車床在機械加工中的有效運用

李宗珍

（深圳市富渝創輝利精密機械有限公司，廣東深圳 518000）

1 機械加工中的車床概述

在機械工業中，車床用于加工不同的轉動面，如圓錐、螺紋和凹槽。車床，出現故障是無法避免的，如果不能及時解決，將會影響到車床的加工精度和速度，從而降低車床的生產效率。一般車床出現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，對故障進行及時的處理。

近幾年，機械工業得到了快速的發展，企業的規模也在不斷擴大。以往的機械設備生產檢測都是依靠傳統的人工檢測手段，存在著一定的局限性，難以對一些復雜、精密的問題進行精確的檢測。在發生故障時，采用手工方法進行測量，常常會造成誤差。隨著數控技術的飛速發展，設備的檢驗水平得到了極大提升，利用計算機技術建立的檢驗系統能夠對機器進行實時的檢驗和維修，并能在使用中發現的問題，對設備進行有效的處理，確保設備的正常工作。隨著計算機數格（CNC）技術的發展，對機器設備的自動識別提出了更高的要求。目前，時鐘頻率技術、電流數據信號技術以及人工神經網絡技術等，已經被廣泛應用于機器設備的常見故障檢測與診斷，并能更迅速地對機器設備的損傷進行判斷。

2 車床常見故障

2.1 故障原因

（1）普通車床的零件質量問題，如果在使用中出現質量問題，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際運行。零件的質量問題是最直接的原因，它會導致一系列的故障。

（2）車床在安裝、組裝時，精度控制不到位。比如，車床本體的安裝，主軸箱、進給箱等如果沒有嚴格地控制精度，一旦發生故障，將影響到車床的整體精度，無法保證正常車床的正常組裝，從而產生裝配誤差，使車床在運轉過程中產生故障，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，從而造成車床在其自身的工作區域中無法正常工作。在車床作業中，若不按車床的作業流程來操作，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負荷，加大車床的使用負荷。

（4）車床的維修保養措施不完善。維護與保養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。由于車床的維護與保養不足，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，應嚴格制定生產技術規程和操作規程。

2.2 故障排除

車床在運行過程中，經常會遇到各種故障，例如機器不能正常工作、車削時振動、加工零件表面波紋、圓度誤差、主軸溫升異常、水泵電機不能正常運轉等。然而，大部分的故障都是發生在機器外觀（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，在實際應用中，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，從而進一步縮短車床的使用壽命，特別是以硬質合金和陶瓷為主的刀具，在工作中的磨損更加嚴重。車床的異常振動是由于車床的安裝位置不準確，軸承磨損過度，零件轉動過度，地腳螺栓松動等。。該問題的解決辦法是：調整車床的位置，更換主軸承，糾正膠帶輪的整體平衡。

對于噪聲劇烈導致的普通車床故障，根據車床在日常工作中所發現的操作故障，可以根據所發出的噪音來進行判斷，從而對車床進行精確的分析，找出造成異常噪音的具體位置和成因，并及時排除。在車床的運轉中，各個運動部件都會發生連續的轉動，而周期的分段與組合會使車床的振動方式發生變化。在一般工況下，由于表面溫度、機械磨損以及工作負載的總體潤滑作用，導致了車床運轉噪音。該故障要針對車床各運動零件的接觸狀況，對不合格零件進行替換。在日常保養中，要對車床的各個部分進行潤滑，并對總體潤滑油和相關管道進行檢查。

對于電氣設備故障，若是車床的電氣元器件發生故障，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之后，元件的性能惡化很難被檢測到。同時，也會造成電路的失效。其中，元器件故障占設備失效的70%，是導致設備失效的一個重要因素。由于其產生的原因非常隱秘，難以確定其規律，因此經常被稱作“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、電氣參數漂移、非穩定失效等。另外，由于車床的供電問題，會引起控制系統的失靈、失穩，從而影響到整個系統的正常工作。由于電源的特定參數經常會發生變化，從而造成電力系統的失效，而各種電源的具體特點也各不相同。所以，在進行研究時，除了要參照其特定的特點外，還應對整個系統的性能參數進行觀察，以找出整個系統的故障原因。

3 車床結構在機械加工中的優化改進

隨著我國制造業的快速發展，加工技術的進步，傳統的車床被大量的車床代替。然而，由于數控車床昂貴，企業很難負擔得起，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，當前應加大對普通車床的數控改造力度，以便更全面地了解有關工藝，改善其CNC 改造的效果，以提高其利用率，充分利用其潛力，增加經濟效益。

3.1 普通車床的數控化改造可靠性分析

在普通車床數控改造前期，要對車床的結構、基礎、傳動系統、刀具系統、加工精度、功能等進行全面的分析，以確保數控車數控改造后的生產效率。對以上系統進行了可行性評價，并根據工程實際情況，對整個數控車床的數字化改造進行了合理的分析，為今后的技術研發和投資提供了參考。機械零件的改進，是以提高車床的導向精度為前提，對車床主軸箱的傳動部分進行了全面的優化。在提高車床導軌精度時，可根據精度的需要，選用滑動絲杠、滾珠絲杠等零件，對滑動面進行優化；車床主軸箱的傳動形式，可以根據車床的傳動需求，合理地改裝車床的刀具夾持機構和車床進給機構。

3.2 改造方案設計

在常規車床的數控化改造中，電動機的合理選取將直接關系到整個車床的工作效率。由于直流伺服電機的成本比較高，所以一般車床的數控改造主要采用交流伺服電機和步進電機。步進電動機在實際工作中，主要采用脈沖數字信號控制，它在步進動作時，會有周期性的錯誤調整動作，從而有效地改善了系統的控制效果。其中，以永磁交流伺服馬達為主要的驅動組件，其性能穩定，結構簡單。在實際選用電極時，可根據具體情況，通過合理的計算和評定，并結合車床的加工精度，來確定特定的計算準則。在選擇步進電動機時，應根據步距角、步距角精度、轉矩等因素來確定步進電動機的選擇。目前，對于步進電動機，通常選用五相或三相電動機。在步進精度的選取上，主要依據開環控制系統的特性，結合傳統數控車床的數控改造，提出了一種基于控制機構定位誤差和步進精度的方法來實現整體零件加工精度的統一分析。在步進電動機的實際操作中，步進精度主要是指在無負載情況下，轉子與其精確定位的最大偏差；而在高、低頻率的振動鏈中，當頻率發生突變時，實際的步進和期望的位置的差別就是傳輸的定位誤差。在實際設計中，一般車床數控化改造的靜態誤差主要包括：電極步距誤差、傳動部件累積誤差、摩擦負荷隨機誤差。在確定扭矩時，應綜合考慮定位扭矩、啟動扭矩、最大靜態扭矩等多種因素，以確定合適的傳動扭矩系數。

3.3 主要機械部件的改造和安裝

機械零件的控制與轉換主要包括齒輪、滑動導軌、滑動螺桿、滾珠螺桿等。①根據傳動鏈條精度的需要，對滑絲杠和滾珠絲杠進行適當的選型。在實際生產中，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。在工程實施中，應對以往螺桿的磨損狀況進行全面的檢驗，并根據螺距累積誤差、螺距誤差、螺距間隙的計算，確定螺桿的合理級別及更換條件。②在齒輪裝配時，對各主軸箱、齒輪箱進行了綜合的分析。為確保整體式基礎齒輪的使用效率，應盡可能地實現無間隙傳動；在導軌安裝時，為了確保導軌的穩定性，必須對導軌的加工精度進行定量化，以確保導軌的平穩運轉。此外，在機械零件裝配完成后，為減少機械零件數字化改造后的操作危險，有關改型工人可根據實際生產要求，采取適當的保護措施。

3.4 安裝實例分析

在CA6140型普通車床的改裝中，從經濟性角度出發，對其進行了更方便的改造。在改裝后的車床上，分別安裝了兩臺步進電動機。對應的電極傳動系統主要采用減速機構和縱向螺桿機構。對應的電極傳動方式是減速傳動與縱向螺旋傳動。為進一步提高工作效率，對原有的螺旋、螺帽進行了改進，使其在橫向和縱向上都能驅動。螺桿導軌、電極步距角、減速角等均可按車床的需要進行調節。通過對螺旋導軌、電極步距角、減速器比等因素的分析，得出兩者呈種比例關系。也就是說，驅動螺旋導程×馬達的踏角/360°×減速齒輪比率=脈沖等值。根據以上有關因素，對車床的高速運動速度進行了控制，達到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，對有關的機械零件和線路進行了全面的檢查，并確定所有的連接模塊都是正確的，才能進行數控系統的連接。在確定了各模塊的連接后，可以進行數控系統的連接。

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。主軸是機床中的關鍵零件，其傳動精度高，剛性好，旋轉精度高，熱變形小，噪音小。

4 車床在機械加工中的運用保障措施

4.1 提升機械加工車床設計隊伍的人員質量

在知識經濟時代，人才隊伍的專業化是企業持續發展的重要力量。在車床行業中，人是車床的主要工作對象，其專業素質的好壞將直接影響到工作的效果。企業要充分認識到人才的重要性，提高人才培養的重要性，并不斷強化人才培養。在實施過程中，要加強校企合作，促進產學研結合，加強與高等院校的合作，建立實訓基地，增強人才的培訓效果，以吸引更多的高質量人才，保障車床在車床行業的應用。

4.2 提升機械加工車床的科技含量

近幾年，隨著信息技術的發展，機械制造行業也出現了新的發展趨勢。當前，傳統的普通車床在機械加工中仍然很常見，其控制方式多為繼電器–接觸器，接線復雜，體積大，加工性能受到限制，并易出現故障。PLC 作為一種具有高可靠性和邏輯性的智能控制模塊，在此基礎上進行常規車床的改裝，對于改善車床的加工質量具有重要的作用。其工作流程如圖1所示。

圖1 PLC工作流程示意

隨著現代工業的發展，車床的加工方式日益復雜，對車床的工作性能要求也日益提高，因此必須對車床進行機電一體化改造。PLC 作為一種邏輯控制器，在當今的電子控制技術中，是一種常見的自動控制設備，它的核心部件是CPU 和內存，不能對車床的運動軌跡進行控制，因此對常規車床的機械結構沒有任何影響。同時，該計算機還能作為主控制器，對常規車床的進料系統進行升級，實現對車床運動軌跡的控制，并在一定程度上實現了對車床機械結構的優化。

5 結束語

為充分發揮數控機床在實際應用中的優越性，采取相應的工藝規范化流程優化策略，既能改善被加工工件的質量，又能提高機床的生產效率。其相應的優化方法主要有：確定被加工零件的參數、機床的種類、零件的裝配、零件的科學設計等。同時，對工藝的優化也要視具體情況而定。