數(shù)控機(jī)床刀塔的結(jié)構(gòu)分析及可靠性研究

李興凱

LI Xing-kai

（山東科技職業(yè)學(xué)院，濰坊 261053）

0 引言

數(shù)控機(jī)床作為衡量國家機(jī)械制造水平的重要標(biāo)志，其發(fā)展直接關(guān)系到國家工業(yè)化程度和經(jīng)濟(jì)實(shí)力。國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性雖已有很大程度的提高，但與世界先進(jìn)水平相比還有很大差距，這其中最重要的原因就是功能部件不能滿足可靠性要求，特別是數(shù)控刀塔已成為制約整體機(jī)床發(fā)展的瓶頸因素之一[1,2]。因此開展刀塔等數(shù)控機(jī)床功能部件的可靠性研究以提升我國數(shù)控機(jī)床的整體可靠性是亟須解決的問題。

針對(duì)目前我國刀塔的可靠性水平低不能滿足高檔機(jī)床加工需求的問題，本文以某公司生產(chǎn)的液壓刀塔為研究對(duì)象，對(duì)刀塔系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了分析研究。通過刀塔結(jié)構(gòu)分析將其細(xì)分為多個(gè)子系統(tǒng)組成的串聯(lián)模型，進(jìn)而根據(jù)刀塔的故障數(shù)據(jù)計(jì)算了刀塔的可靠性特征量，然后利用故障模式、影響及危害性分析(FMECA)方法對(duì)刀塔的故障部位、故障模式、故障原因及危害性等進(jìn)行了研究，找出了刀塔系統(tǒng)的可靠性薄弱環(huán)節(jié)并提出了高效的改進(jìn)措施。

1 刀架結(jié)構(gòu)分析

所研究的液壓刀塔由本體部分、傳動(dòng)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電器系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。刀塔內(nèi)部機(jī)械采用分割角度準(zhǔn)確與換刀速度快的平形凸輪設(shè)計(jì)，其刀盤旋轉(zhuǎn)使用扭力大而平穩(wěn)的油壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其刀盤夾緊松開配備有動(dòng)作準(zhǔn)確順暢的油壓動(dòng)力源，刀塔還具有左右安裝的設(shè)計(jì)及就近選刀功能。刀塔以油壓馬達(dá)為分度動(dòng)力源，通過1:4步進(jìn)共軛凸輪，再分別由1:2、1:2.5與1:3齒輪傳動(dòng)分別使刀盤實(shí)現(xiàn)1/8、1/10與1/12的分度。刀盤的初分位置由信號(hào)盤、接近開關(guān)信號(hào)確定，刀盤精定位由連接器保證（分度精度為6〃），連接器的分開、鎖緊由液壓控制活塞動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。

刀塔本體部分為刀塔的主要部分，包括支撐和油封兩部分。支撐部分由底座、后蓋、軸承座及副蓋等組成，主要起支撐及防護(hù)作用，主軸及凸輪軸等零件均通過支撐部分來安裝及固定。油封部分則主要由油缸蓋、活塞及O型密封環(huán)等構(gòu)成。刀塔內(nèi)部設(shè)計(jì)為浸油式潤滑，以降低凸輪、滾輪及齒輪之間的磨耗，同時(shí)兼具降溫、降噪與軸承潤滑的作用。

刀塔傳動(dòng)系統(tǒng)由油壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，然后經(jīng)凸輪傳動(dòng)、滾輪傳動(dòng)及齒輪傳動(dòng)，最后帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。凸輪傳動(dòng)主要由凸輪及凸輪軸等構(gòu)成，滾輪傳動(dòng)主要由滾輪及滾輪軸等構(gòu)成，而齒輪傳動(dòng)主要由齒輪、鎖緊螺帽等構(gòu)成。滾輪在傳動(dòng)系統(tǒng)中處于中間的位置，其滾輪與凸輪要有較好的配合，同時(shí)滾輪軸的齒輪還需要與分度盤齒輪精準(zhǔn)嚙合，這樣才能以不同傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)刀盤的分度和分度精度。

刀塔液壓系統(tǒng)分為松開鎖緊部分和轉(zhuǎn)位部分。松開鎖緊部分由油路板、節(jié)流閥、油壓電磁閥等組成，刀塔刀盤的松開、鎖緊由二位四通油壓電磁閥來控制，而刀盤的鎖緊速度由單向節(jié)流閥加以控制，刀盤常態(tài)是鎖緊的，只有換刀時(shí)才抬起。轉(zhuǎn)位部要由油路板、油壓電磁閥、油壓馬達(dá)等構(gòu)成，刀盤在換刀抬起后可轉(zhuǎn)位，雙向油壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)位，刀盤的轉(zhuǎn)向則由三位四通油壓電磁閥進(jìn)行控制。刀盤鎖緊確認(rèn)后，控制松開鎖緊的二位四通電磁閥回歸中位，同時(shí)雙向油壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

刀塔定位系統(tǒng)則主要由刀盤、連接器、主軸、墊圈及鎖緊螺帽等構(gòu)件組成，用于保證刀具運(yùn)動(dòng)到精確的位置。刀塔電器系統(tǒng)主要由感應(yīng)凸輪、固定架和接近開關(guān)等構(gòu)件組成，用于控制刀盤的松開鎖緊及轉(zhuǎn)位等運(yùn)動(dòng)的啟停。刀塔冷卻系統(tǒng)主要由導(dǎo)流座、導(dǎo)流桿、套筒、彈簧、O型環(huán)及襯套等構(gòu)件組成，冷卻液由刀塔側(cè)旁的管接頭進(jìn)入導(dǎo)流座，再經(jīng)導(dǎo)流桿進(jìn)入刀盤，當(dāng)?shù)侗P往外推出時(shí)導(dǎo)流座內(nèi)的機(jī)械可自動(dòng)將冷卻液阻隔。

2 刀塔可靠性分析

樣本歷史故障維修數(shù)據(jù)是進(jìn)行可靠性分析的基礎(chǔ)[3]。通過與某企業(yè)合作，設(shè)計(jì)專門的故障維修數(shù)據(jù)收集表格對(duì)其生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的26臺(tái)上述刀塔進(jìn)行為期1.5年的故障及維修記錄統(tǒng)計(jì)，整理后獲得了108條刀塔的有效故障維修信息，其中刀塔的最小無故障工作時(shí)間僅為8.13h，而最大無故障使用時(shí)間則為1689.45h。

理論研究與實(shí)踐表明，機(jī)電液產(chǎn)品的壽命大多服從正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、指數(shù)分布及威布爾分布等常見形式，從而將刀塔無故障時(shí)間數(shù)據(jù)分為10組，計(jì)算和擬合其經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)，然后計(jì)算概率密度函數(shù)。擬合計(jì)算結(jié)果表明，刀塔無故障時(shí)間的概率密度曲線呈明顯的單調(diào)下降趨勢(shì)，從而排除概率密度函數(shù)曲線呈現(xiàn)單峰鐘形的正態(tài)分布及對(duì)數(shù)正態(tài)分布，可見刀塔無故障時(shí)間服威布爾分布（指數(shù)分析又為威布爾分布形狀參數(shù)取1的特例），后續(xù)將基于威布爾分布對(duì)刀塔無故障時(shí)間進(jìn)行擬合和開展可靠性分析。

雙參數(shù)威布爾累積分布函數(shù)為：

其中α ＞0 為與工作負(fù)載有關(guān)的尺度參數(shù)，β ＞ 0為與刀塔使用階段相關(guān)的形狀參數(shù)，考慮時(shí)刻 t ≥0。

確定刀塔無故障時(shí)間的分布類型后，需通過極大似然估計(jì)法、圖估計(jì)法、最小二乘法及一元線性回歸法等方法對(duì)分布函數(shù)中的待定參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。威布爾分布的累積分布函數(shù)不含積分項(xiàng)，可通過一定的數(shù)學(xué)變化轉(zhuǎn)換為最小二乘最優(yōu)估計(jì)問題，故通過最小二乘法對(duì)參數(shù)α、β進(jìn)行估計(jì)。將現(xiàn)場(chǎng)采集的故障數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行變換后，通過SPSS 軟件進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，可得α=579.984,β=1.135，擬合結(jié)果通過線性相關(guān)性檢驗(yàn)和K—S檢驗(yàn)。

完成累積分布函數(shù)參數(shù)估計(jì)后，即可對(duì)刀塔無故障時(shí)間的可靠度、故障率及平均無故障時(shí)間等可靠性特征量進(jìn)行計(jì)算。其中刀塔的可靠度函數(shù)為：

其隨時(shí)間變化曲線如圖一所示，可見刀塔可靠度隨使用時(shí)間的延長而呈指數(shù)下降。

平均無故障工作時(shí)間（MTBF）是衡量刀塔可靠性質(zhì)量的重要指標(biāo)，其定義為刀塔相鄰兩次故障間的平均工作時(shí)間，即MTBF為刀塔無故障工作時(shí)間的數(shù)學(xué)期望值：

代入數(shù)據(jù)后可得MTBF=554.12h，而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)刀塔數(shù)據(jù)計(jì)算可得到MTBF的觀測(cè)值為533.69h，兩者相差不到4%，這進(jìn)一步驗(yàn)證了前述刀塔故障數(shù)據(jù)分布模型和參數(shù)估計(jì)的正確性。另外，“十一五”期間國家規(guī)定的數(shù)控機(jī)床的平均壽命為900h，而由上述分析得知該系列刀塔的還達(dá)不到要求，亟需找出刀塔系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進(jìn)，提高其可靠性水平。

圖1 刀塔系統(tǒng)可靠度變化曲線

3 刀塔FMECA分析

FMECA（Failure Mode,Effects and Criticality Analysis）是以故障模式為基礎(chǔ)，以故障影響及危害為目標(biāo)的可靠性分析技術(shù)。FMECA可分為故障模式及影響分析(FMEA)和危害性分析(CA)兩部分，而FMEA則進(jìn)一步細(xì)分為故障部位、故障模式、故障原因及故障責(zé)任歸屬分析。通過FMECA分析系統(tǒng)各組成部分的不同故障模式及其影響，可識(shí)別系統(tǒng)中的薄弱和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)的可靠性改進(jìn)提供重要依據(jù)。

通過數(shù)控機(jī)床刀塔的功能分析可知，刀塔要實(shí)現(xiàn)刀具儲(chǔ)備、刀具夾持切削及自動(dòng)換刀等設(shè)計(jì)功能需要子系統(tǒng)均能正常無故障運(yùn)行，則刀塔的可靠性框圖即為本體部分、傳動(dòng)系統(tǒng)和定位系統(tǒng)等6個(gè)子系統(tǒng)串聯(lián)而成，而每個(gè)子系統(tǒng)的可靠性框圖則是其各自零部件與元器件組成的串聯(lián)模型。針對(duì)刀塔開展FMECA分析，可找出其結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而采取高效的改進(jìn)措施提高刀塔的可靠度。

圖2 刀塔系統(tǒng)故障部位的頻率直方圖

整個(gè)刀塔FMEC分析表明，電器系統(tǒng)是影響刀塔可靠性的主要因素，其占刀塔故障發(fā)生部位比例達(dá)到38.89%，定位系統(tǒng)（15.74%）及冷卻系統(tǒng)（14.81%）也是刀塔故障的多發(fā)部位；零部件損壞（22.22%）和元器件損壞（18.52%）是刀塔的主要故障模式，其它故障模式還包括接近開關(guān)位置設(shè)置不當(dāng)?shù)?；刀塔故障的最主要原因是零部件損壞（20.37%），元器件損壞（17.59%）和調(diào)整不當(dāng)（13.89%）也不容忽視，而其它故障原因的發(fā)生率則相對(duì)較少；而就故障責(zé)任歸屬來看，零件的制造引起的故障次數(shù)最多（33.33%），裝配不當(dāng)（25%）則是造成刀塔故障的另一主要責(zé)任源。其中刀塔故障部位的頻率直方圖如圖二所示。

電器系統(tǒng)是刀塔的關(guān)鍵系統(tǒng)，下面通過FMEC對(duì)其作進(jìn)一步的分析。電器系統(tǒng)的故障部位主要為接近開關(guān)（66.67%）與固定架（16.67%）；而元器件損壞（42.86%）和接近開關(guān)位置調(diào)整不當(dāng)（35.71%）是電器系統(tǒng)的故障模式，這說明元器件的損壞為刀塔可靠性的重要制約因素；同時(shí)元器件損壞（42.86%）和調(diào)整不當(dāng)（30.95%）也是電器系統(tǒng)的主要故障原因。電器系統(tǒng)的故障責(zé)任主要來自于外購?fù)鈪f(xié)、裝配和用戶，分別發(fā)生了16次、11次及9次。其中刀塔電器系統(tǒng)故障責(zé)任歸屬頻率直方圖如圖3所示。

圖3 刀塔電器系統(tǒng)故障責(zé)任歸屬的頻率直方圖

刀塔危害性分析綜合考慮故障模式發(fā)生的頻率及其對(duì)刀塔系統(tǒng)的危害程度，易于找出刀塔的薄弱環(huán)節(jié)。刀塔CA分析結(jié)果表明，電器系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)與本體系統(tǒng)等對(duì)刀塔的危害性依次減小，可見電器系統(tǒng)是刀塔最為薄弱的環(huán)節(jié)，應(yīng)重點(diǎn)考慮其可靠性改進(jìn)。

通過FMECA分析找出了刀塔系統(tǒng)的多發(fā)故障部位、故障模式、故障原因、故障責(zé)任歸屬及其薄弱環(huán)節(jié)，從而可以采取有效的措施以增加刀塔系統(tǒng)的可靠性。如通過更為嚴(yán)格的元器件采購、檢驗(yàn)及安裝原則提高電器系統(tǒng)的可靠性，通過制造工藝及制造過程的質(zhì)量控制以減少相關(guān)零部件損壞及通過裝配工藝和裝配流程的優(yōu)化來提高裝配的可靠性等。

4 結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床重要功能部件的質(zhì)量直接影響到數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量，因此提高數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量需要提高刀塔等重要功能部件的質(zhì)量。本文對(duì)某公司生產(chǎn)液壓刀塔的結(jié)構(gòu)和可靠性進(jìn)行了分析研究，通過刀塔的結(jié)構(gòu)分析建立了刀塔的可靠性模型，進(jìn)而基于故障數(shù)據(jù)對(duì)刀塔的可靠性特征量進(jìn)行了擬合與計(jì)算，然后利用FMECA對(duì)刀塔進(jìn)行了分析，重點(diǎn)是確定了刀塔的故障部位、故障模式及故障原因等，找出了電氣系統(tǒng)是刀塔最為薄弱的環(huán)節(jié)，并提出了提高刀塔整體可靠性的改進(jìn)措施。

[1]于捷,孫立大,石耀霖,等.基于BDD技術(shù)下的數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)塔刀架系統(tǒng)重要度分析[J].機(jī)床與液壓,2009,37(1):157-161.

[2]于捷,石耀霖,申桂香,等.基于二元決策圖的數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)塔刀架系統(tǒng)重要度分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2009,(3):132-136.

[3]金淵源,馮虎田.刀庫及自動(dòng)換刀裝置可靠性熵法評(píng)定技術(shù)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2013,(8):23-25.