍未彻底排除?

（4）故障处理反复运行两个小时,自动换刀几百次?终于發现一次故障:在机械手没有到位的情况下,加工中心主轴和刀有间隙上的刀具松开,机械手没有抓住刀,从而出现掉刀现象,这说明机械手到位磁感应开关误动作?更换开关E2E—CR8C1,故障现象仍然存在?查看PLC梯形图,此开关输入点为X4.7?梯形图中X4.7为常开点,当此开关感应时状态为“0”,不感应时状態为“1”?其逻辑状态与常见的感应开关逻辑状态相反?当X4.7断线时,也会引起X4.7为“1”状态,于是排查X4.7的联线,发现电磁感应开关后方的接线端子處X4.7松动,每当自动换刀时,机械手凸轮一系列动作引起的轻微震动,使X4.7线处于断开状态,这样在机械手未到位时,松开刀具的感应开关虽仍感应,但因處于断线状态,X4.7伯为“1”状态,于是在机械未到位时,刀具松开而出现掉刀故障?这种情况的掉刀故障,是刀具已作加工工步而后掉的刀,在上文提箌的则是刀具未作任何加工工步就掉刀的故障?

850加工中心掉刀故障,从开始的两月?一月一次故障,到每个班次多次出现故障,前前后后历经半姩有余,最后终于得到彻底解决?简单地说,此故障包括两种情况:一是机械手没有把刀装上,二是机械手没有接住松开的刀具?虽然从处理最终結果来看,是一系列小故障引起的,但通过以上维修过程可能看出,加工中心出现故障时,需先易后难,先简后繁,有步骤的一个故障一个故障的排除,切莫因发现一处故障,就认为问题彻底解决了?在解决问题的过程中,要善于利用PLC梯形图监控法进行检修,对于出现频次较低的软性故障,应针对故障范围,自编一些反复运行程序以利于故障现象的观察从而达到最终彻底解决故障的目的