卧式加工中心用刀库的可靠性提升

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编者按

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随着公司机床销量的增加，故障率也在逐年增加，因此降低机床故障率，提升其可靠性水平显得愈加紧迫。以对刀库可靠性水平要求较高的卧式加工中心机床为例，通过对新出厂机床在质保期内的刀库故障进行梳理，从内部影响因素和外部影响因素两个角度来详细分析影响刀库可靠性的若干问题，包括结构设计、装配制造及质量控制等问 题 [1] ，为刀库供应商、机床设计部门及机床制造部 门的工作改进提供有力的数据支撑，保证刀库性能的稳定，进而促进机床整机可靠性的提升。卧式加工中心用刀库如图１所示 。

图 1 卧式加工中心用刀库

通过对2018年全年卧式加工中心加维修数据进行梳理，我们发现2018年共发生刀库故障124起，主要包括卡刀、掉刀、乱刀和倒/回刀等故障，为了方便归纳，将影响刀库稳定性的因素分为内部因素和外部因素。刀库供应商问题称为内部影响因素，可通过向供应商提出改进建议，要求供应商进行完善；机床结构设计问题和制造问题为外部影响因素，由机床设计和生产制造部门进行改进优化 ^{[ 2 ]} 。刀库故障的不同影响因素的占比如图2所示。

图 2 刀库故障影响因素占比

由图2可知，卧式加工中心刀库故障中，刀库自身问题引起的故障占比最高，为41.93%；机床设计也存在较多问题，占比28.23%。同时还需要加强机床生产过程的控制，提升产品的安装合格率。

2.1 内部影响因素分析与控制

内部影响因素，是指刀库自身因素。刀库主要由刀仓和ATC换刀机构这两部分组成 ^{[ 3 ]} ，内部影响因素分析见表1。

表 1 刀库故障内部影响因素分析

由表1统计可知，刀库自身问题引起的故障总数为52起，占比41.93%，在刀库故障总量中占据了最大份额。由此可见，刀库自身可靠性的提升将极大促进机床整体可靠性的提升。上述故障中，针对刀仓部分主要需要改进刀仓上信号开关的安装、增加锁紧结构，同时需要改进带动刀仓旋转的电动机上的刹车装置；ATC机构改进点较多，主要故障点为换刀机构和凸轮箱，根据故障次数，建议刀库厂家将对刀臂和凸轮箱进行整体考量，从结构上更换品牌。

2.2 外部影响因素控制

外部影响因素是指除了刀库自身之外，影响刀库有效运行的其他机床因素，包括：机床主轴、刀库自动门防护设计和电气设计等。这些因素机床厂内部可以在一定程度上加以控制，从而促进设计、制造以及质保等部门工作的改进。除此之外，客户使用也是需要改善的方向之一，减少客户使用过程中的误操作、违规操作，对提升机床有效运行具有重要意义。外部影响因素的具体分析见表2～表４。

表 2 刀库故障外部影响因素分析 （机床设计）

表 3 刀库故障外部影响因素分析 （机床装配）

表 4 刀库故障外部影响因素分析 （客户使用）

由表2可知，机床电气设计或机械设计引起的故障总数35起，占比28.23%。机械设计可以改进刀库自动门结构，将变频刀库改为普通刀库，进而降低相应故障率；电气设计可以改进PLC的控制逻辑，弥补电气控制参数的漏洞，增加对制造现场电气工艺的指导来提升出厂机床的可靠性，从设计源头降低机床故障率。

由表3可知，机床制造过程中质量管控不到位引起的故障总数19起，占比15.32%。工艺和质保有必要加强对主轴箱上带轮松紧度以及管路接线的指导与检验。售后服务部门在安装刀库和垂直轴驱动电动机后，需要重新校准换刀点，表3中由于第二参考点位置变动引起的卡刀现象较多，因此需要予以特别的重视。

由表4可知，由客户自身问题引起的故障总数为18起，占比14.52%，这方面也需要引起相应的重视，加强客户培训和宣导。

在供应商、设计和生产部门进行了相应的改进后，我们继续对2019年和2020年的卧式加工中心刀库故障问题进行跟踪，统计数据表明，该改进取得了良好的效果。在2019年和2020年机床销量实现较大跃升的前提下，刀库的故障次数和故障率反而得到了大幅下降，说明上述可靠性提升措施是切实有效的。 2019—2020年公司机床销量取得巨大提升，统计数据如图3所示。根据图3可知，2019年和2020年在保修期内的机床数量均大于2018年。

图 3 2018 — 2020 年保修期内的机床台数

在实施了刀库专项改进计划后，刀库的故障次数由2018年的124起，降低至2019年的88起。而2019年在保修期内的机床台数远大于2018年，2020年虽然降幅缩小，但刀库可靠性提升的趋势没有改变。2018—2020年卧式加工中心刀库维修统计如图4所示。

图 4 2018 — 2020 年卧式加工中心刀库维修统计

3.1 2018—2020年刀库故障次数的统计分析

根据公司生产部门发布的2018—2020年售后维修统计数据（见图5），得到以下信息。

1）2019年和2020年刀仓和ATC换刀机构的绝对故障次数得到较大幅度下降，刀库故障内部影响因素得到控制，刀库供应商的改进取得了较大成效。

2）2019年和2020年机床设计方面的改进也取得了较大效果，故障次数由2018年的35起，降低到2019年的23起，随着时间效应的显现，2020年降低到了5起。

图 5 2018 — 2020 年售后维修统计数据

3.2 2018—2020年刀库故障因素的占比统计分析

根据图5的数据，进一步得出2018—2020年刀库故障因素比重统计，如图6所示。随着刀库可靠性改善工作的推进，刀库自身问题和机床设计在刀库故障中的占比越来越小，机床装配和客户使用不当造成的故障占比越来越高，必须更加注重对装配制造质量的控制。

图6 2018—2020年刀库故障因素比重统计

通过对影响卧式加工中心刀库故障的因素进行详细的分析总结，为刀库供应商、机床设计部门和生产部门提供详细的数据支撑，以便找准问题改进的方向，从而快速、精准、有效地解决问题，有力地推动此类机床可靠性水平的提升。

参考文献：

[1] 肖志晓，黎展滔，彭乘风，等. 考虑刀具寿命下加工中心刀库中刀具动态配置成本的优化[J]. 机电工程技术，2022，51（11）：12-16，79. [2] 肖志晓. 加工中心刀具配置优化研究[D]. 广州：广东工业大学，2022. [3] 卫亚斌，殷国富，彭骥，等. 基于ANSYS WorkBench的精密卧式机床动静态性能分析[J]. 机械，2018，45（5）：29-32，59. 本文发表于《金属加工（冷加工）》2022年第3期67~70页，作者 ：纽威数控装备（苏州）股份有限公司  李英兰，原标题：《卧式加工中心用刀库的可靠性提升》。

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