車床在機(jī)械加工中的有效運(yùn)用

李宗珍

（深圳市富渝創(chuàng)輝利精密機(jī)械有限公司，廣東深圳 518000）

1 機(jī)械加工中的車床概述

在機(jī)械工業(yè)中，車床用于加工不同的轉(zhuǎn)動面，如圓錐、螺紋和凹槽。車床，出現(xiàn)故障是無法避免的，如果不能及時(shí)解決，將會影響到車床的加工精度和速度，從而降低車床的生產(chǎn)效率。一般車床出現(xiàn)的故障具有一定的典型特征，熟練的操作員可以通過對故障信號的初步判斷，對故障進(jìn)行及時(shí)的處理。

近幾年，機(jī)械工業(yè)得到了快速的發(fā)展，企業(yè)的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。以往的機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)檢測都是依靠傳統(tǒng)的人工檢測手段，存在著一定的局限性，難以對一些復(fù)雜、精密的問題進(jìn)行精確的檢測。在發(fā)生故障時(shí)，采用手工方法進(jìn)行測量，常常會造成誤差。隨著數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)備的檢驗(yàn)水平得到了極大提升，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立的檢驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)器進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢驗(yàn)和維修，并能在使用中發(fā)現(xiàn)的問題，對設(shè)備進(jìn)行有效的處理，確保設(shè)備的正常工作。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)格（CNC）技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)器設(shè)備的自動識別提出了更高的要求。目前，時(shí)鐘頻率技術(shù)、電流數(shù)據(jù)信號技術(shù)以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)器設(shè)備的常見故障檢測與診斷，并能更迅速地對機(jī)器設(shè)備的損傷進(jìn)行判斷。

2 車床常見故障

2.1 故障原因

（1）普通車床的零件質(zhì)量問題，如果在使用中出現(xiàn)質(zhì)量問題，造成普通車床本身的故障或失控，會對普通車床的總體狀況造成一定的影響，磨損、損壞等問題對普通車床的加工精度有很大的影響，從而干擾普通車床的實(shí)際運(yùn)行。零件的質(zhì)量問題是最直接的原因，它會導(dǎo)致一系列的故障。

（2）車床在安裝、組裝時(shí)，精度控制不到位。比如，車床本體的安裝，主軸箱、進(jìn)給箱等如果沒有嚴(yán)格地控制精度，一旦發(fā)生故障，將影響到車床的整體精度，無法保證正常車床的正常組裝，從而產(chǎn)生裝配誤差，使車床在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生故障，使車床的工作精度逐步下降。

（3）車床的使用特征是不合理的操作，會影響到車床的工藝參數(shù)，從而造成車床在其自身的工作區(qū)域中無法正常工作。在車床作業(yè)中，若不按車床的作業(yè)流程來操作，將會帶來許多問題，尤其是車床的精確度問題，會直接加重車床的作業(yè)負(fù)荷，加大車床的使用負(fù)荷。

（4）車床的維修保養(yǎng)措施不完善。維護(hù)與保養(yǎng)是降低車床失效的重要手段，也是影響車床工作效率的重要因素。由于車床的維護(hù)與保養(yǎng)不足，使車床不能正常工作，從而降低了車床的使用壽命，降低了車床的工作效率。為了降低此類問題，應(yīng)嚴(yán)格制定生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程和操作規(guī)程。

2.2 故障排除

車床在運(yùn)行過程中，經(jīng)常會遇到各種故障，例如機(jī)器不能正常工作、車削時(shí)振動、加工零件表面波紋、圓度誤差、主軸溫升異常、水泵電機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)等。然而，大部分的故障都是發(fā)生在機(jī)器外觀（振動、噪聲等）以及被加工部件的加工精度方面。

對于車床振動故障，在實(shí)際應(yīng)用中，車床自身的異常振動會使車床加工部件的整體精確度和致密性下降，從而使車床的磨損速度加快，從而進(jìn)一步縮短車床的使用壽命，特別是以硬質(zhì)合金和陶瓷為主的刀具，在工作中的磨損更加嚴(yán)重。車床的異常振動是由于車床的安裝位置不準(zhǔn)確，軸承磨損過度，零件轉(zhuǎn)動過度，地腳螺栓松動等。。該問題的解決辦法是：調(diào)整車床的位置，更換主軸承，糾正膠帶輪的整體平衡。

對于噪聲劇烈導(dǎo)致的普通車床故障，根據(jù)車床在日常工作中所發(fā)現(xiàn)的操作故障，可以根據(jù)所發(fā)出的噪音來進(jìn)行判斷，從而對車床進(jìn)行精確的分析，找出造成異常噪音的具體位置和成因，并及時(shí)排除。在車床的運(yùn)轉(zhuǎn)中，各個(gè)運(yùn)動部件都會發(fā)生連續(xù)的轉(zhuǎn)動，而周期的分段與組合會使車床的振動方式發(fā)生變化。在一般工況下，由于表面溫度、機(jī)械磨損以及工作負(fù)載的總體潤滑作用，導(dǎo)致了車床運(yùn)轉(zhuǎn)噪音。該故障要針對車床各運(yùn)動零件的接觸狀況，對不合格零件進(jìn)行替換。在日常保養(yǎng)中，要對車床的各個(gè)部分進(jìn)行潤滑，并對總體潤滑油和相關(guān)管道進(jìn)行檢查。

對于電氣設(shè)備故障，若是車床的電氣元器件發(fā)生故障，特別是部件的退化和部件的破壞。由于某一特定的故障出現(xiàn)之后，元件的性能惡化很難被檢測到。同時(shí)，也會造成電路的失效。其中，元器件故障占設(shè)備失效的70%，是導(dǎo)致設(shè)備失效的一個(gè)重要因素。由于其產(chǎn)生的原因非常隱秘，難以確定其規(guī)律，因此經(jīng)常被稱作“軟故障”。電子元器件的失效方式有開路、短路、燒毀、爆炸、漏電、功能失效、電氣參數(shù)漂移、非穩(wěn)定失效等。另外，由于車床的供電問題，會引起控制系統(tǒng)的失靈、失穩(wěn)，從而影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。由于電源的特定參數(shù)經(jīng)常會發(fā)生變化，從而造成電力系統(tǒng)的失效，而各種電源的具體特點(diǎn)也各不相同。所以，在進(jìn)行研究時(shí)，除了要參照其特定的特點(diǎn)外，還應(yīng)對整個(gè)系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行觀察，以找出整個(gè)系統(tǒng)的故障原因。

3 車床結(jié)構(gòu)在機(jī)械加工中的優(yōu)化改進(jìn)

隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展，加工技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的車床被大量的車床代替。然而，由于數(shù)控車床昂貴，企業(yè)很難負(fù)擔(dān)得起，所以把普通車床改造成CNC 車床，可以有效地提高車床的自動化程度，從而提高其加工效率。所以，當(dāng)前應(yīng)加大對普通車床的數(shù)控改造力度，以便更全面地了解有關(guān)工藝，改善其CNC 改造的效果，以提高其利用率，充分利用其潛力，增加經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 普通車床的數(shù)控化改造可靠性分析

在普通車床數(shù)控改造前期，要對車床的結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、加工精度、功能等進(jìn)行全面的分析，以確保數(shù)控車數(shù)控改造后的生產(chǎn)效率。對以上系統(tǒng)進(jìn)行了可行性評價(jià)，并根據(jù)工程實(shí)際情況，對整個(gè)數(shù)控車床的數(shù)字化改造進(jìn)行了合理的分析，為今后的技術(shù)研發(fā)和投資提供了參考。機(jī)械零件的改進(jìn)，是以提高車床的導(dǎo)向精度為前提，對車床主軸箱的傳動部分進(jìn)行了全面的優(yōu)化。在提高車床導(dǎo)軌精度時(shí)，可根據(jù)精度的需要，選用滑動絲杠、滾珠絲杠等零件，對滑動面進(jìn)行優(yōu)化；車床主軸箱的傳動形式，可以根據(jù)車床的傳動需求，合理地改裝車床的刀具夾持機(jī)構(gòu)和車床進(jìn)給機(jī)構(gòu)。

3.2 改造方案設(shè)計(jì)

在常規(guī)車床的數(shù)控化改造中，電動機(jī)的合理選取將直接關(guān)系到整個(gè)車床的工作效率。由于直流伺服電機(jī)的成本比較高，所以一般車床的數(shù)控改造主要采用交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)在實(shí)際工作中，主要采用脈沖數(shù)字信號控制，它在步進(jìn)動作時(shí)，會有周期性的錯(cuò)誤調(diào)整動作，從而有效地改善了系統(tǒng)的控制效果。其中，以永磁交流伺服馬達(dá)為主要的驅(qū)動組件，其性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單。在實(shí)際選用電極時(shí)，可根據(jù)具體情況，通過合理的計(jì)算和評定，并結(jié)合車床的加工精度，來確定特定的計(jì)算準(zhǔn)則。在選擇步進(jìn)電動機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)步距角、步距角精度、轉(zhuǎn)矩等因素來確定步進(jìn)電動機(jī)的選擇。目前，對于步進(jìn)電動機(jī)，通常選用五相或三相電動機(jī)。在步進(jìn)精度的選取上，主要依據(jù)開環(huán)控制系統(tǒng)的特性，結(jié)合傳統(tǒng)數(shù)控車床的數(shù)控改造，提出了一種基于控制機(jī)構(gòu)定位誤差和步進(jìn)精度的方法來實(shí)現(xiàn)整體零件加工精度的統(tǒng)一分析。在步進(jìn)電動機(jī)的實(shí)際操作中，步進(jìn)精度主要是指在無負(fù)載情況下，轉(zhuǎn)子與其精確定位的最大偏差；而在高、低頻率的振動鏈中，當(dāng)頻率發(fā)生突變時(shí)，實(shí)際的步進(jìn)和期望的位置的差別就是傳輸?shù)亩ㄎ徽`差。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般車床數(shù)控化改造的靜態(tài)誤差主要包括：電極步距誤差、傳動部件累積誤差、摩擦負(fù)荷隨機(jī)誤差。在確定扭矩時(shí)，應(yīng)綜合考慮定位扭矩、啟動扭矩、最大靜態(tài)扭矩等多種因素，以確定合適的傳動扭矩系數(shù)。

3.3 主要機(jī)械部件的改造和安裝

機(jī)械零件的控制與轉(zhuǎn)換主要包括齒輪、滑動導(dǎo)軌、滑動螺桿、滾珠螺桿等。①根據(jù)傳動鏈條精度的需要，對滑絲杠和滾珠絲杠進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x型。在實(shí)際生產(chǎn)中，若對牽引力矩的要求不高，可選用滑絲杠，而滾動絲杠可供選用。在工程實(shí)施中，應(yīng)對以往螺桿的磨損狀況進(jìn)行全面的檢驗(yàn)，并根據(jù)螺距累積誤差、螺距誤差、螺距間隙的計(jì)算，確定螺桿的合理級別及更換條件。②在齒輪裝配時(shí)，對各主軸箱、齒輪箱進(jìn)行了綜合的分析。為確保整體式基礎(chǔ)齒輪的使用效率，應(yīng)盡可能地實(shí)現(xiàn)無間隙傳動；在導(dǎo)軌安裝時(shí)，為了確保導(dǎo)軌的穩(wěn)定性，必須對導(dǎo)軌的加工精度進(jìn)行定量化，以確保導(dǎo)軌的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，在機(jī)械零件裝配完成后，為減少機(jī)械零件數(shù)字化改造后的操作危險(xiǎn)，有關(guān)改型工人可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。

3.4 安裝實(shí)例分析

在CA6140型普通車床的改裝中，從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，對其進(jìn)行了更方便的改造。在改裝后的車床上，分別安裝了兩臺步進(jìn)電動機(jī)。對應(yīng)的電極傳動系統(tǒng)主要采用減速機(jī)構(gòu)和縱向螺桿機(jī)構(gòu)。對應(yīng)的電極傳動方式是減速傳動與縱向螺旋傳動。為進(jìn)一步提高工作效率，對原有的螺旋、螺帽進(jìn)行了改進(jìn)，使其在橫向和縱向上都能驅(qū)動。螺桿導(dǎo)軌、電極步距角、減速角等均可按車床的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過對螺旋導(dǎo)軌、電極步距角、減速器比等因素的分析，得出兩者呈種比例關(guān)系。也就是說，驅(qū)動螺旋導(dǎo)程×馬達(dá)的踏角/360°×減速齒輪比率=脈沖等值。根據(jù)以上有關(guān)因素，對車床的高速運(yùn)動速度進(jìn)行了控制，達(dá)到1.25m/min；送料速率在11～350mm/min；該脈沖的等效值為0.023～0.050mm。然后，對有關(guān)的機(jī)械零件和線路進(jìn)行了全面的檢查，并確定所有的連接模塊都是正確的，才能進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的連接。在確定了各模塊的連接后，可以進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的連接。

具體而言，原主軸箱中的傳動裝置、離合器、吊輪等均已拆卸，而主軸箱僅用來支撐主軸，所以主軸不會受熱量及功率的影響。主軸是機(jī)床中的關(guān)鍵零件，其傳動精度高，剛性好，旋轉(zhuǎn)精度高，熱變形小，噪音小。

4 車床在機(jī)械加工中的運(yùn)用保障措施

4.1 提升機(jī)械加工車床設(shè)計(jì)隊(duì)伍的人員質(zhì)量

在知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代，人才隊(duì)伍的專業(yè)化是企業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要力量。在車床行業(yè)中，人是車床的主要工作對象，其專業(yè)素質(zhì)的好壞將直接影響到工作的效果。企業(yè)要充分認(rèn)識到人才的重要性，提高人才培養(yǎng)的重要性，并不斷強(qiáng)化人才培養(yǎng)。在實(shí)施過程中，要加強(qiáng)校企合作，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，加強(qiáng)與高等院校的合作，建立實(shí)訓(xùn)基地，增強(qiáng)人才的培訓(xùn)效果，以吸引更多的高質(zhì)量人才，保障車床在車床行業(yè)的應(yīng)用。

4.2 提升機(jī)械加工車床的科技含量

近幾年，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械制造行業(yè)也出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢。當(dāng)前，傳統(tǒng)的普通車床在機(jī)械加工中仍然很常見，其控制方式多為繼電器–接觸器，接線復(fù)雜，體積大，加工性能受到限制，并易出現(xiàn)故障。PLC 作為一種具有高可靠性和邏輯性的智能控制模塊，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行常規(guī)車床的改裝，對于改善車床的加工質(zhì)量具有重要的作用。其工作流程如圖1所示。

圖1 PLC工作流程示意

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，車床的加工方式日益復(fù)雜，對車床的工作性能要求也日益提高，因此必須對車床進(jìn)行機(jī)電一體化改造。PLC 作為一種邏輯控制器，在當(dāng)今的電子控制技術(shù)中，是一種常見的自動控制設(shè)備，它的核心部件是CPU 和內(nèi)存，不能對車床的運(yùn)動軌跡進(jìn)行控制，因此對常規(guī)車床的機(jī)械結(jié)構(gòu)沒有任何影響。同時(shí)，該計(jì)算機(jī)還能作為主控制器，對常規(guī)車床的進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)行升級，實(shí)現(xiàn)對車床運(yùn)動軌跡的控制，并在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對車床機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

5 結(jié)束語

為充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)越性，采取相應(yīng)的工藝規(guī)范化流程優(yōu)化策略，既能改善被加工工件的質(zhì)量，又能提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。其相應(yīng)的優(yōu)化方法主要有：確定被加工零件的參數(shù)、機(jī)床的種類、零件的裝配、零件的科學(xué)設(shè)計(jì)等。同時(shí)，對工藝的優(yōu)化也要視具體情況而定。