图1  内外仿主轴系统

由于活塞环种类繁多，设备调整频繁，使得内外仿形设备故障较多。本文深入分析了产生故障的原因，并对相应的解决措施和维修方式提出了建议。

活塞环卧式内外圆仿形车铣床（以下简称“内外仿”）是铸铁材质活塞环粗加工的关键设备之一。由于国产活塞环毛铸造后的毛坯内外径收缩量与理论设计收缩量总是存在较大差异，导致活塞环在仿形加工时加工余量大、加工条件差。目前，生产的活塞环品种繁多，设备调整频繁，导致内外仿形设备故障较多。同时，由于内外仿形设备的机械结构比较复杂，仿形机构的传动链较长，给故障判断和设备修理带来了较大困难。内外仿故障后，最容易导致加工后的活塞环在环规中检测出不同部位的漏光。本文针对内外仿的常见故障采用设备FMEA的模式进行分析，并采取处理对策，同时对设备的主要部位提出维修方法。

内外仿结构

内外仿由车床工位、铣床工位、冷却排屑系统、液压系统、理环机构及辅助装置构成。其中车床工位主要包括：车床主轴系统、工件夹紧系统、仿形凸轮和主轴同步传动系统以及仿形刀架进给系统；铣床工位由铣床开口摆动机构、主轴系统和工作台进给系统组成。

图2  仿形凸轮

主轴系统由变速箱和主轴箱构成，变速箱由主电动机驱动与变频器构成交流变频调速系统。主电动机经i=22/49×22/49×33/80=1/12的降速比，传给车床主轴得到转速范围为6～200　r/min的无级变速。车床主轴前轴承为铜瓦，后轴承为角接触球轴承，有足够的刚度和精度。图1为内外仿主轴系统。

工件夹紧系统是在车床主轴前端形成一个刚性很强的封闭框架，堆叠排列成串的活塞环毛坯通过油缸推杆推动前端的专用压板把工件夹紧在封闭的框架内，框架右端有大通孔，可使内镗刀杆进入工件的内孔进行加工。外圆刀夹和镗杆在同一转轴上，该转轴随凸轮做仿形运动。在这个夹紧系统中为了使两端压板同步旋转，特设计有两对齿轮94/37×37/94=1的同步旋转装置。

仿形凸轮和主轴同步传动系统主要通过主轴到凸轮轴传动的挂轮78/97×97/78=1来保证主轴和仿形凸轮同步旋转。仿形刀架进给系统由伺服电动机经Z28/Z45齿形皮带传给GQ25×5的滚珠丝杆拖动床鞍进刀。

内外仿形设备故障的种类

从故障产生的原因来看，可分为人的因素和设备本身的因素。其中，人的因素最为关键，包括对设备操作和调整的熟练程度差而引起的故障，对设备维修保养不足引起的异常老化，维修质量差造成故障，以及设备本身正常损耗所引发的故障等。

设备的故障类型包括各种加工缺陷，较明显的是机械、电气及液压方面的故障。

故障导致活塞环加工后的缺陷主要有：开口尺寸不稳、一筒环加工左右尺寸退拔、径向厚度偏差超差、加工振纹、外圆纹波及漏光等。

图3  主轴同步传动系统

内外仿故障的模式分析

针对设备各组成部分及功能，找出潜在的故障和产生的原因，并采用适当的维修方式来加以控制，可有效减少故障的发生。内外仿常见的故障种类主要包括：车床主轴系统、仿形凸轮和主轴同步传动系统、仿形机构、理环机构、铣床开口摆动机构、排屑系统以及液压系统。下面主要针对这七个方面进行故障模式分析：

1．主轴系统失效模式分析

主轴系统的功能是传递正圆运动，其潜在的故障模式及其产生的原因主要包括：主轴与铜套缺油，会导致润滑差，发生磨损；轴承润滑差，会使尾部平面轴承损坏；前端油封破损，夹具与主轴间发生锈蚀，会使左夹具往复运动时卡滞；尾座固定螺丝松，会导致前后轴的同轴度超差；变速箱缺油或油太脏，会损坏变速箱的齿轮及轴承；产生相对运动，会使旋转接头缸体与活塞磨损。

图4  理环架

表1给出了主轴系统各项故障发生频率（O）、严重度数（S）、可探测度（D）、风险顺序数（RPN）、设备维修方式、纠正预防措施和执行频率的统计。

2．仿形凸轮和主轴同步传动系统故障模式分析

仿形凸轮和主轴同步传动系统（见图2、图3）的作用在于将凸轮的形状复制到仿形机构。下面对其潜在的故障做简要分析：加工过程振动过大会使凸轮传动轴上的联轴器松脱，从而导致活塞环开口两侧不对称漏光，通常我们采用扳手对其加固；凸轮传动轴和套磨损，会使其间隙变大，从而导致活塞环单侧漏光较大，对此，需要采用百分表检测；凸轮轴和轴承润滑不好，会导致其磨损，使活塞环漏光；装配时螺纹长度小或与轴承座干涉，会使凸轮端面锁紧螺母松脱，导致主轴卡死；润滑不好及凸轮上铁屑多，会使凸轮磨损，也会导致活塞环漏光。后三种情况，我们通常采用目测的方式即可发现。
表2为仿形凸轮和主轴同步传动系统各项故障发生频率（O）、严重度数（S）、可探测度（D）、风险顺序数（RPN）、设备维修方式、纠正预防措施和执行频率的统计。

图5  开口机摆动机构

3．仿形机构

仿形机构的功能是将凸轮的形状复制到摆动刀架上。具体分析其故障模式：换品种时滚轮未完全顶开，会使滚轮磨损，从而使活塞环表面产生波纹；跳动不在一丝内，即滚轮径向圆跳动，其结果是活塞环内外圆面刀纹严重，需采用百分表检测；滚轮轴轴承润滑不充分，会导致磨损，生产出的活塞环会漏光；同样，如果润滑不充分，滚轮支架摆动铜套、内刀杆孔以及摆动刀架回转铜套都会产生磨损，从而使生产的活塞环漏光；如果刀杆孔有残留铁屑，也会使刀杆孔产生磨损，而生产出的活塞环也会有振纹；装配不当或蜗轮销脱落，会使刀架平行度超差，从而使生产的活塞环漏光；如果产生磨损或者加工件不合格，会导致刀片压紧压板平行度差，活塞环产生振纹；若安装调整不合理，内外刀不在同一平面，刀尖偏差大，会使活塞环径向偏差大。

表3为仿形机构故障发生频率（O）、严重度数（S）、可探测度（D）、风险顺序数（RPN）、设备维修方式、纠正预防措施和执行频率的统计。

图6  液压系统

4．理环架

理环架（见图4）的作用在于使活塞环对齐，如果多次接触产生磨损或者调整不当，会使导条磨损，平行度超差。其直接影响是活塞环单边车不白，活塞环一筒左右尺寸退拔，需采用目测及百分表检测磨损量。理环架各项故障发生频率（O）、严重度数（S）、可探测度（D）、风险顺序数（RPN）、设备维修方式、纠正预防措施和执行频率见表4。

5．开口摆动机构

开口机摆动机构（见图5）的作用在于铣开口，如果装配不当、磨损或加工质量不合格，会使上料台板等高度和工装平行度超差，一筒活塞环开口尺寸退拔；如果多次接触磨损，会使上料定位板端面磨损，则活塞开口会单侧漏光；润滑不充分，会导致摆动机构铜套卡滞，一筒活塞环开口尺寸退拔；密封圈破损，会使油缸漏油，活塞环开口尺寸不稳；多次接触磨损，则铣刀垫片会磨损，导致活塞环斜口；皮带或齿轮磨损，会使铣刀损坏。

开口机摆动机构的故障发生频率（O）、严重度数（S）、可探测度（D）、风险顺序数（RPN）、设备维修方式、纠正预防措施和执行频率统计如表5所示。

6．排屑系统

排屑系统主要用于清除积屑和提供切削液，如果变速箱缺油、链条中的磁铁掉了、链条卡死或者积屑进入泵内，会使电动机烧坏或水泵损坏，不能进行有效排屑和供水，需要手触摸链条检查是否卡死，同时检查水泵电路。表6给出了排屑系统故障发生频率（O）、严重度数（S）、可探测度（D）、风险顺序数（RPN）、设备维修方式、纠正预防措施和执行频率的统计。

7. 液压系统

液压系统的作用是提供动力源，如果泵坏、缺油、少油、油脏、密封或皮囊磨损，会产生无压力或压力不稳等故障，不仅会使设备无法正常工作，而且会导致活塞环开口尺寸不稳，局部动作不能执行。液压系统故障发生频率（O）、严重度数（S）、可探测度（D）、风险顺序数（RPN）、设备维修方式、纠正预防措施和执行频率的统计如表7所示。

活塞环漏光的总结

漏光缺陷是活塞坏内外仿加工中的常见现象，也是维修当中的主要项目之一。活塞环的加工为硬靠模（凸轮）加工，由于凸轮本身结构存在高点与低点，当滚轮在凸轮上由高点向低点运动时，会产生一定的跳动，导致加工轨迹失真，在活塞环的开口两侧会有轻微的漏光。在工艺上规定，开口两侧10 °左右，漏光度在0.05 mm以内，视为允许。

在活塞环的加工过程中，针对不同的活塞环，要用不同的凸轮来进行加工。更换品种时，若换错了凸轮，无疑将会产生漏光；凸轮在长期使用后，会产生磨损，磨损严重时，也会产生较严重的漏光。

维修方法探讨

1．漏光部位判断

内外仿形车床的传动链很长，产生漏光的原因也很多，在实际的维修过程中，不可能对所有的部位都进行修理。怎样使每次的维修都具有很强的针对性和实效性，是维修中的一个难题。

内外仿形机床为硬靠模凸轮仿形加工设备，若凸轮为正圆，则加工的环也相应为正圆。根据此规律，在判断漏光时，首先将凸轮和摆动机构脱开，只用外刀，加工一工艺长筒，检测此筒的椭圆度，若为正圆，则产生漏光的故障源在凸轮机构以上；若为椭圆，则首先要检测主轴及反向压头部位。此种方法在维修实践中取得了非常不错的效果，不仅节约了时间，更节约了大量的人力和物力。

2．铜套的更换方法

仿形摆动在加工过程中若有卡滞现象，则凸轮的形状不能被完全复制，这是造成漏光的重要原因。在滚轮摆动机构中，摆动座两端有两只铜套。在维修中，仅更换铜套和轴并不能解决问题。机床装配时，先装好铜套，再配磨摆动座的底面。在维修中，将摆动座固定于机床，并调整座两端的固定螺丝，使摆动座四周定位平稳，再固定好摆动座。装上铜套，铜套内孔预留0.08 mm的余量。制作专用的研磨棒（0.08 mm左右）。配制研磨液进行研磨，消除两端铜套的同轴度，并检查调整铜套的间隙在0.10 mm左右。摆动轴装上后，摆动座应运转灵活，否则还要重新检查、装配。

3．凸轮传动轴的改进

凸轮传动轴作为传动链中最重要的环节，传动轴和轴套的间隙对漏光有很大影响。轴和轴套不仅要同步旋转，相互间还有相对的直线运动。在设备中，轴和轴套采用花键联接，由于花键的有效接触面小，磨损快。在维修中，我们对设备的相关机构进行了改进，将其改为四方轴和轴套联接，轴和轴套相互接触的面增大，再将四方轴的外圆镀硬铬处理，提高接合面的强度，从而使设备的维修周期大大延长。

日常维护的重点

从故障模式分析中可以看出，润滑条件对设备的运行起着至关重要的作用，尤其是内外仿形设备。

1．主轴箱

要调整好主轴铜套的油量，确保主轴的润滑。平时要检查主轴箱的油量，及时更换、添加油品，对主轴前端的油封要检查，发现损坏要及时更换油封或衬圈。

2．集中供油装置

集中供油器提供除主轴箱及主电动机变速箱外所有需润滑部位的供油。除了调整好供油间隔和供油时间外，还要对整个供油管道进行检查。对管道接头的泄漏和各润滑点的畅通要进行紧固和疏通。平时维修设备时，要配齐所有管道，保障供油。

此外，要根据危险优先系数的大小，来确定选择何种维修方式。