基于結構穩定理論的國產數控沖床主要部件失效分析與改進

李尚達 王目元 孫珊珊 蘭 翼

（1.山東省經濟和信息化研究院，濟南 250000；2.山東海霖物業管理有限公司，濟南 250000；3.濟南鑄鍛所檢驗檢測科技有限公司，濟南 250000；4.山東省農業機械科學研究院，濟南 250000）

機床是工業母機，機床產品的質量和可靠性直接影響國家制造業水平。結構穩定理論主要研究各種結構的穩定性，是工程結構安全性的重要內容之一。機床出現故障，往往表現為整體結構失穩、部分失穩、個別構件失穩和構件局部失穩，任何一種失穩現象都可能使系統不能有效工作。數控沖床是機床行業的重要品類之一，我國目前主要沖床產品已經能夠基本滿足國內需求，產品參數與國外產品基本持平，但在穩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的一些工藝細節問題，造成眾多穩定性缺陷，有待改進。

1 設計意義

在實現沖床功能需求的基礎上，人們要進一步提高國產沖床穩定性和可靠性，不僅在性能參數上與國外產品看齊，更要在產品精密度、工藝優化上追求完善，從工藝和技術上預先避免各種工況下可能發生的失效情況，最終達到和超越國外同類產品[1]。

2 失效分析及解決方案

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

數控沖床使用中，機身拉緊螺母會因裝配、結構合理性、工況等問題出現失效，進而導致整個機床系統失穩。拉緊螺母失效主要表現為松動和斷裂。

2.1 拉緊螺母松動

國產機床機身螺母多采用兩端鎖緊螺母和機械預緊方式。一定條件下，特別是長期使用、振動明顯時，易發生松動失效。為解決這一問題，改進成一端為鎖緊螺母，另一端為油缸螺紋活塞組合體，裝配時通過高壓油使機身拉緊螺栓拉長，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床公稱力鎖緊。人們可以利用機床系統的油壓實時監測、報警功能，實現更好的預緊效果，提高可靠性。液壓螺紋復合緊固端結構如圖1所示。

國內企業一般選取1.5～2.5倍的預緊倍數。針對不同沖床，應查詢或試驗測定默認預緊倍數，并與改裝后的實測數據相比較。通過實測發現，應用以上工藝改進，緊固螺栓的靜態和動態預緊倍數一直保持穩定。

2.2 拉緊螺母斷裂

常見情況為螺紋處疲勞斷裂，斷裂的發生主要由于機身拉緊螺桿在沖床運行時受到脈動載荷。只考慮靜載荷會使設計強度不足以長期承受脈動載荷，考慮交變載荷時忽略載荷強度隨機性仍然會出現強度不足，所以須對拉緊螺桿按照應力-強度理論進行改進。實際使用中，人們常遇到螺桿非螺紋段直徑與螺紋大徑相同的設備從螺桿中部斷裂的情況，通過ANsYs分析可見螺桿中部應力較大易斷裂。針對這一情況，可將非螺紋段適當加粗，螺紋段與非螺紋段過渡臺階處增加了圓弧角過渡。修改后進行ANsYs分析，可見整體強度能滿足要求。改進后，拉緊螺母結構如圖2所示。

圖1 液壓螺紋復合緊固端結構

圖2 改進后的拉緊螺母結構

2.3 飛輪皮帶打滑或拉斷

通過現場對比和統計，總結發現：（1）如果對飛輪皮帶進行預緊的電機底座沒有充分防松，會造成調節與安裝時電機軸與飛輪軸的距離發生變化，進而產生的飛輪皮帶打滑。因此，首先應采用對頂螺釘防松，防止使用中電機軸與飛輪軸發生位移。（2）對于皮帶長時間使用后松弛變形產生的打滑，設計者要在說明書中嚴格規定定期檢查皮帶預緊力，及時調節預緊力或更換皮帶。在成本能接受的范圍內，最好安裝皮帶預緊力檢測裝置。為減少皮帶斷裂風險，應將國內常見的四根V帶設計更換為一根聯組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

國內中低價位的機床，設計參數和加工工藝往往受成本控制影響而較低；用戶在使用時為降低使用成本而沒有完全按照說明書要求保養，這些因素認為造成飛輪油封失效，使得機床系統整體失穩，造成生產中斷。為減少此類人為失穩情況，提高平均無故障時間，應在設計中做出以下工藝改進：設計說明書中明確油封的參數要求，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的設計；增加經過高頻淬火處理（表面高頻處理：50～54HRC）的耐磨環，孔軸油封進口處增加20°倒角，降低油封裝配時出現破損的可能；若在油封和附件都沒有損壞時仍出現漏油，說明孔軸設計達不到飛輪工況要求，需要提高設計中的孔軸旋轉表面硬度、粗糙度和形位公差。結構改進示意圖如圖3所示。

圖3 結構改進示意圖（一）

2.5 軸承組件間隙增大

針對桿軸承使用較長時間后磨損的問題，首先要在設計中對機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構[2]。在設計中盡量采用滾動軸承與滑動軸承組合使用的新型結構設計，連桿軸承由滾動軸承更換為承載更高、更耐磨損的滑動軸承，控制機床使用過程中軸承組件間隙增大的缺陷。結構改進示意圖如圖4所示。

圖4 結構改進示意圖（二）

2.6 平衡氣缸拉桿、平衡缸連接桿螺紋斷裂

由于高速沖床速度快、交變頻率高，平衡缸的力量遠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力集中的螺紋處斷裂。設計中可采用平衡氣囊替換平衡氣缸上的設計應對此問題。平衡氣囊的優點為壽命長、無需潤滑、體積小、承受高速載荷、維護簡單以及無嚴格定位精度，同時也可解決氣缸漏氣問題。結構改進示意圖如圖5所示。

圖5 結構改進示意圖（三）

3 結論

由于數控沖床在國內制造業體系內用量大、涉及產品面廣，且上述常見失效形式極易導致機床整體失穩影響生產，故本研究改進具有良好的實用性。對機床行業發展來說，這有利于改善各類機床產品核心基礎零部件、關鍵基礎材料、先進基礎工藝和產業技術基礎嚴重依賴進口的情況。對數控沖床設計來說，這將有效減少設計試驗成本，提升產品可靠性，增強產品競爭力，進而產生相應的經濟效益。對數控沖床用戶來說，這將有效降低維護成本，提高平均無故障時間，提升產品一致性，進而提高產品的穩定性與可靠性，產生相應的經濟效益和品牌效益。