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摘要: 進(jìn)給軸作為加工中心的關(guān)鍵組成部件，其可靠性水平的高低直接影響到加工中心的加工精度和整機(jī)可靠性。提出進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)的快速試驗(yàn)方法，完成了進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方案設(shè)計。通過進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)裝置的搭建，開展了進(jìn)給軸可靠性的相關(guān)加載試驗(yàn)，并將該試驗(yàn)結(jié)果與加工中心其他可靠性試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析軟件，評定出機(jī)床的可靠性量化指標(biāo)，暴露加工中心進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計、制造與裝配等方面的缺陷，以便采取對策和措施指導(dǎo)進(jìn)給軸單元的可靠性設(shè)計，從而保證進(jìn)給軸設(shè)計和使用過程中的可靠性增長。
關(guān)鍵詞: 加工中心; 進(jìn)給軸; 加載裝置; 可靠性試驗(yàn)
近年來我國機(jī)床行業(yè)發(fā)展迅速，國內(nèi)機(jī)床整體水平不斷提升，取得了許多重要的成就。然而與歐美和日本等高水平機(jī)床廠家相比，我們的產(chǎn)品還存在較大差距，主要體現(xiàn)在加工精度、運(yùn)行可靠性、多功能復(fù)合等方面。其中，可靠性是衡量一個產(chǎn)品性能的關(guān)鍵指標(biāo)，國內(nèi)機(jī)床在這方面的表現(xiàn)卻很難令人滿意，可靠性水平較低，在很大程度上影響并限制了加工質(zhì)量，從而使用戶在購買加工中心時猶豫不決。欲解決國產(chǎn)加工中心的購買量和滿意度問題，通過不斷的可靠性試驗(yàn)研究提高其可靠性是關(guān)鍵所在。
加工中心作為機(jī)床的典型代表，其可靠性水平的高低直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量，因此，如何提高加工中心的可靠性是一個亟待解決的問題。只有不斷地進(jìn)行加工中心可靠性試驗(yàn)方法和規(guī)范的研究，提升加工中心的可靠性，才 能不斷提高產(chǎn)品加工的效 率 和質(zhì)量。
進(jìn)給軸單元作為加工中心的重要部件之一，它承擔(dān)了加工中心各直線、回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的定位和切削進(jìn)給，其可靠性的高低直接影響加工中心的壽命及其加工工件的精度。因此，進(jìn)給軸的可靠性在較大程度上影響加工中心的質(zhì)量、維修性和經(jīng)濟(jì)性，提高進(jìn)給系統(tǒng)的可靠性對加工中心整機(jī)使用具有重要的意義。通過對加工中心進(jìn)給軸進(jìn)行可靠性試驗(yàn)研究可以獲得評定其性能的重要指標(biāo)，這些指標(biāo)無論對設(shè)計制造進(jìn)給系統(tǒng)還是對用戶選購加工中心都具有重要的指導(dǎo)意義。
1、 加工中心進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)方案設(shè)計
1. 1 加工中心進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)的方法
可靠性試驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)可靠性設(shè)計、評價與分析的一種可靠性研究手段。而對于加工中心這樣復(fù)雜的產(chǎn)品，一般在產(chǎn)品的設(shè)計和研制初期存在的潛在失效和故障的殘余量較大，這也給產(chǎn)品的可靠性提升提供了可觀的空間。另外產(chǎn)品的研制周期已成為市場競爭的焦點(diǎn)，并且研制產(chǎn)品的數(shù)量也較少，為了在較短時間內(nèi)獲取可靠性，不能按傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)方法、使用較長時間來獲取，而是采用可靠性加速試驗(yàn)方式來實(shí)現(xiàn)，通過系統(tǒng)地施加應(yīng)力，激發(fā)和暴露加工中心產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)。由于可靠性加速試驗(yàn)?zāi)康氖且鹗?，在試?yàn)樣本數(shù)量極少的情況下就能進(jìn)行，因此非常適用于像加工中心這樣小批量多品種的產(chǎn)品，它可以在較短時間內(nèi)獲取加工中心的故障情況和可靠性特征值。
可靠性加速試驗(yàn)的目的是在較短的試驗(yàn)時間內(nèi)激發(fā)出故障，該技術(shù)最早源自 20 世紀(jì) 50 年代的老化試驗(yàn)，其理論依據(jù)是故障物理學(xué)，通過對故障或失效的研究，發(fā)現(xiàn)和根治故障以達(dá)到提高可靠性的目的。在國外，可靠性加速試驗(yàn)在電子產(chǎn)品和機(jī)電產(chǎn)品的應(yīng)用和推廣使得產(chǎn)品的可靠性得到很大的提高，對電子設(shè)備采用了高加速壽命試驗(yàn)并獲得滿意的結(jié)果。國內(nèi)的可靠性加速試驗(yàn)因?yàn)槭艿皆囼?yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備的限制，目前還處于探索階段。但該技術(shù)在數(shù)控機(jī)床可靠性試驗(yàn)方面的應(yīng)用研究很少。文中將可靠性加速試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床加工中心，目的是在比較短的時間內(nèi)找出并消除故障，提高整機(jī)的可靠性。
進(jìn)給軸是機(jī)床的關(guān)鍵組成部件之一，其性能優(yōu)劣直接影響著整個機(jī)床的使用。從加工中心的故障統(tǒng)計和分析中可以看出，加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的故障率較高，僅次于刀庫系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)，是加工中心的關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)之一。因此開展進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)可以采用模擬機(jī)床的實(shí)際工作狀態(tài)。機(jī)床在進(jìn)行實(shí)際加工時，切削力主要為: 主切削力、徑向力、軸向力。如果能模擬實(shí)際的主切削力 ( 切削合力) ，如圖 1 (a) 所示，對 X 軸、Y 軸、Z 軸同步運(yùn)動進(jìn)行加載，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動加載，可以較真實(shí)地反映出機(jī)床實(shí)際承載狀態(tài)。但由于機(jī)床空間、試驗(yàn)裝置 (體積、功能) 、驗(yàn)位置(加載點(diǎn)) 、程序控制等因素的影響，模擬主切削力(切削合力) 不易實(shí)現(xiàn) 。如果分別對 X 軸、Y 軸、Z軸進(jìn)行單向加載，如圖 1 ( b) 所示，雖然同實(shí)際狀態(tài)有差距，但通過加大施加載荷力度和變換加載方式，在一定程度上也能反映出機(jī)床的承載狀態(tài)，而且也可達(dá)到可靠性試驗(yàn)的目的，同時該方法操作方便、容易實(shí)現(xiàn)。所以對進(jìn)給軸進(jìn)行可靠性試驗(yàn)采用單向加載方案.
為了減少可靠性試驗(yàn)的周期，系統(tǒng)采用加速試驗(yàn)的方法，即對加工中心進(jìn)給軸加載比實(shí)際載荷大的機(jī)械應(yīng)力，以期激發(fā)機(jī)床的潛在故障，從而暴露設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，通過分析手段，找出故障原因，提出糾正措施，從而實(shí)現(xiàn)加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的可靠性增長。
圖 1 進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)加載方式示意圖
1. 2 加工中心進(jìn)給軸加載試驗(yàn)總體方案
通過以上分析，加工中心進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)采用加速試驗(yàn)的方法，在模擬工況載荷條件下，用可靠性試驗(yàn)裝置分別對機(jī)床的 3 個進(jìn)給軸 X、Y、Z 軸進(jìn)行單項(xiàng)加載，以求最大程度地激發(fā)進(jìn)給軸的潛在障。圖 2 為該試驗(yàn)裝置的組成框圖，主要包括: 加載氣缸、壓力傳感器、加載計數(shù)器、氣動控制系統(tǒng)等。該裝置的工作原理是: 氣缸在氣動系統(tǒng)的控制下，將模擬載荷施加到主軸上的模擬刀具; 通過力、加載計數(shù)器等傳感器，將試驗(yàn)機(jī)床參數(shù)和加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫姎饪刂蒲b置，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)皆囼?yàn) PC 機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和處理，得到相關(guān)的可靠性數(shù)據(jù); 并將這些數(shù)據(jù)通過分析軟件建模、擬合、歸納、運(yùn)算，從而預(yù)測出機(jī)床的可靠性指標(biāo)，找出發(fā)生故障的主要原因和模式，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的 整體可靠性增長。
圖 2 進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)裝置設(shè)計方案
2、 加工中心進(jìn)給軸加載試驗(yàn)裝置的實(shí)現(xiàn)
2. 1 試驗(yàn)裝置氣動系統(tǒng)控制原理
氣缸作為進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)裝置的主要設(shè)備，在氣動系統(tǒng)的控制下，利用活塞的伸縮來實(shí)現(xiàn)對 3 個進(jìn)給軸施加載荷，以期實(shí)現(xiàn)加載可靠性試驗(yàn)的目的。該氣動系統(tǒng)以壓縮空氣為能源，主要包括三聯(lián)件 ( 空氣過濾器、減壓閥、油霧分離器) 、電磁閥、電氣比例閥、單向節(jié)流閥、消音器等，其工作原理是: 加載時，壓縮空氣經(jīng)由三聯(lián)件過濾后，得到相對純凈干燥的壓縮空氣，經(jīng)由電磁換向閥的左腔流出，經(jīng)電氣比例閥的調(diào)節(jié)，再經(jīng)單向節(jié)流閥進(jìn)入氣缸的無桿腔，推動活塞向右運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的加載。當(dāng)加載時間到，電磁閥得電，機(jī)床主軸推動活塞桿縮回，完成一個循環(huán)的加載試驗(yàn)。具體氣動控制原理如圖 3 所示。
圖 3 進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)裝置氣動系統(tǒng)控制原理
2. 2 進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)裝置設(shè)計
圖 4 加工中心進(jìn)給軸可靠性加載試驗(yàn)裝置
進(jìn)給可靠性試驗(yàn)裝置除了氣動控制系統(tǒng)外，還包括電氣控制裝置、試驗(yàn) PC 機(jī)及溫度傳感器、壓力傳感器等。其中，溫度傳感器主要檢測試驗(yàn)過程中機(jī)床電氣柜的溫度情況; 壓力傳感器用來檢測試驗(yàn)過程中施加給主軸的實(shí)際載荷; 電氣控制裝置主要接收來自傳感器的采集數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 PC 機(jī)能夠識別的數(shù)據(jù)形式，同時也將機(jī)床試驗(yàn)時的扭矩、功率等參數(shù)傳送到試驗(yàn) PC 機(jī)。最終完整的主軸可靠性試驗(yàn)裝置如圖 4 所示。
3 、加工中心進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)
進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)裝置設(shè)計完成后，結(jié)合數(shù)據(jù)采集處理軟件，即可以開展可靠性的相關(guān)試驗(yàn)。根據(jù)加工中心可靠性試驗(yàn)規(guī)范，在進(jìn)行進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)之前，首先應(yīng)該完成以下相關(guān)試驗(yàn)內(nèi)容: 機(jī)床預(yù)運(yùn)行檢查 ( 主要包括機(jī)床各安全防護(hù)裝置是否安裝和啟用，并檢驗(yàn)功能是否正常) ; 機(jī)床精度檢驗(yàn) ( 測量 X、Y、Z 等軸的位置精度和各軸快速移動速度) 。在以上試驗(yàn)完成后，即可開展進(jìn)給軸可靠性加載試驗(yàn)，即在模擬實(shí)際工況條件下加大加載載荷，利用進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)裝置對 X、Y、Z 3 個進(jìn)給軸分別進(jìn)行加載; 并記錄試驗(yàn)結(jié)果。在全部加載試驗(yàn)結(jié)束后，需要立即進(jìn)行各項(xiàng)精度檢驗(yàn)，以驗(yàn)證加載試驗(yàn)后機(jī)床精度的穩(wěn)定性。
3. 1 試驗(yàn)內(nèi)容
(1) 在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，分別對 X 軸、Y 軸、Z軸反復(fù)施加軸向載荷，從而考核機(jī)床各動作可靠性;
(2) 在機(jī)床空運(yùn)行下，考核機(jī)床規(guī)定的換刀、工作臺快速移動和交換動作的可靠性;
(3) 記錄加載各軸時間、機(jī)床運(yùn)行時間;
(4) 檢查機(jī)床各類故障，記錄故障數(shù)并分析故障產(chǎn)生的原因;
(5) 試驗(yàn)結(jié)束時完成相關(guān)幾何精度和 X、Y、Z軸位置精度檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)加載試驗(yàn)后機(jī)床精度的穩(wěn)定性。
3. 2 試驗(yàn)條件及方法
(1) 加工中心處于正常狀態(tài)，潤滑系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)均正常;
(2) X 軸加載力應(yīng)大于 0. 75 倍的 X 軸最大軸向抗力，即大于 5 100 N; Y 軸加載力應(yīng)大于 0. 75 倍的Y 軸最大軸向抗力，即大于 6 000 N; Z 軸加載力應(yīng)大于 0. 75 倍的 Z 軸最大軸向抗力，即大于 3 150 N;
(3) 各軸加載試驗(yàn)時，機(jī)床空運(yùn)行和加載工作累計時間約 48 h，包括故障修復(fù)時間，不包括安裝輔助時間;
(4) X、Y、Z 軸加載時的進(jìn)給速度應(yīng)不小于 300mm / min，加載刀具轉(zhuǎn)速應(yīng)不小于 500 r / min;
(5) 空運(yùn)行過程中，加工中心能夠?qū)崿F(xiàn)最大直徑、最大質(zhì)量、最大長度的刀具換刀動作，以期檢驗(yàn)換刀動作的準(zhǔn)確性;
(6) 活塞、加載氣缸、測量裝置等安裝與使用應(yīng)遵照儀器設(shè)備使用規(guī)定;
(7) 只有全部加載試驗(yàn)結(jié)束后，才能進(jìn)行各項(xiàng)精度檢驗(yàn)，并且先檢驗(yàn)幾何精度，然后檢驗(yàn)坐標(biāo)軸的位置精度;
(8) 進(jìn)給軸加載裝置及測試數(shù)據(jù)報表見圖5 ( 圖中以 X 軸為例，Y、Z 可靠性試驗(yàn)及結(jié)果輸出類似X 軸) 。
圖 5 加工中心進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)現(xiàn)場圖
3. 3 試驗(yàn)結(jié)果及評定
(1) X 軸可靠性試驗(yàn)結(jié)果及評定見表 1，Y 軸、Z 軸可靠性試驗(yàn)結(jié)果類似于 X 軸，在此省略;
(2) 記錄加工中心幾何精度和位置精度檢驗(yàn)結(jié)果，用來評價加工中心的精度穩(wěn)定性。
表 1 X 軸加載試驗(yàn)結(jié)果匯總及評定
備注: 以上試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)要參與最終可靠性指標(biāo)計算，應(yīng)力求準(zhǔn)確!
將以上 X、Y、Z 3 個進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)結(jié)果與其他可靠性試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，通過分析軟件建模、擬合、歸納、運(yùn) 算，從 而 預(yù) 測 出 機(jī) 床 的 可 靠 性 指標(biāo)，評定進(jìn)給軸系統(tǒng)的設(shè)計和制造裝配質(zhì)量，同時找出發(fā)生故障的主要原因，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸整體可靠性的增長。
4 、結(jié)論
系統(tǒng)闡述了加工中心可靠性試驗(yàn)的必要性和試驗(yàn)方法，針對影響加工中心可靠性的關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)之一進(jìn)給軸，提出了進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)裝置方案，完成了試驗(yàn)裝置的搭建，并通過對 3 個進(jìn)給軸進(jìn)行一系列的加載試驗(yàn)，記錄相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，并將該試驗(yàn)結(jié)果與加工中心其他可靠性試驗(yàn)相結(jié)合，通過分析軟件的建模、運(yùn)算，評定出機(jī)床的可靠性量化指標(biāo)，從而評定出進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計和制造裝配質(zhì)量。同時可靠性試驗(yàn)結(jié)果可以幫助選擇高可靠度和高安全性的零件，再通過試驗(yàn)驗(yàn)證和不斷改進(jìn)完善，提出相應(yīng)的可靠性增長措施，以此指導(dǎo)進(jìn)給系統(tǒng)的可靠性設(shè)計，從而保證進(jìn)給軸設(shè)計和使用過程中的可靠性增長，對于提高加工中心的整體可靠性有著重要的意義.
來源：青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司
來源：轉(zhuǎn)載 作者： 張長，段廣云，茍衛(wèi)東
