輔助功能部件在數(shù)控磨床使用過(guò)程中的優(yōu)化

□ 范晉偉 □ 伊?xí)札?□ 劉 超 □ 劉勇軍 □ 朱 輝

1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與電子應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 北京 100124

2.北京第二機(jī)床廠有限公司 北京 100165

可靠性是數(shù)控磨床的重要指標(biāo)，是數(shù)控磨床質(zhì)量的核心因素之一，數(shù)控磨床工作的可靠性已成為廣大用戶選購(gòu)的重要標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)控磨床主要功能部件包含頭架系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)等，輔助功能部件包括冷卻液過(guò)濾裝置、油霧分離裝置、防護(hù)門等。

國(guó)內(nèi)有很多專家學(xué)者對(duì)數(shù)控磨床進(jìn)行了全面研究，李星軍［1］詳細(xì)研究了數(shù)控磨床的主要功能部件、故障模式及危害度，針對(duì)危害度較大的系統(tǒng)提出了采用故障樹分析方法，還進(jìn)一步分析了各子系統(tǒng)的故障情況；龔樸［2］對(duì)數(shù)控磨床頭架建立了動(dòng)力學(xué)模型，并用ANSYS軟件對(duì)頭架進(jìn)行模態(tài)分析和諧相應(yīng)分析，進(jìn)而對(duì)頭架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；于勝昔［3］以數(shù)控磨床的主軸為研究對(duì)象，針對(duì)影響主軸系統(tǒng)性能的重要因素進(jìn)行分析研究，主要內(nèi)容有主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和影響回轉(zhuǎn)精度的關(guān)鍵技術(shù)、主軸系統(tǒng)回轉(zhuǎn)精度的檢測(cè)與磨削質(zhì)量的評(píng)價(jià)等；劉戰(zhàn)術(shù)［4］針對(duì)高精度數(shù)控磨床的加工精度要求，給出高精度數(shù)控磨床的進(jìn)給系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提出伺服控制軟件結(jié)構(gòu)、伺服定位單元的參數(shù)設(shè)置方法和伺服定位系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方法。

以上專家學(xué)者對(duì)數(shù)控磨床主要功能部件均作了大量深入的研究分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，因此國(guó)內(nèi)數(shù)控磨床重要的可靠性指標(biāo)MTBF，即平均故障間隔時(shí)間，已由20世紀(jì)90年代的145 h迅速提升到如今的900 h。然而在數(shù)控磨床高速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)其輔助功能部件的研究亟待加強(qiáng)，全國(guó)僅有少數(shù)的專家學(xué)者關(guān)注這個(gè)問(wèn)題，陳平［5］深入研究了渾濁的冷卻液對(duì)零件表面質(zhì)量的影響，以及對(duì)機(jī)床冷卻液箱、零部件的腐蝕，并著重強(qiáng)調(diào)該冷卻液可能會(huì)縮短機(jī)床使用壽命；袁關(guān)林等［6］著重研究了機(jī)床過(guò)濾油及冷卻控溫的新裝置。

在數(shù)控磨床輔助功能部件的研究上，尤其是冷卻液過(guò)濾裝置、油霧分離裝置、防護(hù)門等設(shè)備的研究，在國(guó)內(nèi)亟待深入研究，不斷完善。這些設(shè)備在磨床實(shí)際使用過(guò)程中會(huì)存在很多故障，但會(huì)對(duì)數(shù)控磨床的生產(chǎn)效率產(chǎn)生極大的影響。筆者著重分析了這些故障，并從實(shí)際應(yīng)用角度提出可行性的設(shè)計(jì)和改進(jìn)意見(jiàn)。

1 過(guò)濾裝置

在磨床加工過(guò)程中，一般使用磨屑-磁性分離器對(duì)磨削冷卻液中的雜質(zhì)進(jìn)行吸附分離，以提高磨削冷卻液的純凈度。磨床在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的磨屑和磨削泥，磨削泥中含鐵量高達(dá)70%，可回收利用。使用磁性分離器無(wú)耗材消耗，既可提高磨削冷卻液的純凈度，降低工件表面劃傷，又可變廢為寶，增加企業(yè)效益。

數(shù)控磨床中的磨削冷卻液具有冷卻、清洗、防銹和潤(rùn)滑的作用，其中清洗作用是指冷卻液將鑲嵌在砂輪空隙中的磨屑以及床體內(nèi)的磨屑沖洗掉，因?yàn)殍偳对谏拜喛障吨械哪バ计茐牧松拜喌奈⑷行?，降低了砂輪的磨削性能。由于?shù)控磨床所使用的冷卻液是循環(huán)使用的，這必然要求數(shù)控磨床具有鐵屑過(guò)濾裝置，及時(shí)凈化磨削冷卻液，以便磨削冷卻液進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)繼續(xù)使用。數(shù)控磨床的過(guò)濾裝置如圖1所示，過(guò)濾的基本過(guò)程是：冷卻液先通過(guò)分離系統(tǒng)的磁分區(qū)，分離出第一個(gè)固相，即鐵屑，再通過(guò)濾紙過(guò)濾區(qū)，分離出另一固相，即砂輪末，經(jīng)過(guò)以上過(guò)濾過(guò)程，使冷卻液能夠得到較高程度的凈化。

傳統(tǒng)的數(shù)控磨床過(guò)濾裝置在很大程度上滿足了磨床冷卻、清洗、防銹和潤(rùn)滑的基本需求，但在實(shí)際使用過(guò)程中仍然存在很大的缺陷：磁滾子在吸附鐵屑的同時(shí)會(huì)將一部分磨削冷卻液帶出回水槽，這部分磨削冷卻液也會(huì)和鐵屑一起在磁滾子后面的鐵屑存放區(qū)存積，機(jī)床長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行將會(huì)導(dǎo)致這部分冷卻液存積過(guò)多，最終會(huì)溢出鐵屑存放區(qū)，如圖2所示。

改進(jìn)后，磨削冷卻液先進(jìn)入回水槽，通過(guò)水泵將其送到磁滾子裝置上，去除磨削冷卻液中的鐵屑，緊接著冷卻液再經(jīng)過(guò)濾紙過(guò)濾區(qū)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，改進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。改進(jìn)后的過(guò)濾裝置不僅可以完成改進(jìn)前的所有功能，還可以有效地改善磨削冷卻液溢出的問(wèn)題，使磨削冷卻液直接流入濾紙過(guò)濾區(qū)，從而有效地改善了過(guò)濾裝置存在的缺陷，提高了數(shù)控磨床冷卻液的使用率，改善了操作工人的工作環(huán)境。

▲圖1 數(shù)控磨床的過(guò)濾裝置

▲圖2 磨削冷卻液溢出

2 油霧分離器

油霧分離器安裝在機(jī)床、清洗機(jī)等工業(yè)設(shè)備上，用于從源頭收集、凈化機(jī)加工設(shè)備加工過(guò)程中產(chǎn)生的油霧、水霧等易在空氣中擴(kuò)散的污染物。數(shù)控磨床加工過(guò)程中，一般會(huì)產(chǎn)生含有多氯聯(lián)苯成分的大量油霧，會(huì)污染工作環(huán)境，影響生產(chǎn)效率，也會(huì)影響數(shù)控系統(tǒng)中元件的使用壽命，如圖4所示。

▲圖3 改進(jìn)后的數(shù)控磨床的過(guò)濾裝置

如今人們?cè)絹?lái)越重視環(huán)保，油霧分離器既可以消除油霧，減少油霧對(duì)數(shù)控磨床的銹蝕，延長(zhǎng)磨床的使用壽命，又可以減少對(duì)空氣的污染。因此，油霧分離器不僅可以提高工作效率，還可以創(chuàng)造一個(gè)舒適的工作環(huán)境，提高操作工人的積極性。

油霧分離器在數(shù)控磨床中的引用，有效地解決了數(shù)控磨床使用過(guò)程中存在的油霧、水霧或粉塵等影響車間環(huán)境的問(wèn)題，有效提高了數(shù)控磨床的可靠性及延長(zhǎng)使用壽命。

▲圖4 未使用油霧分離器的數(shù)控磨床一年的銹蝕情況

3 防護(hù)門

數(shù)控磨床的自動(dòng)防護(hù)門是安全設(shè)施的第一道防線，其安全有效性將直接影響操作工人的安全。防護(hù)門在磨床開始工作和運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，防護(hù)門上的安全鎖將自動(dòng)保持鎖定，直到磨床停止運(yùn)行且沒(méi)有危險(xiǎn)后才允許打開防護(hù)門進(jìn)行下一步操作，這有效地防止了鐵屑和冷卻液的飛濺，保護(hù)操作者的人身安全。門上安裝有防彈玻璃，方便操作者觀察工件的切削狀態(tài)。防護(hù)門的功能決定了其需要在磨床重復(fù)的工作中實(shí)現(xiàn)不斷地開合，這要求其具有較高的可靠性。表1是防護(hù)門在使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障統(tǒng)計(jì)，圖5所示是工作中的防護(hù)門。

由表1可以看出，防護(hù)門在使用過(guò)程中最容易出現(xiàn)的故障是滾輪軸承損壞，因此要提高防護(hù)門的可靠性，首先要提高滾輪軸承的使用壽命。根據(jù)防護(hù)門出現(xiàn)的故障，可采取以下措施來(lái)解決：①由于數(shù)控磨床上防護(hù)門的使用工況比較惡劣，可設(shè)計(jì)補(bǔ)充潤(rùn)滑油通道，提高軸承的使用壽命；②由于軸承是外購(gòu)件，應(yīng)選擇可靠性較高的軸承；③加強(qiáng)操作者的培訓(xùn)，提高操作者愛(ài)護(hù)機(jī)床的意識(shí)，在操作機(jī)床的過(guò)程中減少不必要的損壞；④定時(shí)檢查防護(hù)門上易松動(dòng)螺母的緊固狀態(tài)。

表1 防護(hù)門故障統(tǒng)計(jì)

▲圖5 工作中的防護(hù)門

4 結(jié)論

介紹的輔助功能部件是影響數(shù)控磨床可靠性和使用壽命的部件，亦將直接影響數(shù)控磨床的生產(chǎn)效率。

通過(guò)對(duì)過(guò)濾裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，顯著改善了數(shù)控磨床冷卻液外漏的問(wèn)題；油霧分離器的應(yīng)用，使磨床加工時(shí)產(chǎn)生的油霧等明顯減少，降低了油霧等對(duì)磨床內(nèi)部的銹蝕，特別是對(duì)主軸系統(tǒng)和頭架系統(tǒng)的損害，同時(shí)，車間的工作環(huán)境得到明顯的提升；改善防護(hù)門的軸承、滾珠絲杠等元器件，有效地降低了防護(hù)門出現(xiàn)故障的概率，提升了輔助功能部件的可靠性。

在數(shù)控磨床的使用過(guò)程中，還可通過(guò)以下方式提高數(shù)控磨床的可靠性：①加強(qiáng)操作者的培訓(xùn)，提高操作業(yè)務(wù)水平，減少不必要的操作失誤；②加強(qiáng)對(duì)數(shù)控磨床易損件的定期檢查，及時(shí)更換磨損嚴(yán)重的耗損件。

［1］ 李星軍.數(shù)控磨床整機(jī)系統(tǒng)可靠性分析與評(píng)價(jià)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2011.

［2］ 龔樸.磨床頭架的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［3］ 于勝昔.內(nèi)圓磨床精密主軸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究應(yīng)用［D］.鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2013.

［4］ 劉戰(zhàn)術(shù).高精度數(shù)控磨床的進(jìn)給系統(tǒng)與伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2009（5）:68-71.

［5］ 陳平.數(shù)控電火花線切割機(jī)床過(guò)濾系統(tǒng)的改進(jìn)［J］.電加工與模具，2012（4）:59-61.

［6］ 袁關(guān)林,錢春法.機(jī)床設(shè)備過(guò)濾除油及冷卻控溫的新裝置［J］.機(jī)械制造,1997（11）:41.

［7］ 鄧凌.高速數(shù)控機(jī)床的安全防護(hù)設(shè)計(jì)［J］.航空制造技術(shù)，2005（4）:108-110.