基于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的國產(chǎn)數(shù)控沖床主要部件失效分析與改進(jìn)

李尚達(dá) 王目元 孫珊珊 蘭 翼

（1.山東省經(jīng)濟(jì)和信息化研究院，濟(jì)南 250000；2.山東海霖物業(yè)管理有限公司，濟(jì)南 250000；3.濟(jì)南鑄鍛所檢驗(yàn)檢測科技有限公司，濟(jì)南 250000；4.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250000）

機(jī)床是工業(yè)母機(jī)，機(jī)床產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性直接影響國家制造業(yè)水平。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論主要研究各種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是工程結(jié)構(gòu)安全性的重要內(nèi)容之一。機(jī)床出現(xiàn)故障，往往表現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、部分失穩(wěn)、個(gè)別構(gòu)件失穩(wěn)和構(gòu)件局部失穩(wěn)，任何一種失穩(wěn)現(xiàn)象都可能使系統(tǒng)不能有效工作。數(shù)控沖床是機(jī)床行業(yè)的重要品類之一，我國目前主要沖床產(chǎn)品已經(jīng)能夠基本滿足國內(nèi)需求，產(chǎn)品參數(shù)與國外產(chǎn)品基本持平，但在穩(wěn)定性方面與國際高端水平還存在一定差距。特別是日常使用中多發(fā)的一些工藝細(xì)節(jié)問題，造成眾多穩(wěn)定性缺陷，有待改進(jìn)。

1 設(shè)計(jì)意義

在實(shí)現(xiàn)沖床功能需求的基礎(chǔ)上，人們要進(jìn)一步提高國產(chǎn)沖床穩(wěn)定性和可靠性，不僅在性能參數(shù)上與國外產(chǎn)品看齊，更要在產(chǎn)品精密度、工藝優(yōu)化上追求完善，從工藝和技術(shù)上預(yù)先避免各種工況下可能發(fā)生的失效情況，最終達(dá)到和超越國外同類產(chǎn)品[1]。

2 失效分析及解決方案

為便于分析失效因素，提出針對性改進(jìn)措施，可針對不同數(shù)控沖床進(jìn)行失效分析區(qū)塊劃分。本研究主要針對機(jī)架組件、液壓系統(tǒng)等主要部件的常見失效情況進(jìn)行分析和改進(jìn)。

數(shù)控沖床使用中，機(jī)身拉緊螺母會(huì)因裝配、結(jié)構(gòu)合理性、工況等問題出現(xiàn)失效，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)機(jī)床系統(tǒng)失穩(wěn)。拉緊螺母失效主要表現(xiàn)為松動(dòng)和斷裂。

2.1 拉緊螺母松動(dòng)

國產(chǎn)機(jī)床機(jī)身螺母多采用兩端鎖緊螺母和機(jī)械預(yù)緊方式。一定條件下，特別是長期使用、振動(dòng)明顯時(shí)，易發(fā)生松動(dòng)失效。為解決這一問題，改進(jìn)成一端為鎖緊螺母，另一端為油缸螺紋活塞組合體，裝配時(shí)通過高壓油使機(jī)身拉緊螺栓拉長，將螺母擰緊后再使高壓油卸荷，沖壓過程中采用液壓缸雙倍機(jī)床公稱力鎖緊。人們可以利用機(jī)床系統(tǒng)的油壓實(shí)時(shí)監(jiān)測、報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)更好的預(yù)緊效果，提高可靠性。液壓螺紋復(fù)合緊固端結(jié)構(gòu)如圖1所示。

國內(nèi)企業(yè)一般選取1.5～2.5倍的預(yù)緊倍數(shù)。針對不同沖床，應(yīng)查詢或試驗(yàn)測定默認(rèn)預(yù)緊倍數(shù)，并與改裝后的實(shí)測數(shù)據(jù)相比較。通過實(shí)測發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用以上工藝改進(jìn)，緊固螺栓的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)預(yù)緊倍數(shù)一直保持穩(wěn)定。

2.2 拉緊螺母斷裂

常見情況為螺紋處疲勞斷裂，斷裂的發(fā)生主要由于機(jī)身拉緊螺桿在沖床運(yùn)行時(shí)受到脈動(dòng)載荷。只考慮靜載荷會(huì)使設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足以長期承受脈動(dòng)載荷，考慮交變載荷時(shí)忽略載荷強(qiáng)度隨機(jī)性仍然會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度不足，所以須對拉緊螺桿按照應(yīng)力-強(qiáng)度理論進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)際使用中，人們常遇到螺桿非螺紋段直徑與螺紋大徑相同的設(shè)備從螺桿中部斷裂的情況，通過ANsYs分析可見螺桿中部應(yīng)力較大易斷裂。針對這一情況，可將非螺紋段適當(dāng)加粗，螺紋段與非螺紋段過渡臺(tái)階處增加了圓弧角過渡。修改后進(jìn)行ANsYs分析，可見整體強(qiáng)度能滿足要求。改進(jìn)后，拉緊螺母結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 液壓螺紋復(fù)合緊固端結(jié)構(gòu)

圖2 改進(jìn)后的拉緊螺母結(jié)構(gòu)

2.3 飛輪皮帶打滑或拉斷

通過現(xiàn)場對比和統(tǒng)計(jì)，總結(jié)發(fā)現(xiàn)：（1）如果對飛輪皮帶進(jìn)行預(yù)緊的電機(jī)底座沒有充分防松，會(huì)造成調(diào)節(jié)與安裝時(shí)電機(jī)軸與飛輪軸的距離發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生的飛輪皮帶打滑。因此，首先應(yīng)采用對頂螺釘防松，防止使用中電機(jī)軸與飛輪軸發(fā)生位移。（2）對于皮帶長時(shí)間使用后松弛變形產(chǎn)生的打滑，設(shè)計(jì)者要在說明書中嚴(yán)格規(guī)定定期檢查皮帶預(yù)緊力，及時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊力或更換皮帶。在成本能接受的范圍內(nèi)，最好安裝皮帶預(yù)緊力檢測裝置。為減少皮帶斷裂風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)將國內(nèi)常見的四根V帶設(shè)計(jì)更換為一根聯(lián)組V帶，既能解決三角帶長短不一致問題，也能提升其耐用性。

2.4 飛輪油封漏油

國內(nèi)中低價(jià)位的機(jī)床，設(shè)計(jì)參數(shù)和加工工藝往往受成本控制影響而較低；用戶在使用時(shí)為降低使用成本而沒有完全按照說明書要求保養(yǎng)，這些因素認(rèn)為造成飛輪油封失效，使得機(jī)床系統(tǒng)整體失穩(wěn)，造成生產(chǎn)中斷。為減少此類人為失穩(wěn)情況，提高平均無故障時(shí)間，應(yīng)在設(shè)計(jì)中做出以下工藝改進(jìn)：設(shè)計(jì)說明書中明確油封的參數(shù)要求，并采用滿足工況要求的飛輪油封配裝零件，杜絕為降低成本采用低參數(shù)的設(shè)計(jì)；增加經(jīng)過高頻淬火處理（表面高頻處理：50～54HRC）的耐磨環(huán)，孔軸油封進(jìn)口處增加20°倒角，降低油封裝配時(shí)出現(xiàn)破損的可能；若在油封和附件都沒有損壞時(shí)仍出現(xiàn)漏油，說明孔軸設(shè)計(jì)達(dá)不到飛輪工況要求，需要提高設(shè)計(jì)中的孔軸旋轉(zhuǎn)表面硬度、粗糙度和形位公差。結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖（一）

2.5 軸承組件間隙增大

針對桿軸承使用較長時(shí)間后磨損的問題，首先要在設(shè)計(jì)中對機(jī)床潤滑油清潔度控制提出具體要求，潤滑油過濾盡量采用高精度過濾器與多重過濾的結(jié)構(gòu)[2]。在設(shè)計(jì)中盡量采用滾動(dòng)軸承與滑動(dòng)軸承組合使用的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，連桿軸承由滾動(dòng)軸承更換為承載更高、更耐磨損的滑動(dòng)軸承，控制機(jī)床使用過程中軸承組件間隙增大的缺陷。結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖（二）

2.6 平衡氣缸拉桿、平衡缸連接桿螺紋斷裂

由于高速?zèng)_床速度快、交變頻率高，平衡缸的力量遠(yuǎn)小于滑塊重量與慣性力之和，易造成平衡缸拉桿斷裂和平衡缸連接桿應(yīng)力集中的螺紋處斷裂。設(shè)計(jì)中可采用平衡氣囊替換平衡氣缸上的設(shè)計(jì)應(yīng)對此問題。平衡氣囊的優(yōu)點(diǎn)為壽命長、無需潤滑、體積小、承受高速載荷、維護(hù)簡單以及無嚴(yán)格定位精度，同時(shí)也可解決氣缸漏氣問題。結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖（三）

3 結(jié)論

由于數(shù)控沖床在國內(nèi)制造業(yè)體系內(nèi)用量大、涉及產(chǎn)品面廣，且上述常見失效形式極易導(dǎo)致機(jī)床整體失穩(wěn)影響生產(chǎn)，故本研究改進(jìn)具有良好的實(shí)用性。對機(jī)床行業(yè)發(fā)展來說，這有利于改善各類機(jī)床產(chǎn)品核心基礎(chǔ)零部件、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、先進(jìn)基礎(chǔ)工藝和產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)嚴(yán)重依賴進(jìn)口的情況。對數(shù)控沖床設(shè)計(jì)來說，這將有效減少設(shè)計(jì)試驗(yàn)成本，提升產(chǎn)品可靠性，增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。對數(shù)控沖床用戶來說，這將有效降低維護(hù)成本，提高平均無故障時(shí)間，提升產(chǎn)品一致性，進(jìn)而提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性與可靠性，產(chǎn)生相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益和品牌效益。