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加工中心若（ruò）幹典型失效部件缺陷的改進

2021-2-3 來源：上汽通用五（wǔ）菱汽（qì）車股份有限公司作者：朱金輝（huī），呂啟菊，胡宇澄

摘要：通過（guò）對 XS321 型加工中心的若幹典型失效部件及缺陷分析（xī），提出改進缺陷的方法，為機床設計人員和維護人員提（tí）供一些借（jiè）鑒，保證設備（bèi）的穩定（dìng）性。

關鍵詞：加工中心；失效部（bù）件；改進

0 引言

缸體缸（gāng）蓋生產一般采用流（liú）水線模式，多（duō）台加工中心分別加（jiā）工不同（tóng）的工件特征，最終（zhōng）得到合格成品（pǐn）而（ér）對於一條流水線，加工中心往（wǎng）往會采用同一（yī）廠家同一型（xíng）號設備，即采用同（tóng）一型（xíng）設備（bèi）平台，僅針對不（bú）同加工特征在夾具和程序方麵做改動。例如上汽通用五菱汽車股份有限公司缸體缸蓋生產線采用大量（liàng）XS321 型加工中心。流水線上 XS321 型加工中（zhōng）心大量的通用係統成（chéng）為決定（dìng）生產線穩（wěn）定性的決定（dìng）因素。任何一個通用係統（tǒng）上的故障（zhàng）都可能成為所有加工中心的共性問題。因此，在設計階段（duàn）避免這些共性問題顯得尤為重要。本文（wén）主要介紹 XS321 型加工中心若幹典型失效部（bù）件及其改進方案。

1 、失效部件及改進

1.1 XS321 型加工中心組（zǔ）成

XS321 型加工中心（xīn）主要由機床防護（hù）、工裝夾具、刀具係（xì）統、控製驅動係統、液（yè）壓係統、氣（qì）動係統、冷卻係統（tǒng）及潤滑係統構成。其中，機床防護係統主要由（yóu）上料門裝置及防護板構成；工裝夾具主（zhǔ）要由推拉台、油缸及到位檢測裝置構成；刀具係統主要由換刀門裝置、刀盤（pán）及刀夾組件構成；液壓係統主要由（yóu）液壓泵、液壓（yā）管路和控製閥構成；冷卻係統主要由水箱（xiāng）、冷卻泵、過濾滾（gǔn）筒和濾芯構成。本文選取上料門裝置 1、換刀門裝置 2、刀夾組件 3、推拉台 4、到位檢測裝置 5五個部件進行分析其失效特征及改進措施（圖 1）

圖 1 XS321 型加工中（zhōng）心組成

1.2 上（shàng）料門裝置

上料門也稱為（wéi）送料門，目前 XS321 型加工中（zhōng）心主要（yào）有兩種上料方式：人工（gōng）推拉上料和機械手上料（liào）[1]。機械手上料一般采用頂部進料方式，上料門（mén）可以設（shè）計成比較輕巧的結構，出現（xiàn）故障的概率很低。而人工推（tuī）拉上料為保（bǎo）證機床外的人員安全，同時為方便（biàn）觀察，上料門均采用厚重鋼板（bǎn）及防彈玻璃組成。同時XS321 型加工中心需高速、高效加工，上料門必須快速地開啟和（hé）關閉（bì）。如圖 2，目前上料門 1 驅動一般采用液壓油缸（gāng） 3。此結構存在一個主要缺陷：液壓油缸（gāng）具有作用力大的特點，油缸動作的瞬間衝擊力較大，上料門（mén）連接部位 2 受力大，連接部位容易開裂，如（rú）圖3，圈內（nèi）為開裂部位。現場 80 台該型加工中心上料門均（jun1）在連接位（wèi）置出現不同程度的開裂情況，以每（měi）次停機 8 h 計算，共（gòng）造成 640 h 的產量損失，對現場生產線造成重（chóng）大影響。

圖2 改進前上料門裝置

圖3 上料門開裂部位

針對上料門開裂的問題，有兩個方向進（jìn）行改進：加強連接（jiē）部位強度或者改進驅動裝（zhuāng）置。加強連接部位強度（dù）可（kě）以通（tōng）過在連接部（bù）位焊接加強筋實現，此方法可以緩解（jiě）上料門開裂的問題（tí）。然而由於上料門重量大以及液壓驅動有衝擊力（lì）大的固有缺陷（xiàn），長時間運行，連接部位可能疲勞開裂。因此，改進（jìn）上料門驅動裝置才能從根本上解決開裂的問（wèn）題。如圖 4，上料（liào）門 3 改（gǎi）為（wéi）電機驅動，齒輪（lún）和齒條 2 傳（chuán）動，通過調整電（diàn）機參數（shù）降低衝擊力。同時（shí），使（shǐ）用配重 4 平衡上料門的重力，驅動時僅（jǐn）需要克服慣性。新機構（gòu）徹底消除了上料門（mén）開裂的問題，效果如表（biǎo） 1 所示。該方案（àn）可廣泛（fàn）應用於各類（lèi）設（shè）備，任何需要垂直運動的大重量機構均可以參考，避免結構正常運行時出現開（kāi）裂的問題。

圖4 改進後上料門裝置

表 1 新上料門機構改進效果

1.3 換刀門（mén）裝置

換（huàn）刀門主要用於分隔加工倉和刀盤，防止加工中切削（xuē）液和切屑進入刀盤，從而避免電主軸換刀時出現刀具抓取故障。如圖 5 所示（shì），換刀門 1 一般隻需單（dān）層薄板製造，使用無杆氣缸 2 驅動。實際換刀過程中，加工完成的刀具會攜帶少量（liàng）的切削液和切屑進入刀盤，並掉落在無杆氣缸表麵。無杆氣缸暴露的兩條密封條 3 經過切削液長時間的（de）浸泡變形及切屑摩擦，造（zào）成無杆氣缸（gāng）滑塊 4 卡滯，如圖 6。根據現場XS321 加工中心的（de）使用（yòng）經驗（yàn），無杆氣缸密（mì）封（fēng）條使用壽命僅約（yuē）兩年。鑒於無杆氣缸大麵積（jī）密（mì）封外露導致損壞的問（wèn）題，圖 7 使（shǐ）用普通有杆氣缸 1 可有效（xiào）解決該問題。至於無杆氣缸具有的導向作用，可以增加（jiā）滑軌和滑塊 2 配（pèi）合有杆氣缸使用。無杆氣缸與有杆氣缸使用情況對比（bǐ）見表 2。

圖 5 使用無杆氣缸驅動（dòng）的換刀

圖 6 密封變形造成卡滯

圖 7 使（shǐ）用（yòng）有杆氣缸驅動的換刀

表 2 無杆（gǎn）氣缸與有杆氣缸使用效果對比

1.4 刀夾（jiá）組件

刀夾組件是刀具固定的關鍵部件。刀夾組（zǔ）件需保證刀具跟隨刀盤旋轉運動時相對刀夾的（de）位置不（bú）變，確保（bǎo）刀具能順利插入電主軸鎖緊[2]。如圖 8 為XS321 型加工中心的刀夾組件示意圖。組件主要由兩個刀夾 1、刀夾（jiá）定位銷 2、卡簧 3、鬆開彈簧和頂杆組成。刀夾組件和刀盤通過定位（wèi）銷連接，定位銷通過卡簧限位。當加工中心用於粗加（jiā）工線時，刀（dāo）具（jù） 4 普遍重量大，外形尺寸較大，刀具（jù）在刀盤旋轉時所受離心力大。此時起限位作用的（de）卡簧容易崩邊脫落，導致刀（dāo）具掉落，如圖（tú） 9。通過改進刀夾固定方式，使用螺紋連接的分體式（shì）定位（wèi）銷，取消卡簧，見圖 10。經現場驗證可徹底解決刀具掉落的問題，取得（dé）的（de）效果如表 3 所示

圖 8 刀夾（jiá）組件示意圖

圖 9 刀具掉落

圖 10 分體式（shì）定位銷示意圖（tú）

表（biǎo） 3 改進前後效果對比

1.5 推拉台

XS321 型加工中心采用人工上料模式時普遍需要使用推拉台。如圖 11，推拉台 2 使用金屬（shǔ）材料加工且（qiě）表麵粗糙度要（yào）求達到（dào） Ra0.8，加工難度極（jí）大。另外，經過一（yī）段時間生產運行，推（tuī）拉台表麵易出現微觀（guān）凸起或凹坑。工件 1 經過推拉台後出現劃傷。以鋁合金缸蓋生產 XS321 加（jiā）工中心為例，缸蓋底麵劃傷（shāng），見圖12。平均（jun1）每班次停機 30 min，平均每月有 170 件需（xū）要返修，存在（zài）極（jí）大的停機和返修浪費。鑒於推拉（lā）台與工件底麵為麵接觸，且接觸麵（miàn）積大。現有的技術難於保證大平麵的表麵粗糙度。改進後的方案取消麵接觸（chù）的方式，如圖 13，工件與平（píng）台接觸改為線接觸，設計滾筒式托盤（pán） 1 替換推拉台。從而徹底消除鋁合（hé）金缸蓋底麵劃傷問題。表 4 為 2019 年 5 月至 12 月改進前後劃傷數量對比。該結構同樣適用於材料較軟工件的設備，充分利用（yòng）滾動（dòng）模（mó）式替換滑動模式[3]。

圖11 推拉（lā）台

圖12 缸蓋底麵劃

圖13 滾筒式托盤

表（biǎo） 4 5 月至 12 月改進前後數據對比

1.6 到位檢測裝置

XS321 型加工中心內工（gōng）裝夾具需要監控運動部件（jiàn）的到位狀態，夾具動作需要根據程序設定順序動作，確保設備安全。由於（yú）切削環境限製，夾具到（dào）位（wèi）檢測裝置必然會接觸到切屑造成誤感應。以缸（gāng）體和缸蓋生產線為例，該加（jiā）工中心（xīn）夾（jiá）具發生多次碰撞，造成難於修複的精度損壞。如何防止到位檢測裝置誤感應是提高夾（jiá）具可靠性的關鍵問題。依據（jù）切屑的材料特征，選取不同感（gǎn）應介質的（de）到位檢測裝置可（kě）有效避免誤感應問題。如加工鑄（zhù）鐵材質缸體的加工中心使用感（gǎn）應（yīng）鋁材料的檢測（cè）裝（zhuāng）置而加工鋁合（hé）金材質缸蓋的加工中心使用感應鐵材料的檢測裝置。如表 5。利用工件材質和檢測裝置的相異性，可（kě）徹底解決（jué）誤感應問題[4]。

表 5 機（jī）床檢測裝置選用

2 、結束語

本文著重介紹了 XS321 型（xíng）加工中心多（duō）個部件的（de）失效模式（shì）及其改進方案。通（tōng）過（guò）在項目初期避（bì）免這些設計缺陷，可有效提高設備的穩定性和降低後期設備維護的難度。實際操作中，設計人員（yuán）可以根據實際（jì）情況借鑒這些改進方（fāng）案，從而為客（kè）戶提供更合適的方案，提高客戶滿意度。對（duì）於設備操作維護人員（yuán），也可以根據文中的改進思路，對設備進行（háng）某些自主改造（zào），降低設備（bèi）停線率，提高產品輸出效率，為企業做出力所能及的貢獻（xiàn）。

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