车床在机械加工中的有效运用

李宗珍

（深圳市富渝创辉利精密机械有限公司，广东深圳 518000）

1 机械加工中的车床概述

在机械工业中，车床用于加工不同的转动面，如圆锥、螺纹和凹槽。车床，出现故障是无法避免的，如果不能及时解决，将会影响到车床的加工精度和速度，从而降低车床的生产效率。一般车床出现的故障具有一定的典型特征，熟练的操作员可以通过对故障信号的初步判断，对故障进行及时的处理。

近几年，机械工业得到了快速的发展，企业的规模也在不断扩大。以往的机械设备生产检测都是依靠传统的人工检测手段，存在着一定的局限性，难以对一些复杂、精密的问题进行精确的检测。在发生故障时，采用手工方法进行测量，常常会造成误差。随着数控技术的飞速发展，设备的检验水平得到了极大提升，利用计算机技术建立的检验系统能够对机器进行实时的检验和维修，并能在使用中发现的问题，对设备进行有效的处理，确保设备的正常工作。随着计算机数格（CNC）技术的发展，对机器设备的自动识别提出了更高的要求。目前，时钟频率技术、电流数据信号技术以及人工神经网络技术等，已经被广泛应用于机器设备的常见故障检测与诊断，并能更迅速地对机器设备的损伤进行判断。

2 车床常见故障

2.1 故障原因

（1）普通车床的零件质量问题，如果在使用中出现质量问题，造成普通车床本身的故障或失控，会对普通车床的总体状况造成一定的影响，磨损、损坏等问题对普通车床的加工精度有很大的影响，从而干扰普通车床的实际运行。零件的质量问题是最直接的原因，它会导致一系列的故障。

（2）车床在安装、组装时，精度控制不到位。比如，车床本体的安装，主轴箱、进给箱等如果没有严格地控制精度，一旦发生故障，将影响到车床的整体精度，无法保证正常车床的正常组装，从而产生装配误差，使车床在运转过程中产生故障，使车床的工作精度逐步下降。

（3）车床的使用特征是不合理的操作，会影响到车床的工艺参数，从而造成车床在其自身的工作区域中无法正常工作。在车床作业中，若不按车床的作业流程来操作，将会带来许多问题，尤其是车床的精确度问题，会直接加重车床的作业负荷，加大车床的使用负荷。

（4）车床的维修保养措施不完善。维护与保养是降低车床失效的重要手段，也是影响车床工作效率的重要因素。由于车床的维护与保养不足，使车床不能正常工作，从而降低了车床的使用寿命，降低了车床的工作效率。为了降低此类问题，应严格制定生产技术规程和操作规程。

2.2 故障排除

车床在运行过程中，经常会遇到各种故障，例如机器不能正常工作、车削时振动、加工零件表面波纹、圆度误差、主轴温升异常、水泵电机不能正常运转等。然而，大部分的故障都是发生在机器外观（振动、噪声等）以及被加工部件的加工精度方面。

对于车床振动故障，在实际应用中，车床自身的异常振动会使车床加工部件的整体精确度和致密性下降，从而使车床的磨损速度加快，从而进一步缩短车床的使用寿命，特别是以硬质合金和陶瓷为主的刀具，在工作中的磨损更加严重。车床的异常振动是由于车床的安装位置不准确，轴承磨损过度，零件转动过度，地脚螺栓松动等。。该问题的解决办法是：调整车床的位置，更换主轴承，纠正胶带轮的整体平衡。

对于噪声剧烈导致的普通车床故障，根据车床在日常工作中所发现的操作故障，可以根据所发出的噪音来进行判断，从而对车床进行精确的分析，找出造成异常噪音的具体位置和成因，并及时排除。在车床的运转中，各个运动部件都会发生连续的转动，而周期的分段与组合会使车床的振动方式发生变化。在一般工况下，由于表面温度、机械磨损以及工作负载的总体润滑作用，导致了车床运转噪音。该故障要针对车床各运动零件的接触状况，对不合格零件进行替换。在日常保养中，要对车床的各个部分进行润滑，并对总体润滑油和相关管道进行检查。

对于电气设备故障，若是车床的电气元器件发生故障，特别是部件的退化和部件的破坏。由于某一特定的故障出现之后，元件的性能恶化很难被检测到。同时，也会造成电路的失效。其中，元器件故障占设备失效的70%，是导致设备失效的一个重要因素。由于其产生的原因非常隐秘，难以确定其规律，因此经常被称作“软故障”。电子元器件的失效方式有开路、短路、烧毁、爆炸、漏电、功能失效、电气参数漂移、非稳定失效等。另外，由于车床的供电问题，会引起控制系统的失灵、失稳，从而影响到整个系统的正常工作。由于电源的特定参数经常会发生变化，从而造成电力系统的失效，而各种电源的具体特点也各不相同。所以，在进行研究时，除了要参照其特定的特点外，还应对整个系统的性能参数进行观察，以找出整个系统的故障原因。

3 车床结构在机械加工中的优化改进

随着我国制造业的快速发展，加工技术的进步，传统的车床被大量的车床代替。然而，由于数控车床昂贵，企业很难负担得起，所以把普通车床改造成CNC 车床，可以有效地提高车床的自动化程度，从而提高其加工效率。所以，当前应加大对普通车床的数控改造力度，以便更全面地了解有关工艺，改善其CNC 改造的效果，以提高其利用率，充分利用其潜力，增加经济效益。

3.1 普通车床的数控化改造可靠性分析

在普通车床数控改造前期，要对车床的结构、基础、传动系统、刀具系统、加工精度、功能等进行全面的分析，以确保数控车数控改造后的生产效率。对以上系统进行了可行性评价，并根据工程实际情况，对整个数控车床的数字化改造进行了合理的分析，为今后的技术研发和投资提供了参考。机械零件的改进，是以提高车床的导向精度为前提，对车床主轴箱的传动部分进行了全面的优化。在提高车床导轨精度时，可根据精度的需要，选用滑动丝杠、滚珠丝杠等零件，对滑动面进行优化；车床主轴箱的传动形式，可以根据车床的传动需求，合理地改装车床的刀具夹持机构和车床进给机构。

3.2 改造方案设计

在常规车床的数控化改造中，电动机的合理选取将直接关系到整个车床的工作效率。由于直流伺服电机的成本比较高，所以一般车床的数控改造主要采用交流伺服电机和步进电机。步进电动机在实际工作中，主要采用脉冲数字信号控制，它在步进动作时，会有周期性的错误调整动作，从而有效地改善了系统的控制效果。其中，以永磁交流伺服马达为主要的驱动组件，其性能稳定，结构简单。在实际选用电极时，可根据具体情况，通过合理的计算和评定，并结合车床的加工精度，来确定特定的计算准则。在选择步进电动机时，应根据步距角、步距角精度、转矩等因素来确定步进电动机的选择。目前，对于步进电动机，通常选用五相或三相电动机。在步进精度的选取上，主要依据开环控制系统的特性，结合传统数控车床的数控改造，提出了一种基于控制机构定位误差和步进精度的方法来实现整体零件加工精度的统一分析。在步进电动机的实际操作中，步进精度主要是指在无负载情况下，转子与其精确定位的最大偏差；而在高、低频率的振动链中，当频率发生突变时，实际的步进和期望的位置的差别就是传输的定位误差。在实际设计中，一般车床数控化改造的静态误差主要包括：电极步距误差、传动部件累积误差、摩擦负荷随机误差。在确定扭矩时，应综合考虑定位扭矩、启动扭矩、最大静态扭矩等多种因素，以确定合适的传动扭矩系数。

3.3 主要机械部件的改造和安装

机械零件的控制与转换主要包括齿轮、滑动导轨、滑动螺杆、滚珠螺杆等。①根据传动链条精度的需要，对滑丝杠和滚珠丝杠进行适当的选型。在实际生产中，若对牵引力矩的要求不高，可选用滑丝杠，而滚动丝杠可供选用。在工程实施中，应对以往螺杆的磨损状况进行全面的检验，并根据螺距累积误差、螺距误差、螺距间隙的计算，确定螺杆的合理级别及更换条件。②在齿轮装配时，对各主轴箱、齿轮箱进行了综合的分析。为确保整体式基础齿轮的使用效率，应尽可能地实现无间隙传动；在导轨安装时，为了确保导轨的稳定性，必须对导轨的加工精度进行定量化，以确保导轨的平稳运转。此外，在机械零件装配完成后，为减少机械零件数字化改造后的操作危险，有关改型工人可根据实际生产要求，采取适当的保护措施。

3.4 安装实例分析

在CA6140型普通车床的改装中，从经济性角度出发，对其进行了更方便的改造。在改装后的车床上，分别安装了两台步进电动机。对应的电极传动系统主要采用减速机构和纵向螺杆机构。对应的电极传动方式是减速传动与纵向螺旋传动。为进一步提高工作效率，对原有的螺旋、螺帽进行了改进，使其在横向和纵向上都能驱动。螺杆导轨、电极步距角、减速角等均可按车床的需要进行调节。通过对螺旋导轨、电极步距角、减速器比等因素的分析，得出两者呈种比例关系。也就是说，驱动螺旋导程×马达的踏角/360°×减速齿轮比率=脉冲等值。根据以上有关因素，对车床的高速运动速度进行了控制，达到1.25m/min；送料速率在11～350mm/min；该脉冲的等效值为0.023～0.050mm。然后，对有关的机械零件和线路进行了全面的检查，并确定所有的连接模块都是正确的，才能进行数控系统的连接。在确定了各模块的连接后，可以进行数控系统的连接。

具体而言，原主轴箱中的传动装置、离合器、吊轮等均已拆卸，而主轴箱仅用来支撑主轴，所以主轴不会受热量及功率的影响。主轴是机床中的关键零件，其传动精度高，刚性好，旋转精度高，热变形小，噪音小。

4 车床在机械加工中的运用保障措施

4.1 提升机械加工车床设计队伍的人员质量

在知识经济时代，人才队伍的专业化是企业持续发展的重要力量。在车床行业中，人是车床的主要工作对象，其专业素质的好坏将直接影响到工作的效果。企业要充分认识到人才的重要性，提高人才培养的重要性，并不断强化人才培养。在实施过程中，要加强校企合作，促进产学研结合，加强与高等院校的合作，建立实训基地，增强人才的培训效果，以吸引更多的高质量人才，保障车床在车床行业的应用。

4.2 提升机械加工车床的科技含量

近几年，随着信息技术的发展，机械制造行业也出现了新的发展趋势。当前，传统的普通车床在机械加工中仍然很常见，其控制方式多为继电器–接触器，接线复杂，体积大，加工性能受到限制，并易出现故障。PLC 作为一种具有高可靠性和逻辑性的智能控制模块，在此基础上进行常规车床的改装，对于改善车床的加工质量具有重要的作用。其工作流程如图1所示。

图1 PLC工作流程示意

随着现代工业的发展，车床的加工方式日益复杂，对车床的工作性能要求也日益提高，因此必须对车床进行机电一体化改造。PLC 作为一种逻辑控制器，在当今的电子控制技术中，是一种常见的自动控制设备，它的核心部件是CPU 和内存，不能对车床的运动轨迹进行控制，因此对常规车床的机械结构没有任何影响。同时，该计算机还能作为主控制器，对常规车床的进料系统进行升级，实现对车床运动轨迹的控制，并在一定程度上实现了对车床机械结构的优化。

5 结束语

为充分发挥数控机床在实际应用中的优越性，采取相应的工艺规范化流程优化策略，既能改善被加工工件的质量，又能提高机床的生产效率。其相应的优化方法主要有：确定被加工零件的参数、机床的种类、零件的装配、零件的科学设计等。同时，对工艺的优化也要视具体情况而定。