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加工中心若干典型失效部件缺陷的改進(jìn)

2021-2-3 來源：上汽通用五菱汽車股份有限公司作者：朱金輝，呂啟菊，胡宇澄

摘要：通過對 XS321 型加工中心的若干典型失效部件及缺陷分析，提出改進(jìn)缺陷的方法，為機(jī)床設(shè)計(jì)人員和維護(hù)人員提供一些借鑒，保證設(shè)備的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：加工中心；失效部件；改進(jìn)

0 引言

缸體缸蓋生產(chǎn)一般采用流水線模式，多臺加工中心分別加工不同的工件特征，最終得到合格成品而對于一條流水線，加工中心往往會采用同一廠家同一型號設(shè)備，即采用同一型設(shè)備平臺，僅針對不同加工特征在夾具和程序方面做改動。例如上汽通用五菱汽車股份有限公司缸體缸蓋生產(chǎn)線采用大量XS321 型加工中心。流水線上 XS321 型加工中心大量的通用系統(tǒng)成為決定生產(chǎn)線穩(wěn)定性的決定因素。任何一個(gè)通用系統(tǒng)上的故障都可能成為所有加工中心的共性問題。因此，在設(shè)計(jì)階段避免這些共性問題顯得尤為重要。本文主要介紹 XS321 型加工中心若干典型失效部件及其改進(jìn)方案。

1 、失效部件及改進(jìn)

1.1 XS321 型加工中心組成

XS321 型加工中心主要由機(jī)床防護(hù)、工裝夾具、刀具系統(tǒng)、控制驅(qū)動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)構(gòu)成。其中，機(jī)床防護(hù)系統(tǒng)主要由上料門裝置及防護(hù)板構(gòu)成；工裝夾具主要由推拉臺、油缸及到位檢測裝置構(gòu)成；刀具系統(tǒng)主要由換刀門裝置、刀盤及刀夾組件構(gòu)成；液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、液壓管路和控制閥構(gòu)成；冷卻系統(tǒng)主要由水箱、冷卻泵、過濾滾筒和濾芯構(gòu)成。本文選取上料門裝置 1、換刀門裝置 2、刀夾組件 3、推拉臺 4、到位檢測裝置 5五個(gè)部件進(jìn)行分析其失效特征及改進(jìn)措施（圖 1）

圖 1 XS321 型加工中心組成

1.2 上料門裝置

上料門也稱為送料門，目前 XS321 型加工中心主要有兩種上料方式：人工推拉上料和機(jī)械手上料[1]。機(jī)械手上料一般采用頂部進(jìn)料方式，上料門可以設(shè)計(jì)成比較輕巧的結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)故障的概率很低。而人工推拉上料為保證機(jī)床外的人員安全，同時(shí)為方便觀察，上料門均采用厚重鋼板及防彈玻璃組成。同時(shí)XS321 型加工中心需高速、高效加工，上料門必須快速地開啟和關(guān)閉。如圖 2，目前上料門 1 驅(qū)動一般采用液壓油缸 3。此結(jié)構(gòu)存在一個(gè)主要缺陷：液壓油缸具有作用力大的特點(diǎn)，油缸動作的瞬間沖擊力較大，上料門連接部位 2 受力大，連接部位容易開裂，如圖3，圈內(nèi)為開裂部位。現(xiàn)場 80 臺該型加工中心上料門均在連接位置出現(xiàn)不同程度的開裂情況，以每次停機(jī) 8 h 計(jì)算，共造成 640 h 的產(chǎn)量損失，對現(xiàn)場生產(chǎn)線造成重大影響。

圖2 改進(jìn)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(gè)方向進(jìn)行改進(jìn)：加強(qiáng)連接部位強(qiáng)度或者改進(jìn)驅(qū)動裝置。加強(qiáng)連接部位強(qiáng)度可以通過在連接部位焊接加強(qiáng)筋實(shí)現(xiàn)，此方法可以緩解上料門開裂的問題。然而由于上料門重量大以及液壓驅(qū)動有沖擊力大的固有缺陷，長時(shí)間運(yùn)行，連接部位可能疲勞開裂。因此，改進(jìn)上料門驅(qū)動裝置才能從根本上解決開裂的問題。如圖 4，上料門 3 改為電機(jī)驅(qū)動，齒輪和齒條 2 傳動，通過調(diào)整電機(jī)參數(shù)降低沖擊力。同時(shí)，使用配重 4 平衡上料門的重力，驅(qū)動時(shí)僅需要克服慣性。新機(jī)構(gòu)徹底消除了上料門開裂的問題，效果如表 1 所示。該方案可廣泛應(yīng)用于各類設(shè)備，任何需要垂直運(yùn)動的大重量機(jī)構(gòu)均可以參考，避免結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)開裂的問題。

圖4 改進(jìn)后上料門裝置

表 1 新上料門機(jī)構(gòu)改進(jìn)效果

1.3 換刀門裝置

換刀門主要用于分隔加工倉和刀盤，防止加工中切削液和切屑進(jìn)入刀盤，從而避免電主軸換刀時(shí)出現(xiàn)刀具抓取故障。如圖 5 所示，換刀門 1 一般只需單層薄板制造，使用無桿氣缸 2 驅(qū)動。實(shí)際換刀過程中，加工完成的刀具會攜帶少量的切削液和切屑進(jìn)入刀盤，并掉落在無桿氣缸表面。無桿氣缸暴露的兩條密封條 3 經(jīng)過切削液長時(shí)間的浸泡變形及切屑摩擦，造成無桿氣缸滑塊 4 卡滯，如圖 6。根據(jù)現(xiàn)場XS321 加工中心的使用經(jīng)驗(yàn)，無桿氣缸密封條使用壽命僅約兩年。鑒于無桿氣缸大面積密封外露導(dǎo)致?lián)p壞的問題，圖 7 使用普通有桿氣缸 1 可有效解決該問題。至于無桿氣缸具有的導(dǎo)向作用，可以增加滑軌和滑塊 2 配合有桿氣缸使用。無桿氣缸與有桿氣缸使用情況對比見表 2。

圖 5 使用無桿氣缸驅(qū)動的換刀

圖 6 密封變形造成卡滯

圖 7 使用有桿氣缸驅(qū)動的換刀

表 2 無桿氣缸與有桿氣缸使用效果對比

1.4 刀夾組件

刀夾組件是刀具固定的關(guān)鍵部件。刀夾組件需保證刀具跟隨刀盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)相對刀夾的位置不變，確保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(gè)刀夾 1、刀夾定位銷 2、卡簧 3、松開彈簧和頂桿組成。刀夾組件和刀盤通過定位銷連接，定位銷通過卡簧限位。當(dāng)加工中心用于粗加工線時(shí)，刀具 4 普遍重量大，外形尺寸較大，刀具在刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)所受離心力大。此時(shí)起限位作用的卡簧容易崩邊脫落，導(dǎo)致刀具掉落，如圖 9。通過改進(jìn)刀夾固定方式，使用螺紋連接的分體式定位銷，取消卡簧，見圖 10。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證可徹底解決刀具掉落的問題，取得的效果如表 3 所示

圖 8 刀夾組件示意圖

圖 9 刀具掉落

圖 10 分體式定位銷示意圖

表 3 改進(jìn)前后效果對比

1.5 推拉臺

XS321 型加工中心采用人工上料模式時(shí)普遍需要使用推拉臺。如圖 11，推拉臺 2 使用金屬材料加工且表面粗糙度要求達(dá)到 Ra0.8，加工難度極大。另外，經(jīng)過一段時(shí)間生產(chǎn)運(yùn)行，推拉臺表面易出現(xiàn)微觀凸起或凹坑。工件 1 經(jīng)過推拉臺后出現(xiàn)劃傷。以鋁合金缸蓋生產(chǎn) XS321 加工中心為例，缸蓋底面劃傷，見圖12。平均每班次停機(jī) 30 min，平均每月有 170 件需要返修，存在極大的停機(jī)和返修浪費(fèi)。鑒于推拉臺與工件底面為面接觸，且接觸面積大。現(xiàn)有的技術(shù)難于保證大平面的表面粗糙度。改進(jìn)后的方案取消面接觸的方式，如圖 13，工件與平臺接觸改為線接觸，設(shè)計(jì)滾筒式托盤 1 替換推拉臺。從而徹底消除鋁合金缸蓋底面劃傷問題。表 4 為 2019 年 5 月至 12 月改進(jìn)前后劃傷數(shù)量對比。該結(jié)構(gòu)同樣適用于材料較軟工件的設(shè)備，充分利用滾動模式替換滑動模式[3]。

圖11 推拉臺

圖12 缸蓋底面劃

圖13 滾筒式托盤

表 4 5 月至 12 月改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對比

1.6 到位檢測裝置

XS321 型加工中心內(nèi)工裝夾具需要監(jiān)控運(yùn)動部件的到位狀態(tài)，夾具動作需要根據(jù)程序設(shè)定順序動作，確保設(shè)備安全。由于切削環(huán)境限制，夾具到位檢測裝置必然會接觸到切屑造成誤感應(yīng)。以缸體和缸蓋生產(chǎn)線為例，該加工中心夾具發(fā)生多次碰撞，造成難于修復(fù)的精度損壞。如何防止到位檢測裝置誤感應(yīng)是提高夾具可靠性的關(guān)鍵問題。依據(jù)切屑的材料特征，選取不同感應(yīng)介質(zhì)的到位檢測裝置可有效避免誤感應(yīng)問題。如加工鑄鐵材質(zhì)缸體的加工中心使用感應(yīng)鋁材料的檢測裝置而加工鋁合金材質(zhì)缸蓋的加工中心使用感應(yīng)鐵材料的檢測裝置。如表 5。利用工件材質(zhì)和檢測裝置的相異性，可徹底解決誤感應(yīng)問題[4]。

表 5 機(jī)床檢測裝置選用

2 、結(jié)束語

本文著重介紹了 XS321 型加工中心多個(gè)部件的失效模式及其改進(jìn)方案。通過在項(xiàng)目初期避免這些設(shè)計(jì)缺陷，可有效提高設(shè)備的穩(wěn)定性和降低后期設(shè)備維護(hù)的難度。實(shí)際操作中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際情況借鑒這些改進(jìn)方案，從而為客戶提供更合適的方案，提高客戶滿意度。對于設(shè)備操作維護(hù)人員，也可以根據(jù)文中的改進(jìn)思路，對設(shè)備進(jìn)行某些自主改造，降低設(shè)備停線率，提高產(chǎn)品輸出效率，為企業(yè)做出力所能及的貢獻(xiàn)。

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