機(jī)匣加工中心的可靠性增長(zhǎng)措施*

牟 冰 楊慶東

(北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)匣加工中心專門用來(lái)加工空間曲面形狀復(fù)雜、薄壁、剛性弱，在加工過程中容易發(fā)生變形的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等大型圓柱形或截錐形殼體類工件［1］。五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)匣加工中心實(shí)現(xiàn)了多工序集中復(fù)合加工，一次裝夾就能完成機(jī)匣所有表面及孔加工，能夠大幅提高生產(chǎn)效率［2］，保證了機(jī)匣加工質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。

由于機(jī)匣加工中心功能密集，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工況多變，且負(fù)荷較大，因而故障頻發(fā)，可靠性降低［3］，嚴(yán)重影響了機(jī)匣加工中心的先進(jìn)性。鑒于機(jī)匣加工中心在航空航天等領(lǐng)域的重要戰(zhàn)略地位，對(duì)其進(jìn)行故障分析以提高可靠性水平具有重要的意義。

1 故障部位分析

1.1 故障統(tǒng)計(jì)

從2013年1月1 日到2014年6月30 日，跟蹤調(diào)查了7 臺(tái)機(jī)匣加工中心在加工現(xiàn)場(chǎng)的故障數(shù)據(jù)，經(jīng)整理得到有效故障49 個(gè)。

1.2 故障部位分析

經(jīng)過對(duì)故障數(shù)據(jù)的分析，得知機(jī)匣加工中心的鏈?zhǔn)降稁?kù)系統(tǒng)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和電主軸這3 個(gè)部位的故障占總故障數(shù)的一半以上，因此這3 個(gè)部位是提高機(jī)匣加工中心整機(jī)可靠性的關(guān)鍵部位。機(jī)匣加工中心和機(jī)匣工件的模型分別如圖1、圖2 所示。

五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)匣加工中心具有雙力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)擺頭，立、臥轉(zhuǎn)換動(dòng)柱式機(jī)床結(jié)構(gòu);具有較高的主軸剛性和轉(zhuǎn)速，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)具有較高的定位精度，具有大行程、高剛性、高精度、復(fù)合加工五軸聯(lián)動(dòng)的特性，適合航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣工件的加工。

(1)鏈?zhǔn)降稁?kù)和機(jī)械手系統(tǒng)含有機(jī)械、電氣、液壓等元件，在加工機(jī)匣時(shí)需要頻繁更換刀具，動(dòng)作快，容易發(fā)生故障，是五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)匣加工中心的薄弱環(huán)節(jié)［4］。

(2)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的加工環(huán)境十分惡劣。受切削力、切削液和工件切屑等的影響［5］，且數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的分度頻率很高，加劇了數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)各傳動(dòng)部件之間的磨損，因此容易發(fā)生故障［6］，嚴(yán)重影響了機(jī)匣加工中心的整機(jī)可靠性。

(3)8 000 r/min 的電主軸要求完成擺動(dòng)功能，且電主軸涉及電動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑和控制等多個(gè)方面，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容易發(fā)生松動(dòng)、滲漏等故障，嚴(yán)重威脅到機(jī)匣加工中心的整機(jī)可靠性。

這3 個(gè)功能部件是機(jī)匣加工中心故障率最高的部件，應(yīng)該高度重視［7］;為了深入了解每種故障模式對(duì)機(jī)匣加工中心整機(jī)可靠性的影響程度，有必要充分利用加工現(xiàn)場(chǎng)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行FMECA 分析(failure mode，effects and criticality analysis，故障模式影響及危害性分析)［8］。下面對(duì)機(jī)匣加工中心進(jìn)行可靠性分析，假設(shè)鏈?zhǔn)降稁?kù)系統(tǒng)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和高速電主軸代碼依次是1、2 和3。

2 故障模式及危害度分析

根據(jù)得到的故障數(shù)據(jù)和相關(guān)計(jì)算公式［9］，計(jì)算該機(jī)匣加工中心鏈?zhǔn)降稁?kù)和機(jī)械手系統(tǒng)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、高速電主軸這3 個(gè)高頻故障部位的危害度CRi并總結(jié)其故障模式，如表1 所示。

表1 高頻故障部位的故障模式及危害度表

危害度CRi的計(jì)算公式:

式中:nj為故障模式j(luò) 發(fā)生的次數(shù);ni為子系統(tǒng)i 發(fā)生故障的次數(shù);αij表示機(jī)匣加工中心子系統(tǒng)i 發(fā)生故障模式j(luò) 的概率;λi表示子系統(tǒng)i 的故障率;βij表示子系統(tǒng)i 因故障模式j(luò) 造成該系統(tǒng)失效的概率。對(duì)βij規(guī)定:若βij=1 表示該子系統(tǒng)一定會(huì)損失效，若βij=0.5表示該子系統(tǒng)有可能失效，若βij=0.1 表示該子系統(tǒng)很少失效，若βij=0 表示該子系統(tǒng)一定不會(huì)失效。

式中:Ni為機(jī)匣加工中心子系統(tǒng)i 在本次統(tǒng)計(jì)中故障發(fā)生的總次數(shù);∑t 為子系統(tǒng)i 的累積工作時(shí)間，因調(diào)查期間機(jī)床每天工作21 小時(shí)，每月工作約22 天，共18個(gè)月，所以∑t=21 ×22 ×18=8 316 h。

據(jù)表1 數(shù)據(jù)及公式(1)計(jì)算得出機(jī)匣加工中心各故障模式的危害度分布直方圖，如圖3 所示。

通過對(duì)機(jī)匣加工中心故障模式的FMECA 分析，且由圖3 可知機(jī)匣加工中心危害度最大的4 個(gè)故障模式是A02 機(jī)械手掉刀、C02 主軸抱死、B01 切削液、液壓油等泄漏和B03 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)工作精度超標(biāo)。

3 故障原因分析

通過對(duì)機(jī)匣加工中心發(fā)生故障頻率最高的3 個(gè)故障部位的故障分析，得到機(jī)匣加工中心可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，有必要準(zhǔn)確地分析找出機(jī)床發(fā)生故障的根本原因，以便采取有針對(duì)性的措施提高機(jī)匣加工中心的可靠性。對(duì)國(guó)產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)匣加工中心的幾個(gè)高危害度故障模式的原因分析如表2 所示。

表2 高危害度故障模式的原因分析

4 可靠性增長(zhǎng)措施

根據(jù)上面的分析得到了機(jī)匣加工中心危害度最大的4 個(gè)故障模式，因此要明顯提高機(jī)匣加工中心的可靠性，就要以這幾個(gè)故障模式為突破口，兼顧其他故障模式，采取有針對(duì)性的措施來(lái)提高機(jī)匣加工中心的可靠性。

4.1 機(jī)械手掉刀的措施

(1)定期檢查、緊固脹緊套螺栓、鎖緊環(huán)等連接件，消除早期故障;及時(shí)更換磨損、斷裂的刀爪和損壞的夾持彈簧。

(2)首先保證所裝配的零部件都是合格產(chǎn)品，嚴(yán)格按照裝配規(guī)范裝配，確保裝配精度。

(3)要定期檢查刀套上的刀具定位片和彈簧，予以緊固并適時(shí)更換已磨損的刀具定位塊或刀套;在拉釘結(jié)構(gòu)加入防松設(shè)計(jì)，在將刀具放入刀庫(kù)前，用虎鉗擰緊時(shí)加入防松膠。

(4)及時(shí)更換已損壞的感應(yīng)開關(guān)、電磁閥;加強(qiáng)對(duì)外購(gòu)電磁閥的篩選，選擇可靠性高的電磁閥。

4.2 切削液、液壓油等泄漏的措施

(1)及時(shí)更換新的罩殼，并嚴(yán)格控制外購(gòu)罩殼的質(zhì)量。

(2)控制裝配流程，減小因裝配不當(dāng)造成的加速磨損;定期檢查并更換已損壞的活塞。

(3)使用環(huán)形扣壓方式，做好管路走線，盡量避免橡膠管發(fā)生彎曲［11］;及時(shí)更換已損壞的密封圈，做好外購(gòu)密封圈的可靠性評(píng)估，選擇可靠性高的密封圈。

4.3 轉(zhuǎn)臺(tái)工作精度超標(biāo)的措施

(1)改進(jìn)罩殼的密封方式，選用效果好的密封圈，在結(jié)合處涂抹防水膠。

(2)避免數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)加工，改善數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部散熱結(jié)構(gòu)。

(3)定期檢查修復(fù)轉(zhuǎn)臺(tái)緩沖裝置，運(yùn)用準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)、平滑濾波等方法消除電磁干擾。

(4)嚴(yán)格保證轉(zhuǎn)臺(tái)零部件質(zhì)量，按照裝配要求和工序來(lái)安裝轉(zhuǎn)臺(tái)，通過前饋控制方法和可預(yù)見控制方法消除反饋延遲，通過電壓/電流過采樣技術(shù)、增加濾波環(huán)節(jié)來(lái)消除電壓/電流波動(dòng)。

4.4 主軸抱死的措施

(1)嚴(yán)格控制軸瓦與砂輪軸的間隙在0.008～0.025 mm;要對(duì)選用的軸瓦進(jìn)行精刮以清除毛刺，使其表面粗糙度符合要求;軸瓦安裝前要清洗干凈，并在專用的裝配間進(jìn)行，以便保證環(huán)境溫度恒定及清潔衛(wèi)生［12］。

(2)首先選擇合適的潤(rùn)滑油牌號(hào)，對(duì)靜壓系統(tǒng)進(jìn)行全面的專業(yè)清洗［13］，添加的潤(rùn)滑油要經(jīng)過精過濾，確保軸瓦間有足夠的潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑正常;定期檢查散熱器并及時(shí)更換已損壞的散熱器。

(3)加強(qiáng)軸承質(zhì)量檢測(cè)，嚴(yán)格控制外購(gòu)軸承的質(zhì)量，并確保動(dòng)靜壓電主軸的安裝精度達(dá)到要求。

(4)軸承在裝配前最好做高壓防漏檢查，在裝配之后還要進(jìn)行裝配質(zhì)量檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后才能進(jìn)行整機(jī)裝配。在主軸潤(rùn)滑系統(tǒng)安裝溫控檢測(cè)裝置，當(dāng)溫升超過20℃時(shí)，溫控裝置進(jìn)行預(yù)警［14］。

4.5 可靠性管理與試驗(yàn)

(1)企業(yè)應(yīng)建立以可靠性管理為核心的質(zhì)量體系，加強(qiáng)對(duì)外購(gòu)件供應(yīng)商的考察和評(píng)估;建立可靠性裝配崗位責(zé)任制，跟蹤和控制裝配過程，保證裝配質(zhì)量。

(2)根據(jù)機(jī)匣加工中心的故障分析結(jié)果，機(jī)床在出廠前應(yīng)建立鏈?zhǔn)降稁?kù)系統(tǒng)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和電主軸的試驗(yàn)臺(tái)，在機(jī)匣加工中心總裝前要激發(fā)并消除這3 個(gè)關(guān)鍵部件的早期故障。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)匣加工中心在加工現(xiàn)場(chǎng)采集的故障數(shù)據(jù)，通過對(duì)機(jī)匣加工中心故障頻發(fā)部位的FMECA，找出其故障發(fā)生的根本原因，提出有針對(duì)性的措施反饋給企業(yè)的設(shè)計(jì)、管理等部門，為實(shí)現(xiàn)機(jī)匣加工中心的可靠性增長(zhǎng)提供了依據(jù)，對(duì)增強(qiáng)國(guó)產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)匣加工中心在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義。

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