摘要（yào）: 通過搜集與深入分析五（wǔ）軸聯動葉片加（jiā）工中（zhōng）心在用戶現場的故障數據，找出影響（xiǎng）加工中心整機可（kě）靠（kào）性的故障（zhàng）部位、模式及潛在的原因，分析出加工中（zhōng）心故障發生的高頻子（zǐ）係統，確定加工中心可靠性的薄弱環節，並針（zhēn）對薄弱環節對加工中（zhōng）心可靠性提出改進措施（shī）與建議，提高加工中心的可靠性。

     關鍵詞: 加工中心; 故障模式; 故障原因; 可靠性; 建議

      0 引言

     五軸聯動葉片加工中心是專門（mén）用來加工汽輪機、航空航天發動機等葉片和其（qí）他窄長形具有空間複雜曲麵零件的機床［1］，能顯著減少對複雜曲麵的（de）加工時間（jiān）及工件的設定裝夾時（shí）間，保證曲麵的加工精度。

     由於該（gāi）加工中心功（gōng）能密集（jí）、結構複雜、加工工況多（duō）變且負荷較大，使其（qí）故障率（lǜ）增加、可靠性降低［2］，嚴重影（yǐng）響（xiǎng）了使用與經濟性能。鑒於加工中心的強大性能和在航空航天、國防領域的重要戰略地位，對其進行可靠性分析具有（yǒu）重要的意義。

     目前國內對於五軸聯動葉片加工中心（xīn）可靠性的研究比較少。

     根據（jù）搜集（jí）的60 多台葉片加工中心實（shí）際使（shǐ）用時（shí）的故（gù）障（zhàng）數據並對其進行分析，找（zhǎo）出影響加工中心整機可靠性的故障模式及其潛在原因，並根據（jù）原因提出了全（quán）方位（wèi）的（de）可靠性建議與措施。

      1 、加工中心的故障部位分析

      1． 1 故障統計

      從2012 年11 月1 日～ 2013 年12 月1 日，跟蹤調查了某（mǒu）機床廠生產的（de）67 台加工中心的故障數據。

  
      1． 2 故障部位分析

     經過對故障數據的分析，得知該葉片加工中心自動換刀裝置、直驅（qū）雙軸轉台及高速主軸單元這三個部位的故（gù）障占總（zǒng）故障的50%以上，因（yīn）此這三個部位的故障是當前需要重點解決的問題，也是提高五軸聯動葉片（piàn）加工（gōng）中（zhōng）心（xīn）可靠性的關鍵（jiàn）部位［3］。該葉片加工中心（xīn）的模型如（rú）圖1 所示。

       
                 圖1 葉片加工（gōng）中心模型
        1． 自動換刀裝置2． 高速主軸單元3． 直驅雙軸轉台

     該機床是（shì）立式斜床身、擁（yōng）有高速主軸單元、直驅雙軸轉台和自動換刀裝置等功能部（bù）件的五軸聯動機床。

     自動換刀裝置含有機（jī）械、電氣及液壓等元件，換刀時（shí）機械手和（hé）刀庫執行（háng）動（dòng）作多、動作快，換刀時（shí）易發生故障。

      直驅雙軸轉台（tái）通過定軸A 的擺（bǎi）動（dòng）和動軸C 的轉動與（yǔ）X、Y、Z軸一起實現五軸聯動，它是係統複雜、精度高的機電一體化（huà）功能部件，並且由（yóu）於零/部件在加工（gōng）、製造裝（zhuāng）配環節的誤差和控製係統的外部（bù）幹擾等因素使轉台（tái）容易有定位不準的情況發生。

     高速主軸單元涉及電動機、潤滑和控製等多個方麵，高速運轉時容（róng）易發生鬆動、滲（shèn）漏等故（gù）障，這些故障嚴重威脅到加工中心的整機可（kě）靠性。下麵對加工中心進行故障分析以便采取措施提高（gāo）其可靠（kào）性。假設自動換刀裝置、直驅雙軸轉台和高速（sù）電主軸代碼依次是1、2 和3。

      2 、加工中心的故障模式及危害度分析（xī）

     根據（jù）得到的故障數據和相關計算公式［4］，計算該葉片加工中心自動換刀裝置、直驅（qū）雙軸轉台（tái）及高速主軸單元（yuán）這（zhè）三個高頻（pín）故障部位的（de）危害度CＲi，並（bìng）總（zǒng）結其故障模式如表1 所示。

   
                                  表1 高頻故障部位的故障模式及危害度

     危害度CＲi為:

     
 
     式中: αij為（wéi）葉片加工中心子係統i 發生故障模式（shì）j 的概率; βij為子係統i 因故障模式j 造成該係統損壞的概率，對βij規定: 若βij = 1 表示該子（zǐ）係統一定會損壞，若
βij = 0． 5 表示該子（zǐ）係（xì）統有可能損（sǔn）壞，若βij = 0． 1 表示該子係統很少損壞，若βij = 0 表示該子係（xì）統（tǒng）一定不會損壞; λi為子係（xì）統i 的故障率（lǜ）。

     式中: nj為故障模式j 發生的次（cì）數; ni為（wéi）子係統i 故障發生的總（zǒng）次數。

     式中: Ni為該葉片加工中心子係統i 在規定時間內發生故障的總次數，本文中規定時間即為本次跟蹤調查的時間: 2012 年11 月1 日～ 2013 年12 月1 日，共13個月; Σt 為子係統i 的（de）累積工作（zuò）時間，因本文中所調查的加工中心每天工作8h，每月工作約20 天，所以該加（jiā）工（gōng）中心的累積工作時間Σt = 13 × 20 × 8 = 2 080h。

     以此類推（tuī）可得到葉片加工中心各（gè）高頻（pín）故障部位（wèi）的危（wēi）害度CＲi，如（rú）表1 所示。

     根據表1 得出該（gāi）葉片加工中心各種故障模式的發生概率分布（bù）直方圖如圖2 所示，根據（jù）表1 數據及式( 1) 計算（suàn）得出該加工中心各故障模式的危害度分布直
方圖如圖3 所示。

     
                          圖2 故障模式的發生概率分布直（zhí）方圖

      
                              圖3 故障模式的危害度分布直方圖

     通過對故障模式的影響及危害（hài）性分析( FailureMode，Effects and Criticality Analysis，FMECA) ，並由圖（tú）2 所示可知該加工中心（xīn）發生概（gài）率最大的兩個故障模式是刀庫（kù）失調、直驅雙軸轉台旋轉固定角度誤差較大; 但（dàn）由圖（tú）3 所示可知加工中心危害度最大的四個故障模式是刀（dāo）庫（kù）失調、刀庫零/部件損壞、刀庫元器件損壞和直驅雙軸轉（zhuǎn）台旋轉固定角（jiǎo）度誤差較大。

     3 、加工中心的故障原因分析

     通過前麵對發生故障頻率最（zuì）高的3 個故障（zhàng）部位（wèi）的FMECA，得出葉片加工中心可靠性的4 個最薄弱環節（jiē），因此有必要分析找出其發生故障的根本原因，以（yǐ）便采取（qǔ）措施提高加工中（zhōng）心的整機可靠（kào）性。對葉片加（jiā）工中心的幾個高危害度的故障模式的原因（yīn）分析如表2所示。

               表2 高危害度故障模式的故障（zhàng）原因分析

     4 、提（tí）高加工中心可靠性的建議與措（cuò）施（shī）

     根據上麵的分析得到（dào）了五軸聯（lián）動葉片加工中心危害度最大的四個故障（zhàng）模式（shì），因此要明顯提高該加工中心的可靠性，就要以這幾個故障模式為突破口，兼顧其他故障模式，采取針對性措施來提高該加工中（zhōng）心的可靠性（xìng）。

      4． 1 針對（duì）刀庫失調的（de）建議（yì）與措施

      1) 對於刀庫選刀不準: 通過物理隔離來防止數控係統受到幹擾; 建立可（kě）靠性裝配崗位責任製，提（tí）高裝刀人員的責任感。
      2) 對於刀庫運轉過程有較大的振動或卡死: 在加工刀庫滑鍵（jiàn）時要嚴格按照設（shè）計（jì）標準和技術規範進行製造。
      3) 對於（yú）刀庫定位和鎖緊裝置（zhì）不穩: 對傳動部件經常進行檢修（xiū），及時更換已經磨損（sǔn）的傳動部件，增（zēng）加傳動部（bù）件的安裝精度。
      4) 對換刀氣壓（yā）不足: 要經常檢（jiǎn）修空壓機並查看管路是否漏氣。
      5) 刀（dāo）庫轉不到位或（huò）到位不準: 對電動機和（hé）傳動部件定（dìng）期進行檢修（xiū），預（yù）防（fáng）其發生故（gù）障。

     4． 2 針對刀庫零/部件損壞的（de）建議與措施
 
 
     1) 對於刀庫（kù）定位銷損壞、換刀按鈕不工作、刀庫軸承（chéng）嚴重損壞: 機床企業（yè）要選擇高質量的外購件。
     2) 對於刀套不能夾緊刀具: 要經常檢查刀套上的刀具定位片，確保其緊固並適時地更（gèng）換刀套或定位片，而且要經（jīng）常對刀套的（de）外部進行點檢，凡是有裂紋等缺陷（xiàn）的刀套一定要及時更換，以確（què）保換刀的可靠性，避免不必要的損失［5］。

     4． 3 針對刀庫元器件損壞的建議與措施（shī）
 
 
     1) 對於刀庫計數開關和開關損壞: 企業要選用高質量的外購件。
     2) 對於刀庫定位鍵（jiàn）斷裂: 要嚴格按照設計標準和技術規範進行（háng）製造，控（kòng）製好原材料和關鍵工序的質量。

     4． 4 針對直驅雙軸轉台旋轉固定角度誤差（chà）較大的（de）建議與措（cuò）施

     1) 對（duì）於測量誤差大: 采用先進的傳感器和測量方法（fǎ）。
     2) 對於反饋信號失真（zhēn）: 采用高頻采（cǎi）樣技術和濾波技術防止信（xìn）號失真。
     3) 對（duì）於轉台（tái）製造安裝有誤差: 在（zài）加工（gōng）轉台時要嚴格（gé）按照設計標準和技術規範進行製造，嚴格按照裝配（pèi）要求和工序來安裝轉台。通過前饋控製方法和可預見控製方（fāng）法消除反饋延遲; 通過電壓/電流（liú）過采樣技術、增（zēng）加濾波環節來消除（chú）電壓/電流波動。

     4． 5 針（zhēn）對可靠性管（guǎn）理、試驗等方麵的（de）建議與措施

  
     1) 機床企業應建立以可靠性管理為核心（xīn）的質量體係，如可靠性崗位責任製; 建立早期（qī）故障試驗和消除體係。
     2) 針對該廠所生產加工中心的（de）故障分析結果，該廠加工中心在出廠前（qián）應建立刀庫和工作台的試驗台，在總（zǒng）裝前要對這（zhè）兩個係統進行可（kě）靠性試驗分（fèn）析，確保其具有較高的可靠性，以保證加工中心較高的整機可靠性。