數控臥式加工中心可靠性試驗研究

王 林， 董應明， 韓玉穩， 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用技術重點實驗室， 云南 昆明 650031）

0 引言

數控機床是制造機器的機器，是裝備制造業的“工作母機”，是國家發展航空航天、國防軍工、機械制造等先進制造產業最高效的基礎裝備，也是《中國制造2025》規劃的中國制造業的戰略必爭領域之一，其制造水平、動態性能、 生產效率以及產品穩定性反映了一個國家的技術和綜合國力[1]，但就目前我國數控機床技術發展形勢來看，國產數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，嚴重影響國產數控機床在國內外市場的競爭力和品牌形象， 已成為國產數控機床質量的軟肋[2]。

可靠性試驗是對產品進行可靠性調查、 分析和評價的一種手段。 試驗結果為故障分析、 研究采取的糾正措施、判斷產品是否達到指標要求提供依據。 具體目的有：發現產品的設計、元器件、零部件、原材料和工藝等方面的各種缺陷；為改善產品的完好性、提高任務成功性、減少維修人力費用和保障費用提供信息； 確認是否符合可靠性定量要求[3]。

1 數控臥式加工中心可靠性試驗

1.1 試驗內容及目的

對數控臥式加工中心進行幾何精度、數控精度、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計，驗證機床的可靠性和穩定性，計算機床的平均無故障時間。

1.2 試驗技術路線

試驗技術路線見圖1。

圖1 試驗技術路線

1.3 MTBF 數學模型

平均無故障間隔時間MTBF 估計的計算：按式（1）的規定

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

可靠性系數k 的計算：按式（2）的規定

式中：kz1—數控軸線系數；kz2—裝配系數；kz3—裝配環境系數。

可靠性制造系數kz的選取按表1 的規定：

表1 可靠性制造系數kz

可靠性試驗系數ks的計算：按式（4）的規定

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

可靠性試驗系數ks的選取按表2 的規定：

1）小麥基本苗偏多，會造成小麥群體結構不合理。襄陽市襄州區2016年秋播后降雨充足，土壤墑情好，田間出苗率高，加上該地區播種量偏大，造成小麥基本苗偏多20%左右。本次調查的20對樣本中倒伏小麥總莖蘗數、無效穗數和有效穗數每公頃分別比未倒伏小麥高 100.05 萬、37.20 萬和 62.40萬。基本苗偏多、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ks

可靠性強化系數kq設定為5.3。

失效數rs的計算：按式（5）的規定：

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rs的選取按表3 的規定：

表3 失效數rs

2 試驗過程

2.1 加載試驗前精度和快進速度檢驗

檢驗內容：與機床主軸相關的幾何精度；直線軸的數控位置精度；直線軸的快進速度。檢驗結果均符合相關標準要求。

2.2 X 軸加載試驗

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

表4 X 軸加載試驗結果匯總及評定

表5 X 軸加載故障情況描述及原因

2.3 Y 軸加載試驗

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

試驗結果：試驗結果見表6，故障情況表見表7，試驗后和主軸相關的幾何精度檢驗結果均符合相關標準要求。

表6 Y 軸加載試驗結果匯總及評定

表7 Y 軸加載故障情況描述及原因

2.4 Z 軸加載試驗

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

試驗結果：試驗結果見表8，故障情況見表9，試驗后和主軸相關的幾何精度檢驗結果均符合相關標準要求。

表8 Z 軸加載試驗結果匯總及評定

表9 Z 軸加載故障情況描述及原因

2.5 主軸加載試驗

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

試驗結果：試驗結果見表10，故障情況表見表11，主軸加載后即時補償狀態下的數控精度見表12，試驗后和主軸相關的幾何精度檢驗結果均符合相關標準要求。

表10 主軸加載試驗結果匯總及評定

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下的數控精度表

2.6 試件加工精度試驗

試驗內容： 按設計規定的切削參數， 在機床上加工GB/T 18400.7—2010 規定的2 個工件，檢驗工件的精度。

試驗結果：加工后的工件精度見表13。

表13 工件加工精度

2.7 空運轉加速試驗

試驗內容：用包括機床主要加工功能的數控程序，模擬工作狀態做不切削的連續空運轉。

試驗結果：試驗結果見表14，故障情況表見表15。

表14 空運轉加速試驗結果

表15 空運轉加速試驗故障情況描述及原因

3 可靠性試驗結果匯總

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

表16 數控臥式加工中心可靠性試驗結果匯總表

4 結論

本文采用加載方式的可靠性試驗，以驗證某型數控臥式加工中心的可靠性-平均無故障間隔時間MTBF 指標。 根據GB/T 23567.1—2009《數控機床可靠性評定 第1 部分：總則》、GB/T 23567.2—2018《數控機床可靠性評定 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。

在數控機床技術的發展中， 可靠性試驗技術不容忽視，這是提高 數控機床質量水平、精度保持性及動態性能的重要途徑[4]。 在可靠性分析時采用科學的方法，實現對故障數據的收集和處理，找到機床故 障的原因，對于一些影響因素進行分析和研究，對于機的可靠性進行科學的對比和分析，進而提高數控機床的質量水平，促進機床制造業的可持續發展[5]。