數(shù)控臥式加工中心可靠性試驗研究

王 林， 董應(yīng)明， 韓玉穩(wěn)， 趙彥鵬

（1.中國機械總院集團云南分院有限公司， 云南 昆明 650031； 2.云南省機電一體化應(yīng)用技術(shù)重點實驗室， 云南 昆明 650031）

0 引言

數(shù)控機床是制造機器的機器，是裝備制造業(yè)的“工作母機”，是國家發(fā)展航空航天、國防軍工、機械制造等先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)最高效的基礎(chǔ)裝備，也是《中國制造2025》規(guī)劃的中國制造業(yè)的戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域之一，其制造水平、動態(tài)性能、 生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品穩(wěn)定性反映了一個國家的技術(shù)和綜合國力[1]，但就目前我國數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展形勢來看，國產(chǎn)數(shù)控機床最大的問題之一就是可靠性較差、 精度保持性較弱、故障率較高，嚴(yán)重影響國產(chǎn)數(shù)控機床在國內(nèi)外市場的競爭力和品牌形象， 已成為國產(chǎn)數(shù)控機床質(zhì)量的軟肋[2]。

可靠性試驗是對產(chǎn)品進(jìn)行可靠性調(diào)查、 分析和評價的一種手段。 試驗結(jié)果為故障分析、 研究采取的糾正措施、判斷產(chǎn)品是否達(dá)到指標(biāo)要求提供依據(jù)。 具體目的有：發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、元器件、零部件、原材料和工藝等方面的各種缺陷；為改善產(chǎn)品的完好性、提高任務(wù)成功性、減少維修人力費用和保障費用提供信息； 確認(rèn)是否符合可靠性定量要求[3]。

1 數(shù)控臥式加工中心可靠性試驗

1.1 試驗內(nèi)容及目的

對數(shù)控臥式加工中心進(jìn)行幾何精度、數(shù)控精度、工作精度、切削力加載、扭矩加載、功率加載等檢測試驗。 通過檢測試驗及故障統(tǒng)計，驗證機床的可靠性和穩(wěn)定性，計算機床的平均無故障時間。

1.2 試驗技術(shù)路線

試驗技術(shù)路線見圖1。

圖1 試驗技術(shù)路線

1.3 MTBF 數(shù)學(xué)模型

平均無故障間隔時間MTBF 估計的計算：按式（1）的規(guī)定

式中：k—可靠性系數(shù)；Tj—評定周期內(nèi)第j 臺機床的累積工作時間（h）；Rgj—評定周期內(nèi)第j 臺機床的有效累積功能故障數(shù)（個）；Rsj—評定周期內(nèi)第j 臺機床的有效累積失效（個）；n—樣機數(shù)量（臺）。

可靠性系數(shù)k 的計算：按式（2）的規(guī)定

式中：kz1—數(shù)控軸線系數(shù)；kz2—裝配系數(shù)；kz3—裝配環(huán)境系數(shù)。

可靠性制造系數(shù)kz的選取按表1 的規(guī)定：

表1 可靠性制造系數(shù)kz

可靠性試驗系數(shù)ks的計算：按式（4）的規(guī)定

式中：ks1—力載荷系數(shù)；ks2—扭矩載荷系數(shù)；ks3—加載時間系數(shù)；ks4—主軸轉(zhuǎn)速系數(shù)；ks5—主軸起停系數(shù)；ks6—換刀頻次系數(shù)。

可靠性試驗系數(shù)ks的選取按表2 的規(guī)定：

1）小麥基本苗偏多，會造成小麥群體結(jié)構(gòu)不合理。襄陽市襄州區(qū)2016年秋播后降雨充足，土壤墑情好，田間出苗率高，加上該地區(qū)播種量偏大，造成小麥基本苗偏多20%左右。本次調(diào)查的20對樣本中倒伏小麥總莖蘗數(shù)、無效穗數(shù)和有效穗數(shù)每公頃分別比未倒伏小麥高 100.05 萬、37.20 萬和 62.40萬?；久缙?、中后期群體偏大造成小麥個體不壯、莖稈軟弱，抗倒性差，是此次小麥倒伏的主要原因［6］。

表2 可靠性試驗系數(shù)ks

可靠性強化系數(shù)kq設(shè)定為5.3。

失效數(shù)rs的計算：按式（5）的規(guī)定：

式中：rs1—幾何精度失效；rs2—位置精度失效；rs3—主軸溫度變化失效；rs4—電柜溫度變化失效；rs5—液壓溫度變化失效。

失效數(shù)rs的選取按表3 的規(guī)定：

表3 失效數(shù)rs

2 試驗過程

2.1 加載試驗前精度和快進(jìn)速度檢驗

檢驗內(nèi)容：與機床主軸相關(guān)的幾何精度；直線軸的數(shù)控位置精度；直線軸的快進(jìn)速度。檢驗結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 X 軸加載試驗

試驗內(nèi)容：在主軸運轉(zhuǎn)條件下，在X 軸方向上，對主軸反復(fù)施加徑向載荷，考核機床各動作可靠性；在機床空運行下，考核機床規(guī)定的工作臺快速移動、進(jìn)給速度的可靠性；檢查機床各類故障，記錄故障數(shù)和分析故障產(chǎn)生的原因；記錄加載時間、機床運行時間，檢測相關(guān)幾何精度。

表4 X 軸加載試驗結(jié)果匯總及評定

表5 X 軸加載故障情況描述及原因

2.3 Y 軸加載試驗

試驗內(nèi)容：在主軸運轉(zhuǎn)條件下，在Y 軸方向上，對主軸反復(fù)施加徑向載荷，考核機床各動作可靠性；在機床空運行下，考核機床規(guī)定的工作臺快速移動、進(jìn)給速度的可靠性；檢查機床各類故障，記錄故障數(shù)和分析故障產(chǎn)生的原因；記錄加載時間、機床運行時間，檢測相關(guān)幾何精度。

試驗結(jié)果：試驗結(jié)果見表6，故障情況表見表7，試驗后和主軸相關(guān)的幾何精度檢驗結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 Y 軸加載試驗結(jié)果匯總及評定

表7 Y 軸加載故障情況描述及原因

2.4 Z 軸加載試驗

試驗內(nèi)容：在主軸運轉(zhuǎn)條件下，在Z 軸方向上，對主軸反復(fù)施加軸向載荷，考核機床各動作可靠性；在機床空運行下，考核機床規(guī)定的工作臺快速移動、進(jìn)給速度的可靠性；檢查機床各類故障，記錄故障數(shù)和分析故障產(chǎn)生的原因；記錄加載時間、機床運行時間，檢測相關(guān)幾何精度。

試驗結(jié)果：試驗結(jié)果見表8，故障情況見表9，試驗后和主軸相關(guān)的幾何精度檢驗結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表8 Z 軸加載試驗結(jié)果匯總及評定

表9 Z 軸加載故障情況描述及原因

2.5 主軸加載試驗

試驗內(nèi)容：在主軸恒扭矩階段，對主軸進(jìn)行扭矩加載；在加載的各階段記錄機床故障、 加載時間和試驗時間；試驗結(jié)束時完成相關(guān)幾何精度和X、Y、Z 軸位置精度檢驗。

試驗結(jié)果：試驗結(jié)果見表10，故障情況表見表11，主軸加載后即時補償狀態(tài)下的數(shù)控精度見表12，試驗后和主軸相關(guān)的幾何精度檢驗結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表10 主軸加載試驗結(jié)果匯總及評定

表11 主軸加載故障情況描述及原因

表12 主軸加載后即時補償狀態(tài)下的數(shù)控精度表

2.6 試件加工精度試驗

試驗內(nèi)容： 按設(shè)計規(guī)定的切削參數(shù)， 在機床上加工GB/T 18400.7—2010 規(guī)定的2 個工件，檢驗工件的精度。

試驗結(jié)果：加工后的工件精度見表13。

表13 工件加工精度

2.7 空運轉(zhuǎn)加速試驗

試驗內(nèi)容：用包括機床主要加工功能的數(shù)控程序，模擬工作狀態(tài)做不切削的連續(xù)空運轉(zhuǎn)。

試驗結(jié)果：試驗結(jié)果見表14，故障情況表見表15。

表14 空運轉(zhuǎn)加速試驗結(jié)果

表15 空運轉(zhuǎn)加速試驗故障情況描述及原因

3 可靠性試驗結(jié)果匯總

通過以上試驗所采集的數(shù)據(jù)，代入式（1）計算，得出數(shù)控臥式加工中心的可靠性平均無故障間隔時間MTBF預(yù)計1709.6h。 數(shù)控臥式加工中心可靠性試驗結(jié)果見表16。

表16 數(shù)控臥式加工中心可靠性試驗結(jié)果匯總表

4 結(jié)論

本文采用加載方式的可靠性試驗，以驗證某型數(shù)控臥式加工中心的可靠性-平均無故障間隔時間MTBF 指標(biāo)。 根據(jù)GB/T 23567.1—2009《數(shù)控機床可靠性評定 第1 部分：總則》、GB/T 23567.2—2018《數(shù)控機床可靠性評定 第2 部分：加工中心》等可靠性國家評價體系，對此臺數(shù)控臥式加工中心采用了MTBF 評價方法，機床平均無故障時間超過了1700h。

在數(shù)控機床技術(shù)的發(fā)展中， 可靠性試驗技術(shù)不容忽視，這是提高 數(shù)控機床質(zhì)量水平、精度保持性及動態(tài)性能的重要途徑[4]。 在可靠性分析時采用科學(xué)的方法，實現(xiàn)對故障數(shù)據(jù)的收集和處理，找到機床故 障的原因，對于一些影響因素進(jìn)行分析和研究，對于機的可靠性進(jìn)行科學(xué)的對比和分析，進(jìn)而提高數(shù)控機床的質(zhì)量水平，促進(jìn)機床制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5]。