辅助功能部件在数控磨床使用过程中的优化

□ 范晋伟 □ 伊晓龙 □ 刘 超 □ 刘勇军 □ 朱 辉

1.北京工业大学 机械工程与电子应用技术学院 北京 100124

2.北京第二机床厂有限公司 北京 100165

可靠性是数控磨床的重要指标，是数控磨床质量的核心因素之一，数控磨床工作的可靠性已成为广大用户选购的重要标准。数控磨床主要功能部件包含头架系统、主轴系统、伺服系统和进给系统等，辅助功能部件包括冷却液过滤装置、油雾分离装置、防护门等。

国内有很多专家学者对数控磨床进行了全面研究，李星军［1］详细研究了数控磨床的主要功能部件、故障模式及危害度，针对危害度较大的系统提出了采用故障树分析方法，还进一步分析了各子系统的故障情况；龚朴［2］对数控磨床头架建立了动力学模型，并用ANSYS软件对头架进行模态分析和谐相应分析，进而对头架进行优化设计；于胜昔［3］以数控磨床的主轴为研究对象，针对影响主轴系统性能的重要因素进行分析研究，主要内容有主轴系统结构和影响回转精度的关键技术、主轴系统回转精度的检测与磨削质量的评价等；刘战术［4］针对高精度数控磨床的加工精度要求，给出高精度数控磨床的进给系统、伺服控制系统设计方案，提出伺服控制软件结构、伺服定位单元的参数设置方法和伺服定位系统的现场调试方法。

以上专家学者对数控磨床主要功能部件均作了大量深入的研究分析，并提出了相应的改进措施，因此国内数控磨床重要的可靠性指标MTBF，即平均故障间隔时间，已由20世纪90年代的145 h迅速提升到如今的900 h。然而在数控磨床高速发展的同时，对其辅助功能部件的研究亟待加强，全国仅有少数的专家学者关注这个问题，陈平［5］深入研究了浑浊的冷却液对零件表面质量的影响，以及对机床冷却液箱、零部件的腐蚀，并着重强调该冷却液可能会缩短机床使用寿命；袁关林等［6］着重研究了机床过滤油及冷却控温的新装置。

在数控磨床辅助功能部件的研究上，尤其是冷却液过滤装置、油雾分离装置、防护门等设备的研究，在国内亟待深入研究，不断完善。这些设备在磨床实际使用过程中会存在很多故障，但会对数控磨床的生产效率产生极大的影响。笔者着重分析了这些故障，并从实际应用角度提出可行性的设计和改进意见。

1 过滤装置

在磨床加工过程中，一般使用磨屑-磁性分离器对磨削冷却液中的杂质进行吸附分离，以提高磨削冷却液的纯净度。磨床在工作过程中会产生大量的磨屑和磨削泥，磨削泥中含铁量高达70%，可回收利用。使用磁性分离器无耗材消耗，既可提高磨削冷却液的纯净度，降低工件表面划伤，又可变废为宝，增加企业效益。

数控磨床中的磨削冷却液具有冷却、清洗、防锈和润滑的作用，其中清洗作用是指冷却液将镶嵌在砂轮空隙中的磨屑以及床体内的磨屑冲洗掉，因为镶嵌在砂轮空隙中的磨屑破坏了砂轮的微刃性，降低了砂轮的磨削性能。由于数控磨床所使用的冷却液是循环使用的，这必然要求数控磨床具有铁屑过滤装置，及时净化磨削冷却液，以便磨削冷却液进入下一个循环继续使用。数控磨床的过滤装置如图1所示，过滤的基本过程是：冷却液先通过分离系统的磁分区，分离出第一个固相，即铁屑，再通过滤纸过滤区，分离出另一固相，即砂轮末，经过以上过滤过程，使冷却液能够得到较高程度的净化。

传统的数控磨床过滤装置在很大程度上满足了磨床冷却、清洗、防锈和润滑的基本需求，但在实际使用过程中仍然存在很大的缺陷：磁滚子在吸附铁屑的同时会将一部分磨削冷却液带出回水槽，这部分磨削冷却液也会和铁屑一起在磁滚子后面的铁屑存放区存积，机床长时间的运行将会导致这部分冷却液存积过多，最终会溢出铁屑存放区，如图2所示。

改进后，磨削冷却液先进入回水槽，通过水泵将其送到磁滚子装置上，去除磨削冷却液中的铁屑，紧接着冷却液再经过滤纸过滤区进入下一个循环，改进装置结构如图3所示。改进后的过滤装置不仅可以完成改进前的所有功能，还可以有效地改善磨削冷却液溢出的问题，使磨削冷却液直接流入滤纸过滤区，从而有效地改善了过滤装置存在的缺陷，提高了数控磨床冷却液的使用率，改善了操作工人的工作环境。

▲图1 数控磨床的过滤装置

▲图2 磨削冷却液溢出

2 油雾分离器

油雾分离器安装在机床、清洗机等工业设备上，用于从源头收集、净化机加工设备加工过程中产生的油雾、水雾等易在空气中扩散的污染物。数控磨床加工过程中，一般会产生含有多氯联苯成分的大量油雾，会污染工作环境，影响生产效率，也会影响数控系统中元件的使用寿命，如图4所示。

▲图3 改进后的数控磨床的过滤装置

如今人们越来越重视环保，油雾分离器既可以消除油雾，减少油雾对数控磨床的锈蚀，延长磨床的使用寿命，又可以减少对空气的污染。因此，油雾分离器不仅可以提高工作效率，还可以创造一个舒适的工作环境，提高操作工人的积极性。

油雾分离器在数控磨床中的引用，有效地解决了数控磨床使用过程中存在的油雾、水雾或粉尘等影响车间环境的问题，有效提高了数控磨床的可靠性及延长使用寿命。

▲图4 未使用油雾分离器的数控磨床一年的锈蚀情况

3 防护门

数控磨床的自动防护门是安全设施的第一道防线，其安全有效性将直接影响操作工人的安全。防护门在磨床开始工作和运转的同时自动关闭，防护门上的安全锁将自动保持锁定，直到磨床停止运行且没有危险后才允许打开防护门进行下一步操作，这有效地防止了铁屑和冷却液的飞溅，保护操作者的人身安全。门上安装有防弹玻璃，方便操作者观察工件的切削状态。防护门的功能决定了其需要在磨床重复的工作中实现不断地开合，这要求其具有较高的可靠性。表1是防护门在使用过程中出现的故障统计，图5所示是工作中的防护门。

由表1可以看出，防护门在使用过程中最容易出现的故障是滚轮轴承损坏，因此要提高防护门的可靠性，首先要提高滚轮轴承的使用寿命。根据防护门出现的故障，可采取以下措施来解决：①由于数控磨床上防护门的使用工况比较恶劣，可设计补充润滑油通道，提高轴承的使用寿命；②由于轴承是外购件，应选择可靠性较高的轴承；③加强操作者的培训，提高操作者爱护机床的意识，在操作机床的过程中减少不必要的损坏；④定时检查防护门上易松动螺母的紧固状态。

表1 防护门故障统计

▲图5 工作中的防护门

4 结论

介绍的辅助功能部件是影响数控磨床可靠性和使用寿命的部件，亦将直接影响数控磨床的生产效率。

通过对过滤装置的结构改进，显著改善了数控磨床冷却液外漏的问题；油雾分离器的应用，使磨床加工时产生的油雾等明显减少，降低了油雾等对磨床内部的锈蚀，特别是对主轴系统和头架系统的损害，同时，车间的工作环境得到明显的提升；改善防护门的轴承、滚珠丝杠等元器件，有效地降低了防护门出现故障的概率，提升了辅助功能部件的可靠性。

在数控磨床的使用过程中，还可通过以下方式提高数控磨床的可靠性：①加强操作者的培训，提高操作业务水平，减少不必要的操作失误；②加强对数控磨床易损件的定期检查，及时更换磨损严重的耗损件。

［1］ 李星军.数控磨床整机系统可靠性分析与评价［D］.杭州：浙江大学，2011.

［2］ 龚朴.磨床头架的结构分析及优化设计［D］.武汉：武汉理工大学，2007.

［3］ 于胜昔.内圆磨床精密主轴系统关键技术研究应用［D］.郑州：河南工业大学，2013.

［4］ 刘战术.高精度数控磨床的进给系统与伺服控制系统设计［J］.组合机床与自动化加工技术,2009（5）:68-71.

［5］ 陈平.数控电火花线切割机床过滤系统的改进［J］.电加工与模具，2012（4）:59-61.

［6］ 袁关林,钱春法.机床设备过滤除油及冷却控温的新装置［J］.机械制造,1997（11）:41.

［7］ 邓凌.高速数控机床的安全防护设计［J］.航空制造技术，2005（4）:108-110.