對刀儀故障診斷

■ 松下壓縮機（大連）有限公司 （遼寧大連 116228） 崔維民 齊 偉 朱紅泉

某公司生產產品精度達到0.001mm，為保證產品質量，對機加工加工設備、刀具、夾具等都有較高精度及特性要求。由于公司設備壽命已達二十多年，存在磨損、老化現象，產品質量問題也隨之出現。為保證產品質量，公司對經常出現問題的設備進行全面檢測、排查、維修和更新。

1. 現象及檢測

因為產品精度規格較高，所以刀具精度要求較高，其中刀尖偏擺0.005mm以下。雖然對刀后刀具可以滿足相應規格要求，但偶爾出現首件加工不良的情況。此次，首件加工不良的刀具再次對刀，刀尖偏擺達到0.02mm以上，遠超出標準值范圍，與前一次對刀數值相差較大，經檢查，刀具沒有松動情況。刀柄型號NC5，現象初步分析如圖1所示，檢測環境溫度35℃，主軸精度檢測情況見表1。主軸拉力機構檢驗，如圖2所示計算，為0.95kN。

圖1 刀具偏擺大魚骨圖

表1 主軸精度檢測情況

圖2 碟簧規格

該設備在徑向只受到千分表微小的力，不同于加工設備中刀具的受力情況，所以不能用常規標準來衡量該設備。

刀柄錐部末端有兩個碟簧，組合方式是對合組合，組合方式特性線如圖3所示，由i個相向同規格碟片組成。對合組合的碟簧數目只影響碟簧所占空間大小，其載荷FZ=F，且最大力F是一定的。

圖3 組合方式特性線（h0/δ＜0.5）

具體載荷與變形計算公式為

式中F為單個碟片的載荷；Fz為組合碟簧的載荷；f為單個碟片的變形；Fz為組合碟簧的變形；H0為單個碟片的自由高度；Hz為組合碟簧的自由高度；i為疊合彈簧組組數；δ為碟片厚度。載荷與變形計算公式未計入摩擦力。

碟簧力F的計算。在環境溫度35℃的條件下，通過公式計算得到碟簧載荷F=1.738kN，即刀柄自身碟簧載荷1.738kN，所以對刀儀拉力應大于1.738kN，如圖2所示，De=48mm，Di=38.5mm，l0=2.15mm，h0=1.0mm。

2. 分析

（1）設備狀態 設備整個壽命周期內，其故障的發生是有規律的，即所謂“浴盆曲線”規律，如圖4所示。早期故障期：故障多是由于設備設計、制造缺陷以及搬運、安裝不適、操作不熟練引起的。偶然故障期：設備運轉故障率最低，故障的發生主要是由于操作者的疏忽和錯誤。嚴重故障期：由于設備經常磨損、腐蝕而引起故障。此設備1998年報竣，按設備故障規律判斷，現在處于嚴重故障期。

圖4 浴盆曲線

操作過程：安裝刀具的刀柄以定位塊定位，夾緊后保證刀柄錐部和端面與主軸錐孔和端面完全接觸，保證徑向和軸向定位。進行測量，讀取數據并記錄，定位塊一側的刀柄處作標示以區分檢測方向，松開刀柄放入刀架，如圖5所示。

圖5 主軸結構

存在問題點：①主軸沒有定位塊，如圖6所示。②測量后刀柄沒有從主軸中彈出，需要雙手將刀柄拔出。③主軸內拉爪可以圓周方向移位，正常狀態4個拉爪成90°，如圖7所示，實際使用狀態如圖8所示。

圖6 實際檢測狀態

圖7 拉爪正常位置

圖8 拉爪實際位置

（2）問題及數據分析 針對魚骨圖問題使用排除法進行分析。

1）刀具不良。刀具批量生產，統一采購，且此批號其他刀具目前沒有發現問題，只此一把刀具出現問題的幾率較小，所以刀具自身材質、形狀、特性等不會存在問題。經調查，所有刀具研磨都是經過清洗、擦抹后進行研磨，必須將刀具崩刃、磨損、斷裂之處磨掉，且保證精度的前提下再次投入使用。

2）各移動軸精度不良。因為對刀儀不同于機床設備以及現有檢測手段有限，所以無法檢測該設備X、Z軸精度。

3）千分表不良。檢具外審過程中檢查出對刀儀千分表精度不合格，更換一塊新的蘇制千分表（最小量程0.001mm），使用至事件發生時為期一周，再更換一塊新的千分表檢測作對比，檢測數值一致，基本排除千分表不良的可能性。

4）操作面板不良。面板按鈕及顯示屏沒有破損等不良情況，可以正常使用，當各傳動軸移動時，顯示器顯示數據與千分表指針變化量完全一致。

5）對刀儀標準棒精度不良。事件發生時，對刀儀負責人曾親自使用標準棒對對刀儀進行檢測、校正，測得主軸遠端徑向跳動數據為0.020mm，診斷人員使用新標準棒測量后數據為0.006mm，懷疑標準棒因長期使用已磨損，初步診斷為標準棒精度不良。本著認真、負責的態度，次日再次使用新標準棒測量，主軸遠端徑向跳動為0.016mm，為查找原因使用對刀儀標準棒測量，數據為0.015mm，反復三次測得數據最大差值0.001mm，見表2，說明對刀儀標準棒精度與新標準棒精度基本一致，即對刀儀標準棒精度良好。

6）人員操作不當。換刀人員工作時間一年以上，且負責人也對刀具及標準棒進行過測量，數據與換刀人員測得的一致，所以排除人員操作不當的原因。

7）對刀儀主軸精度不良。對刀儀主軸精度主要有3個：①主軸錐孔精度。刀柄錐部長度34.0mm，與主軸接觸有效長度30.0mm，所以選擇上端測量點距離端面5.0mm，下端測量點距離端面25.0mm位置，測得數值趨勢一致，即上下端磨損位置相同。標準棒檢測近端徑向跳動，數值及趨勢與錐孔精度基本一致。但是次日測量標準棒，遠端數據為0.016mm，檢測條件：同一臺設備、同一個人、同一個標準棒、同一塊千分表、同樣操作順序、相同地點、不同時間和不同溫度。不同時間檢測即二次裝夾；不同溫度會使設備零部件、標準棒、千分表等產生微變形，對精度會產生微小變化，不足以使精度發生較大變化，見表3。②主軸端面精度。主軸端面軸向跳動0.004mm，與錐孔數值趨勢相同，即錐孔與端面磨損位置方向相同。端面由于沒有定位塊定位，刀具測量數據存在安裝誤差的可能性。③拉力。拉力計檢測拉力為0.95kN。碟簧載荷F會受到材質、尺寸、溫度、組合方式和數目等因素的影響，現場的工作環境唯一有變化的是溫度，測量結果見表4。

表2 標準棒檢測情況 （單位：mm）

表3 主軸徑向跳動檢測情況

表4 不同環境溫度力F情況

從表4可以看出，最高溫度35.5℃時碟簧載荷F為1.736kN，最低溫度28.5℃時碟簧載荷F為1.739kN，溫度越低，碟簧載荷越大。工作現場雖然溫差7℃，但是碟簧載荷的變化較小，假設冬天室溫為10℃，通過公式計算，碟簧載荷F=1.743kN，說明溫度對碟簧影響較小。

實際拉力值為0.95kN，已是標準值二分之一，遠小于標準值，無法滿足正常工作的需要。

經檢查，主軸內拉爪有松動現象，4個拉爪正常成90°狀態，如圖7所示，現拉爪都可以圓周方向移動，手動變換角度進行試驗，標準棒遠端徑向跳動最大差值0.005mm，說明拉爪位置對徑向跳動影響較大。

測量后刀具無法自動彈出，說明拉爪磨損。

3. 結語

通過各項檢測能精確診斷出問題點，有針對性地對問題點進行維修、調整，從而提高設備的可靠性、降低維修頻率、減少維修費用及提高產品質量、產量，降低生產成本、提高經濟效益。