數控立車故障分析及可靠性增長技術研究

摘要：我國是世界上最大的數控機床消費國和進口國。2013年市場保有量上國產機床僅占3成左右，國產機床在可靠性上遠低于進口機床，企業為保證產品質量一致性選擇了價格昂貴的進口機床，造成了國產機床市場份額低的現象。通過對機床可靠性進行分析，可有效提升產品的質量，進而達到提升產品競爭力，因此提高機床的可靠性成為近幾年機床技術研究的一個熱點。

關鍵詞：數控立車；故障分析；可靠性增長技術；數控機床；國產機床 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG659 文章編號：1009-2374（2015）04-0036-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0301

1 數控裝備故障分析技術

故障分析（FMEA）技術主要以對故障的模式（Fault Mode）及其影響（Fault Effect）分析和故障樹（FTA）分析為主要內容和方法。

FMEA是對設備的某一故障進行全面的分析，提出改進辦法進而提高設備可靠度，屬于一種預防性的分析技術。通過不斷完善和發展FMEA逐漸演變成FMECA（Fault Mode，Effect and Criticality Analysis），即故障模式、影響及危害度分析。首先獲取設備故障的大量數據，通過對數據的分析找到故障的薄弱環節和產生故障的原因并進行反饋，以便采取有針對性的措施消除或減輕這些影響，從而提高設備的可靠性。

故障樹分析法（FTA）以故障樹形式展示可能導致設備規定故障的各分項目故障模式、外部事件或它們的組合，以便進行分析。

2 數控立車故障分析

應用FMEA技術針對整機各故障部位、故障模式和故障原因進行分析，進而從整體上掌握重型數控車床的故障發生情況，是對數控車床進行故障分析的基礎。

數控車床故障主要分為損壞型、松動型、堵塞或滲漏型、失調型、功能型等類型。損壞型包括零部件元器件等損壞或有害磨損；松動型包括緊固件或應連接牢固的部件發生松動或脫落引發的故障；堵塞或滲漏型通常指液、氣、油的堵塞或滲漏；失調型包括部件間隙超過標準值、壓力或行程不當以及電機過載等運動軌跡或速度不正確導致的故障；功能型指按標準操作程序后仍實現功能的故障。

數控車床故障部位主要有主傳動系統、工作臺、刀架、軸進給系統統、橫梁、龍門架、CNC系統、伺服電機的控制系統、冷卻和排屑系統、液壓和氣動系統、機床電源模塊、裝卡工具、電氣控制系統以及防護裝置等部位。

2.1 故障統計分析

通過對某型號數控立車故障采集數據進行采集和分析得到以下結果：故障模式主要分布在元器件損壞（頻率0.2124）、零部件損壞（頻率0.1865）；故障部位主要分布在液壓系統（頻率0.2613）、電氣控制系統（頻率0.1382）、刀架系統（頻率0.1162）、伺服電機控制系統（頻率0.0847）和主傳動系統（頻率0.0933）；故障原因主要分布在外購外協（頻率0.3886）、裝配（頻率0.3109）、制造（頻率0.1865）。

通過上述數據可以得出：損壞型與失調型故障是機床失效的主要模式；主要發生在液壓系統、電氣系統以及刀架部位；在對故障原因的分析中可以得出外購外協部件是引發故障的首要原因。

2.2 數控立車危害性分析

危害性分析是建立在FMEA的基礎上通過對零部件某一故障模式的概率、頻率以及發生故障的嚴重程度進行分析，得出零部件發生故障對整機的危害程度。通常用危害度CRk來表示：

式中：n為零部件故障模式的種類數；表示零部件k以故障模式j發生故障的概率；通常將的值設置為1、0.5、0.1、0，分別用來表示零部件k發生故障的可能性，即必然發生損傷、經常發生損傷、幾乎不會發生損傷、不會發生損傷；為零部件k的基本故障率。

平均故障率為：

式中：為在標準時間內零部件k發生故障總次數；為零部件k在標準時間實際工作時間。

通過上式計算得到數控車床各個故障部位的危害度。當的危害度是0.000313時，數控刀架的危害度為0.000531；當的危害度是0.000935時，主傳動系統的危害度為0.000503；當的危害度是0.000648時，液壓系統的危害度為0.000394；當的危害度是0.000185時，伺服控制單元的危害度為0.000168；當的危害度是0.000165時，數控刀架的危害度為0.000124。

危害度最高的部位是數控刀架，是影響其可靠性的最關鍵部件。危害度比較高的系統依次是主傳動系統、液壓系統、伺服控制單元、橫梁。因此在進行可靠性改進設計時應該以此為重點來進行改進設計。

3 數控立車可靠性增長技術

通過文中第二部分分析可以得出外購外協、裝配和制造是引發故障的主要原因。主要分析外購外協可靠性增長技術、裝配可靠性增長技術和制造可靠性增長

技術。

外購外協可靠性增長技術：數控裝備每個零部件的可靠性都直接關系著整機的可靠性。因此應在符合設計參數和性能要求的基礎上對外購部件進行可靠度R（t）分析，以提升外購部件的使用壽命。

數控機床機構復雜零部件眾多，外購外協件涵蓋機械電氣等多個領域，要對外購外協件的技術參數進行逐一檢查需要大量的設備、人力和時間，因此一套完善的外購外協部件質量監督和保證體系十分重要。只有確立了完善的體系，才能真正地降低因外購外協件質量問題引發的故障率。

裝配增長可靠性技術：該技術以保證設備對裝配的要求為目標，包括其精度、運行噪音和振動等方面。通過分析影響裝配質量的因素有：（1）裝配體中零部件的加工精度；（2）裝配工藝規程。因此為達到裝配要求，需要對零部件進行嚴格檢測，防止不合格品的裝機，在某情況下甚至需要對零部件進行分選以保證機床的最佳性能；選取適當的裝配工藝，嚴禁非標準的裝配操作，以避免在裝配時因裝配方式不正確對零部件造成的損傷。

制造可靠性增長技術：數控立車制造過程中出現的故障原因分為兩大類：研傷和表面精度與加工精度，主要發生在軸承表面、導軌和軸頸等部分。因此應對研傷和零部件精度進行嚴格的管控，同時應改進工藝方法以降低由于制造導致故障的頻率。

針對制造過程中研傷導致整機故障的改進措施

如下：

（1）軸承表面研傷。檢查軸承的步驟為：首先按照工藝規程將軸承拆下檢查軸承外觀，確認剩余潤滑劑的量并對潤滑劑采樣，做好相關記錄；然后清洗軸承在粗洗軸承時可用刷子清除軸承上面的附著物但不可以轉動軸承，粗洗后可進行精細軸承，完成清洗后對軸承進行檢測。最后根據檢測結果決定是否更換軸承。

（2）導軌研傷。針對導軌的研傷一般采用如下方法進行修復：首先可以對導軌進行精加工以將研傷部分修平，再根據導軌加工后尺寸的變化量，可以選擇更換滑板、在滑板導軌上粘接補償材料、在導軌上鑲上熱處理后的鋼導軌或淬硬鋼帶以完成修復。

（3）軸頸研傷發現軸頸有研傷后，通常采用如下兩種修復方法。可將軸頸略微磨小，更換滑動軸承的方法；焊補研傷，更換滑動軸承的方法。若采用焊補時，應考慮主軸受高溫對其幾何精度、機械強度及表面硬度的影響。為使修補后的設備在長時間內保持其原始性能，需要對軸及軸承進行定期的檢查，以防止因軸頸研傷導致故障的發生。

4 結語

通過對某型數控機床的故障分析，得到了該型機床的薄弱環節并提出了整改的建議。若能依據該分析提出改進措施，便可有效地確保其可靠性。本文采用的FMEA分析技術可以對機床的故障進行預防分析，進而降低研發風險。

參考文獻

[1] 涂春泰.現代制造系統的可靠性分析方法及應用研究[D].上海大學，2002.

[2] 康銳，石榮德.FMECA技術及其應用[M].北京：國防工業出版社，2006.

作者簡介：張洋（1979-），男（滿族），遼寧鳳城人，中捷機床有限公司工程師，碩士，研究方向：數控立式車銑中心的研發與設計。

（責任編輯：秦遜玉）