龍門五軸加工中心可靠性試驗

林鵬， 張希芳， 吳迪

（1.中捷機床有限公司,沈陽 110142；2.沈陽機床股份有限公司數控刀架分公司,沈陽 110142）

0 引 言

龍門五軸加工中心是飛機等大型復雜結構件和大型航空零件模具的主要加工設備。加工能力、效率和可靠性是評價龍門五軸加工中心的主要指標。如圖1為中捷機床有限公式設計制造的某GMC2550型龍門五軸加工中心，該加工中心由立柱、橫梁、滑板、滑枕組成。橫梁在立柱上沿X軸方向移動；滑板在橫梁上沿Y軸方向移動；滑枕在滑板上，主軸沿Z軸方向移動。主軸安裝在滑枕上，端部安裝有AC雙擺頭實現兩個旋轉軸的動作。

用時間來評價機床的可靠性屬于典型的可靠性評價方法，理論成熟。平均故障間隔時間，即MTBF（Mean Time Between Failure），是指系統連續發生兩次故障之間的平均工作時間，是當前國內外公認的可靠性評價指標。MTBF值對數控機床的可靠性評價有非常重要的意義[1-7]。

1 可靠性試驗設計

如圖2所示，為某高速龍門五軸加工中心的產品可靠性試驗的試驗方法流程圖。試驗過程主要包括：機床預運行、精度及參數指標檢測、XY軸加載試驗、主軸加載試驗、空轉加速試驗等過程。

圖1 GMC2550型龍門五軸加工中心

圖2 試驗流程設計

2 精度及參數檢測

2.1 機床精度和快移速度檢測

幾何精度的檢驗項[8-10]包括主軸端部徑向跳動、主軸軸線的平行度、Z軸與X軸的垂直度、Z軸與Y軸的垂直度。檢測階段包括首次檢測、X軸加載完畢檢測、Y軸加載完畢檢測、Z軸加載完畢檢測、主軸加載完畢檢測。檢驗方法參照《GB/T 17421.1-1998機床檢驗通則 第1部分：在無負荷或精加工條件下機床的幾何精度》（eqv ISO 230-1:1996）。

位置精度包括XY軸定位精度和重復定位精度，同時檢測雙向、單項定位精度和重復定位精度，評定按雙向評定。檢驗方法參照《GB/T 17421.2-2000機床檢驗通則第2部分：數控軸線的定位精度和重復定位精度的確定》（eqv ISO 230-2:1997）。

采用激光干涉儀測量各軸的快速移動速度，并按設計要求進行評定。

2.2 典型試件加工試驗

按切削規范要求對樣機進行工作精度切削試驗，以驗證精度可靠性。工件示意圖如圖3所示，數據視情況而定。考慮到實際工作關系，試驗中可僅加工一個試件。

圖3 典型加工試件

典型加工試件的檢驗包括：中心孔的圓柱度，中心軸線與基面A的垂直度；正四方形的側面直線度，相鄰面與基面B的垂直度，相對面與基面B的垂直度；菱形側面的直線度，側面對基面B的傾斜度；圓的圓度，外圓與內孔圓C的同軸度；斜面的直線度，3°角斜面對B面的傾斜度；鏜孔相對于內孔C的位置度，內孔與外孔D的同心度。

3 加載和空載試驗

3.1 XY軸加載試驗

在主軸運轉條件下，分別對XY軸反復施加軸向力，考核動作可靠性；在機床空運行下，考核機床換刀、工作臺快移和交換動作的可靠性；檢查記錄故障數、分析故障原因；記錄加載時間、機床運行時間和相關幾何精度。加載力可選0.75倍的最大軸向抗力，加載時的進給速度大于300 mm/min，各軸空運行和加載工作累計時間約分別為48 h。

3.2 主軸加載試驗

在主軸恒轉矩階段對主軸進行轉矩加載；在加載階段記錄故障、加載時間和試驗時間；試驗結束后檢查幾何精度和XY位置精度。加載試驗主軸轉速不低于200 r/min，每次加載時長3 min，試驗時間大于48 h，保證加載時間16 h。

3.3 空轉加速試驗

針對機床的可靠性薄弱環節，增加對刀庫的換刀運動、移動部件和主軸的高速運行時間和次數，并增加冷卻液體的噴射量，達到加速試驗的目的。機床連續運轉時間不低于24 h，動作包括主軸高低速旋轉、換刀、各軸快移定位、插補、鉆孔攻絲銑平面模擬等。

3.4 試驗結果總匯

可靠性試驗結果匯總如表1所示。

圖4 X軸加載試驗

表1 可靠性試驗結果匯總

式中：m為MTBF的點估計值；n為檢測樣機數；ti為評定周期內第i臺樣機的累積工作時間，h；ri為評定周期內第i臺樣機的累積故障數；N為樣機累積故障總數。

如果到定時截尾試驗時間，機床沒有出現故障，則MTBF為

式中，α′為置信水平。

4 結論

提出龍門五軸加工中心可靠性試驗的總體試驗流程及方法。歸納了龍門五軸加工中心可靠性試驗幾何精度、位置精度、運動參數、典型試件加工的評定方法。設計了XY軸的加載試驗、主軸的加載試驗、空轉加速試驗。

對某GMC2550型龍門五軸加工中心進行可靠性試驗，利用試驗數據計算其可靠性指標的平均故障間隔時間MTBF。經計算其平均故障間隔時間MTBF為921.3 h，滿足設計要求900 h的可靠性指標。

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[9] 機床檢驗通則第1部分:在無負荷或精加工條件下機床的幾何精度：GB/T17421.1-1998[S].

[10]機床檢驗通則第2部分:數控軸線的定位精度和重復定位精度的確定：GB/T17421.2-2000[S].

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