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數控機床刀塔結（jié）構及（jí）其可靠性探討

2022-3-22 來源：通用技術集（jí）團大連機床有限責任公司作者：李金鳳；唐（táng）倩；孫造；王（wáng）盟

摘要：數控機床是衡量一個國家工業製造水平的重要標誌，其中刀塔等部件（jiàn）功能的可靠性對數控機床的質（zhì）量與（yǔ）效果會產生直接的影響（xiǎng），從實際發展情況（kuàng）來看，為提高我國數控（kòng）機床刀塔可靠性，從而滿足高檔機床的加（jiā）工需求，因此對數控機床刀塔結構和可靠性進（jìn）行了研究（jiū）。通過分析刀塔結構（gòu），得到具體（tǐ）闡述，建立模型來分析刀塔存在的故障（zhàng），通過分析故障發生的幾率，對其特征進行衡量、計算，利用故障模式、影響因（yīn）素、危害因素等（děng）進行（háng）分析，確定產（chǎn）生故障的原因，提出（chū）解決方式。

關鍵詞（cí）：數控技（jì）術；機床結構；刀塔；故障與可靠性；對策

1、研究背景

刀塔結構缺乏可靠性的現狀導致（zhì）實際工作效率（lǜ）低下，無法滿足實際加工（gōng）需求，尤其是（shì）無法滿足工業發展的需求。文章（zhāng）主要研究某公司生產的液壓刀塔，通（tōng）過分析結構以及故障（zhàng）發生幾率，得到機床穩定性（xìng）結構，分析刀塔係統將係統劃分為多（duō）個子係統組成可靠性特征（zhēng）量來進行研究，通過仿（fǎng）真得到刀塔的故障數據，從而計（jì）算刀塔的可靠性、影響、危害性分析。在這些分析的基礎上，借助 FMECA 方式定位刀塔（tǎ）發生故障位置、範圍、故障影響，對其研究找（zhǎo）出可能解決故障（zhàng）的方式，針對故障提出高效改進措施，為相關行業的發展提供借（jiè）鑒。如圖 1。

圖 1 某數控（kòng）機床

2、刀塔結構（gòu）

液壓刀塔組件並不複雜（zá），由刀塔結構本（běn）體、傳動係統、定（dìng）位係統、液壓（yā）、電器、冷卻等（děng）多個（gè）係統組合形成，在內部，使用平行（háng）凸輪提供驅動力，該部件具有分割角度準確與換刀速度快的特征（zhēng），刀盤旋轉是（shì）通過油壓馬達來驅動，具有扭力大、且平（píng）穩的特征；刀（dāo）盤加緊、鬆（sōng）開等動作都可以精準完（wán）成，油壓馬達能夠提供通暢的油壓動力（lì）源。刀塔可以左右安（ān）裝以及就（jiù）近選刀（dāo）的功能。油壓馬達能（néng）夠實現分度動力源，初分位置通過（guò）信號（hào）盤與接近（jìn）開關信號來確（què）定，通過連（lián）接器確保刀盤（pán）運行精度，連接器的分開與鎖緊則由液壓控製活塞動作來實（shí）現。刀塔的主體結構就是本次研究（jiū）的本體，由支撐、油封兩個係統構成（chéng），在支撐結構由常規的底座和軸承等構（gòu）成，為整個係統提供支（zhī）撐與保護的作用，支撐部件可以為主軸（zhóu）和凸（tū）輪軸部件（jiàn）的（de）安裝（zhuāng）與（yǔ）固定，支撐部件的運行。油封部分則由（yóu）油缸蓋、活塞（sāi）、O 型密封環等構成。刀塔的備件為浸油式潤滑，浸油式潤滑可以（yǐ）降低刀（dāo）塔內部部（bù）分部件運（yùn）行導致的損耗，比如凸輪與（yǔ）齒輪部件，在實際運（yùn）行過（guò）程中還可以間（jiān）距降溫和降噪，保證軸承的潤滑。油壓馬（mǎ）達可以實現刀塔傳動係統，經過凸輪傳動、滾輪和齒輪傳動，經（jīng）過主軸的運（yùn）轉帶動運行。凸輪傳動結構是凸輪、軸承等（děng）構成，齒輪（lún）由齒（chǐ）輪本身和滾輪軸等構成（chéng）。滾輪在整個（gè）部件當中處於中間位置，在（zài）具體運行的過程中要求（qiú）滾輪（lún）和凸輪配合、與分度盤齒輪（lún）精（jīng）準齧合才可以實現精準（zhǔn）運行，這樣就可（kě）以實現不（bú）同傳動的分度、保證精準。

刀塔液壓係統有鬆開、鎖緊、轉位的功能。鬆開（kāi）鎖有油路板、閥門、電（diàn）磁閥等部件組成，通過二位四通油壓電磁閥實現對液（yè）壓係統的控製（zhì），刀盤整體的鎖緊速度則通過單項節流閥來控製。在常態下（xià），係（xì）統處於鎖緊狀態，換刀的時候抬起轉位（wèi）；轉位係統由油路板、閥門和馬達等組（zǔ）成。一旦刀盤確認鎖緊之後控製鬆開電磁閥，刀盤回歸中位，而雙向油壓馬達（dá）停止轉動。如圖 2。

圖 2 伺服刀塔

定位係統由連接器（qì），其餘由主軸、刀盤、墊圈等構建來組成，連接器等設備運行過程中可以保證道具（jù）運行（háng）到精準位置（zhì），因此在其中增加了傳感器，用來控製刀盤的鬆開、鎖緊、轉動的啟停環節。整個部件的冷卻係統設置了導流設（shè）備構成，冷卻液通過刀塔側（cè）邊的管接頭流入內部係統（tǒng），經導流（liú）座（zuò）、導杆等進（jìn）入（rù）刀盤，刀盤運行力下將冷卻液外推啟動運轉。

3、數控機床刀塔結（jié）構及（jí）其可靠性探討

3.1 可靠性分析

分析可靠性的依據是（shì）在曆史故障維修數據基礎上的研究工作。在實際（jì）的研究當（dāng）中（zhōng）可以與專門（mén）的數控企業合作，獲取設備運行過（guò）程中出現故障次（cì）數、維修慈湖、本次設計采集（jí） 26 台刀塔的故障維修數據，總結得到一百零八條故障（zhàng）信息，分（fèn）析設備運行在最短時間內（nèi）出現故（gù）障的時間為8.13h，設備最長運行時間為（wéi） 1689.45h。

從實際研究來（lái）看，機電液產品的壽命分布形式有：正態、對整正態、指數分布、威布爾分（fèn）布。將得到的故障數據劃分成小組，運用計算和擬合其經驗分布函數進行計算，得到密度關係（xì），計算結果表示刀塔無故（gù）障時間的概率在密度曲線上表示（shì）為單調下降的趨勢，可以排除在（zài）計算過程中呈現出正態分布（bù）、對整正（zhèng）態分布的特征，可以知道刀塔無故障時（shí）間以威布爾部分布展示（shì）最為科學合理，這種方式也是形狀分（fèn）布參數取 1 的特征，在後續將該分布無故障時間再次擬合計算，分析可靠性分析，通過雙參數威布（bù）爾累計

在上（shàng）述句（jù）式（shì）當中，如果 α＞0，證明與工作負載相關，β＞0，證明呈現正相關，考慮（lǜ） t≥0。在確定刀塔無故障時間分布之後，需要通過類似的估計法、回歸法分析其中（zhōng）的待定參數，估計參數範圍。威布爾分布累積分布函數不包含積分計算，計算的時候將其轉化為最小二乘法（fǎ）進（jìn）行估算，乘以參（cān）數 α、β，將采集的故障信息按照要求變化，之後使用SPSS 軟件（jiàn）估計參數，得到參數為：

得到上述結果之後通過擬（nǐ）合結（jié）果進（jìn）行線性（xìng）檢驗（yàn），估計分布函數參數，得到設備的可（kě）靠性、故障幾（jǐ）率、無故障時間等，將這些估計作為主要依據帶入到公式當中，其計算結

在實際計算當中，刀塔可靠度與時間變化有（yǒu）關係，設備（bèi）運行時間長，刀塔可（kě）靠（kào）性下降；在計算過程中無（wú）故障時間用 MTBF 來（lái）表示，用 MTBF 來衡量刀塔可靠（kào）性質量，MTBF 是刀塔相鄰兩次故障的平均工作時間，因此計算MTBF 可以得到（dào）刀塔無故障工作時間的數學期望值。在該計算（suàn）當（dāng）中，還有伽（gā）馬函數值。得到計算公式之（zhī）後，計算得到MTBF=554.12h，由於得到的故障參數值（zhí）帶入其中，得到MTBF 的最（zuì）終數值為 533.69h，誤差為 4%，這證明了刀塔故障分布模型（xíng）、參數（shù）估計之間的正確性與合理性。刀塔在數（shù）控（kòng）機床的運行（háng）質量也（yě）得到了國家的重視，早在十一五期間（jiān），我國就規定數控機床的平均壽（shòu）命為 900h，在上述計算當中，可以知道該刀塔的壽（shòu）命還無法達（dá）到國家規定的要求。在（zài）這種形式下，可以根（gēn）據（jù）故（gù）障發生概率找到刀塔係統存在的薄弱環節，根據薄弱環節來改造，保證數控機床的實際使用價值。

3.2 FMCA 分析

Failure Mode，Effects and Criticality Analysis 就是分析刀（dāo）塔係統存在的可靠性（xìng）能分（fèn）析，該分（fèn）析是以實際故障幾率為基礎（chǔ），分析故障影響因素與危（wēi）害因素，得到可靠性分析技術。Failure Mode，Effects and Criticality Analysis 可以分為（wéi）兩個部（bù）分，故障模式的影響（xiǎng）分析、危害性分析兩個部（bù）分。

將（jiāng）其再次進行劃分，則可以劃（huá）分為故障部位、故障模式、故障原因、故障責任等，還可（kě）以劃分到（dào）責任與影響（xiǎng）、歸屬不同（tóng）類別。通過分析各（gè）個組成部分的不同故障模式與影響因素，就可（kě）以找到刀塔（tǎ）係統運行過程中的薄弱環（huán）節，確（què）保係（xì）統運行的關鍵（jiàn），保證係統運行的可（kě）靠性。

刀塔在實際運行的過程中需要電器係統作為動力，這也是（shì）比較關鍵的係統。因此通（tōng）過 Failure Mode，Effects andCriticality Analysis 進行（háng）再次分析，得出結論如表 1。

表1 由電器係（xì）統故障導致的故（gù）障與主要故障

上（shàng）述結論可以知道電器係統是（shì）影響（xiǎng）刀塔、影響數控機床運行的主要因素，而觀察上述數據，其中元器件的損壞是刀塔結（jié）果出現故（gù）障最多的環節，也是限製（zhì）係統運行可靠性的重要因素，確定主要限製因素是元器件損壞、調整不當所導致。究其本質，電器係統的故障的責任主要是由於外購（gòu）外協（xié）、裝配、用戶等原因所導致[4]。

通過分析刀塔運行過程中（zhōng）可（kě）能存在的故障危害性，結合計算得到的故（gù）障發生頻率，綜合故（gù）障的危害程度來找到刀塔結構出現問題的薄弱環節，比如針對元器件損壞的常見現象，應該針對元器件的性能、生產等進行積（jī）極的改進。

通過 CA 結果分析，證明影響刀塔運行的因素有（yǒu）：電器係統與定（dìng）位係統，其中傳動、冷卻、液壓、本體係統這幾（jǐ）類係統的危害逐次減小，因此（cǐ）電器係統是刀塔最薄弱的環節，在實際發展的過程中（zhōng）應該對（duì）這個方麵進行重點改進（jìn）。

4、結束語

綜上，從我國實際國情出發，可（kě）以認識到（dào）我國（guó）在工業製造方麵還存在很多問題需要解決。本文（wén）通過研（yán）究數（shù）控機（jī）床刀塔的性能，根據計算結論找到刀塔運行中的薄弱環節，且提出改進措施。

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