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加工中心進給軸可靠性（xìng）試驗加（jiā）載裝置設計與應用

2018-5-18 來源：轉載作者：張長，段廣雲，苟衛東

摘要: 進（jìn）給軸作為加工中心的關鍵組成部件，其可靠性水平的高低直接（jiē）影響到加工（gōng）中心的加工（gōng）精（jīng）度（dù）和整機可靠（kào）性。提出進給軸可靠（kào）性試驗的快速試驗方法，完成了（le）進給軸可靠性（xìng）試（shì）驗裝置的試（shì）驗方案設計。通過進給軸可（kě）靠性試驗裝置（zhì）的（de）搭建，開展了進給軸可靠性（xìng）的相關（guān）加載試驗，並將該試驗（yàn）結果與（yǔ）加工中心其他可靠性試驗結果相結合，通過相（xiàng）應的數據分析軟件，評定出機床的可靠性量化指標，暴露加工中心進給係統設計、製造與裝配（pèi）等方麵的缺陷，以便采取對策和措施指導（dǎo）進給軸單元的可靠性（xìng）設計，從而保證進給軸設（shè）計和使用過程中的可（kě）靠性增長（zhǎng）。

關鍵詞: 加工中心; 進給軸; 加載裝置; 可靠性試驗

近年來我國機床行業發展迅速，國內機床（chuáng）整體水平不斷提升，取得了許多重要的（de）成就。然而與歐美和日本等高水平機（jī）床廠（chǎng）家（jiā）相比，我們的產品還存在較大差距，主要體現在加工精（jīng）度、運行可靠性、多功能複合等方麵。其中，可靠性是衡量一（yī）個（gè）產品性能的關鍵指標，國內機床在這方麵的表現卻（què）很難令人滿意，可靠性水（shuǐ）平較低，在很大程度上（shàng）影響並限製了加工質量（liàng），從（cóng）而使用戶在購買加工中心時猶豫不決（jué）。欲解決國（guó）產加工中心的購買量和滿意度（dù）問題（tí），通過不斷的可靠性試驗研究提高其可（kě）靠性是（shì）關鍵所在。

加工（gōng）中心作（zuò）為機床的（de）典（diǎn）型代表，其可靠性水平的高低直接影響產品的加工質量，因此，如何提高加（jiā）工中心的可靠性是一個亟待解決的問題。隻有不斷地進行（háng）加工中心可靠性試驗方法和規範的研究，提升加工中心的可靠性，才能不斷提高產品加工的效率和質量（liàng）。

進給軸（zhóu）單元作為加工中心的重要部件之一，它承擔了加工中心各直線、回轉坐標軸的定位和（hé）切削進給，其可靠性的高低（dī）直接影響加工中心的壽命及（jí）其加工工件的精度。因此，進給軸的可靠性在較（jiào）大（dà）程度上影（yǐng）響加工中心的質量、維修性和經（jīng）濟性，提高進給係統（tǒng）的可靠性（xìng）對加工中心整（zhěng）機使用具（jù）有重要的意義。通（tōng）過對加工中心進給軸（zhóu）進行可靠性試驗研究可以獲得評定其（qí）性能的重要指標，這些指標無論對設計製造進給（gěi）係統（tǒng）還是對用戶選購加工中心（xīn）都具（jù）有重要的指導意義。

1、加工中心進（jìn）給軸可（kě）靠性試驗方案設計

1. 1 加工中心進給軸可靠性試驗的方法

可靠（kào）性試驗是實現可（kě）靠性設計、評價與分析的一種可靠性研究手（shǒu）段。而對於加工中心這（zhè）樣複雜的產品，一般在產品的設計和研製初期存在的潛在失效和故障的殘餘量較大，這也（yě）給產（chǎn）品的可靠性提（tí）升提供了可觀的空間（jiān）。另外產品的研製周期已成為市場競爭（zhēng）的焦點（diǎn），並且研（yán）製產品的數量也較少，為了在較短時間內獲取（qǔ）可靠性，不（bú）能（néng）按傳統的可靠性試驗方法、使用較長時（shí）間來獲取，而是采用可靠（kào）性加速試驗方式來實現，通過係（xì）統地施加應力，激發和暴露加工中心產品的薄弱環節。由於可靠性加速試（shì）驗目的是引起失效，在試驗樣本數（shù）量極少的情況（kuàng）下就能進行，因此非常適用於像加工中心這樣小批量多品種的（de）產品，它可以在較短時間內獲取加工中（zhōng）心的故障情況和可靠性特征值。

可靠性加速（sù）試驗的目的是在較短的試驗時間內激發（fā）出（chū）故障，該技術最早源自 20 世紀 50 年（nián）代的老化試驗，其理論依據（jù）是故障物理學（xué），通過對故障或失效的（de）研究，發現和根治故障以達到提高可（kě）靠性的目的。在（zài）國外，可靠性（xìng）加速試驗在電子產品和機電產（chǎn）品的應用和推廣使（shǐ）得產品的可靠（kào）性得到很大（dà）的提（tí）高，對電（diàn）子設（shè）備采用（yòng）了高加速壽命（mìng）試驗並獲得（dé）滿意的結果。國內的可靠性加速試驗因為受到試驗（yàn）方法和（hé）試驗設備的限製，目前還處於探索階段。但該技術（shù）在數控機床可靠性試驗方麵的應用研究很（hěn）少（shǎo）。文中將可靠性加速試驗技術應用於（yú）數控機床加工中心，目的是在比較短的時間內找出並消除故障，提高整（zhěng）機的可靠性。

進給軸是機床的關（guān）鍵（jiàn）組成部件之一，其性能優劣直接影響著（zhe）整個機床的使（shǐ）用（yòng）。從加工中心的故障統（tǒng）計和分析中可以看出，加工中心（xīn）進給係統的故障率較高，僅次於刀（dāo）庫係統和主軸係統，是加工中心的關鍵薄弱環節之一。因此開展進（jìn）給軸可靠（kào）性試（shì）驗可以采用模（mó）擬機床的（de）實際工作狀態。機床在進行實際加（jiā）工時，切削力主要為（wéi）: 主切削力、徑向力、軸（zhóu）向力。如果能模擬實際的主切削力 ( 切（qiē）削合力) ，如圖 1 (a) 所示，對 X 軸、Y 軸、Z 軸同步運動進行加載，實現聯（lián）動加載，可以較真（zhēn）實地反映出機床實際承載狀態。但由於機床空間、試驗裝置 (體積、功能) 、驗（yàn）位置(加載點) 、程序控製（zhì）等因素的影響，模擬主切削力(切削合力) 不易實現。如果分別對（duì） X 軸、Y 軸、Z軸進行單向加載，如圖 1 ( b) 所示，雖然同實際狀態有差距，但通過加大施加載（zǎi）荷力度和（hé）變換加載方式，在一定程度（dù）上也能反映出機床的承載狀態，而且也可達到可靠性試驗的目的，同時（shí）該（gāi）方法操作方便（biàn）、容易實現。所以對進給（gěi）軸進行可靠性試驗采用單向加載方案.

為了減（jiǎn）少可靠（kào）性試驗的周期，係統采用（yòng）加速試（shì）驗的方法，即對加工中心進給軸加載比實際載荷（hé）大的機械應力，以期激發機（jī）床的潛在故障，從而暴露設計中的薄弱環節，通過分析手段，找出故障原因，提出糾正（zhèng）措施，從而（ér）實現加工（gōng）中心進給係統的可靠性增長。

圖（tú） 1 進給軸可靠（kào）性試驗加載方式示意（yì）圖

1. 2 加（jiā）工中心進給軸（zhóu）加載試（shì）驗總體（tǐ）方案

通過以上（shàng）分析（xī），加工中心進給軸可（kě）靠性試驗采用加速試驗的方法，在模擬工況載荷條件（jiàn）下，用可靠性試驗裝置分別對機床的 3 個進給軸 X、Y、Z 軸進行單（dān）項加載，以求最大程度地激發（fā）進給軸的潛在障。圖 2 為該試驗裝（zhuāng）置的組成框圖，主要包（bāo）括: 加載氣（qì）缸、壓力傳感器、加載計數器、氣動控製係統等。該裝置的工作原理是: 氣缸在（zài）氣動係統的控製下，將模擬載荷施（shī）加（jiā）到主軸上的模擬刀具; 通過力、加載計數器（qì）等傳感（gǎn）器，將試驗機床參數和加載試驗數據傳輸到電氣控製裝置，經由數據（jù）采集卡（kǎ）傳輸到試驗 PC 機進行進一步的數據分析和處理，得到相關（guān）的可靠性數據（jù）; 並將這些數據通（tōng）過分析軟件（jiàn）建模、擬合、歸納、運算，從而預測出機床的可靠性指標，找出發生故障的主要原因和模式，實現進給係統的整體可靠性增長。

圖（tú） 2 進給軸（zhóu）可靠性試驗裝置設計方案

2、加工中心進（jìn）給軸（zhóu）加載試（shì）驗裝置的實（shí）現

2. 1 試驗裝置氣動係統控製原理

氣缸作為進（jìn）給軸可靠性試驗裝置的主要設備，在氣動係統的控製下，利（lì）用活塞（sāi）的伸縮來實現對 3 個進給軸施加載荷，以期實現加載可靠性試驗的目的。該氣動係統以壓縮空氣為能源，主要包括三聯件 ( 空氣過濾器、減壓閥、油霧分離器) 、電磁閥、電氣比例閥、單向節流閥、消音器等，其工作（zuò）原理是（shì）: 加載時，壓縮空（kōng）氣經由三聯件過濾後，得到相對純淨幹燥的壓縮空氣，經由電磁換向（xiàng）閥的左腔流出，經電氣比例閥的調節，再經單（dān）向節流閥進入氣缸的無（wú）杆腔，推動活塞向右運動，實現（xiàn）進給軸的加載。當加載時間到，電磁閥（fá）得電，機床主軸推動活塞杆縮回，完成（chéng）一個循環的加（jiā）載試驗。具體氣動控製原理如圖 3 所示。

圖 3 進給軸可靠性試驗裝置（zhì）氣動（dòng）係統控（kòng）製原理

2. 2 進給軸可靠性試驗裝置設計

圖 4 加工中心進給軸可靠性加載試驗裝（zhuāng）置

進給可靠性試驗裝置除了氣動（dòng）控製係統外，還包括電氣控製裝置、試驗 PC 機及溫度傳感器、壓力傳（chuán）感（gǎn）器等。其中，溫度傳感器主要檢測試驗（yàn）過程中（zhōng）機床電氣櫃（guì）的溫度情況; 壓力（lì）傳感器用（yòng）來檢測試驗過（guò）程中施（shī）加給主軸的實際載（zǎi）荷; 電氣控製裝置主要接（jiē）收來自傳感器的采集數據，並把（bǎ）這些數據（jù）轉換為 PC 機能夠識別的數據形式，同（tóng）時也將機床試驗時的扭矩（jǔ）、功率等參數傳送到試驗 PC 機。最終完整的主軸可靠性試驗裝置如圖 4 所示。

3 、加工中心進給軸可靠性試驗（yàn）

進給軸可（kě）靠性試驗裝置設計完成後，結合數據采集處理軟件，即可以開（kāi）展可（kě）靠性的相關試驗。根據加工中（zhōng）心可靠性試驗規（guī）範，在進行進給軸可靠性試驗之（zhī）前，首（shǒu）先應該完成以下相關試驗內容: 機床預運行檢查 ( 主要（yào）包括機床各安全防護裝置是否安裝和啟用，並檢驗功能是否正常) ; 機（jī）床精（jīng）度檢驗 ( 測量 X、Y、Z 等軸的位置精度和各（gè）軸快速移動速度) 。在以（yǐ）上（shàng）試驗（yàn）完成後，即可開展進給軸可靠（kào）性加載試驗，即在模擬（nǐ）實際工況條件下加大（dà）加載載荷，利用進給軸可靠性試驗（yàn）裝置（zhì）對 X、Y、Z 3 個進給軸分別進行加載（zǎi）; 並記錄試驗結果。在全部加載試驗結束（shù）後，需要立即進行各（gè）項精度檢驗，以（yǐ）驗（yàn）證加載試（shì）驗（yàn）後機床精度的穩定性。

3. 1 試驗內容

(1) 在（zài）主軸運（yùn）轉條件下（xià），分別對 X 軸、Y 軸、Z軸反複施加軸向載荷，從（cóng）而考核（hé）機床各動作可靠性;

(2) 在機床空運行下，考核機床（chuáng）規定的換刀、工作台快速移動和交換動作的可靠性（xìng）;

(3) 記錄加載各軸時間（jiān）、機床運行時間;

(4) 檢（jiǎn）查（chá）機床各類故障，記錄故障數並分析故障產生的原因;

(5) 試驗結（jié）束時完成相關幾何精（jīng）度和 X、Y、Z軸位（wèi）置精度檢（jiǎn）驗，以檢驗加（jiā）載試驗後機床精度的穩（wěn）定性。

3. 2 試驗條（tiáo）件及（jí）方法

(1) 加工中心處（chù）於正常狀態，潤滑係（xì）統、氣動係統、液壓係統和電氣（qì）係統均正常;

(2) X 軸加載（zǎi）力應大於 0. 75 倍的 X 軸最大軸向抗力（lì），即大於 5 100 N; Y 軸加載力應大於 0. 75 倍的Y 軸最大軸向抗力，即大於 6 000 N; Z 軸加載力應大（dà）於 0. 75 倍的 Z 軸最（zuì）大（dà）軸向抗（kàng）力（lì），即大於 3 150 N;

(3) 各（gè）軸加載試驗（yàn）時，機（jī）床空運行和（hé）加載工作累計時間約 48 h，包括故障修複時間，不包括安裝輔助（zhù）時間（jiān）;

(4) X、Y、Z 軸加載時的進給速度應不（bú）小於 300mm / min，加載刀具轉速應不小於 500 r / min;

(5) 空運行過程中，加工中心（xīn）能夠實現最大直徑、最大質量、最大長（zhǎng）度的刀具換刀動作，以期檢驗換刀動作的準確性（xìng）;

(6) 活塞、加載氣缸、測量裝（zhuāng）置（zhì）等（děng）安裝與（yǔ）使用應（yīng）遵照儀器設備使用規定;

(7) 隻有全部加載試驗結束後，才能進行各項精度檢驗（yàn），並且先檢（jiǎn）驗幾何（hé）精度，然後檢驗坐標（biāo）軸的位置精度;

(8) 進給軸加載裝置及測試數據報表見（jiàn）圖（tú）5 ( 圖中以 X 軸為例，Y、Z 可靠性試（shì）驗及結果輸出類似X 軸) 。

圖 5 加工（gōng）中（zhōng）心進給軸可靠性（xìng）試驗現場圖

3. 3 試驗結果及評（píng）定

(1) X 軸可（kě）靠性試（shì）驗結果及（jí）評定見表 1，Y 軸、Z 軸可靠性試驗結果類似於 X 軸，在（zài）此（cǐ）省略;

(2) 記錄加工中（zhōng）心幾何（hé）精度和位置精度檢驗結果（guǒ），用來評價加（jiā）工中心的精度（dù）穩定性。

表 1 X 軸加載試驗結果匯總及評（píng）定

備（bèi）注: 以上試驗結果數（shù）據要參與（yǔ）最終可靠性指標計算，應力求準確!

將以上 X、Y、Z 3 個進（jìn）給軸可靠性試驗結果與其他可靠性試（shì）驗結果相結合，通過分析軟件建模、擬合（hé）、歸納、運算，從而預（yù）測出機床的可靠（kào）性指標，評（píng）定進給軸（zhóu）係統的（de）設計和製造（zào）裝配質量，同時找出發生故障（zhàng）的主要原因，實現進給軸整體可靠性的增長。

4 、結論

係統（tǒng）闡述了加工中心可靠性試驗的必要性和試驗方法，針對影響加工中心可（kě）靠性的關鍵薄弱環節之一進給軸，提出（chū）了進給軸可靠性試驗裝置方案，完成了試驗裝置的搭建，並通過（guò）對 3 個進給軸進行一係列的加載試驗，記錄相應的試驗結果，並將該試驗結果與加工中心其他可靠（kào）性試驗相結合，通過分析軟件的建模、運算，評定出機床的可靠性量化指標（biāo），從而評定出（chū）進給係統的設計和製造裝配質量。同（tóng）時可（kě）靠性試驗結（jié）果可以幫助選擇高可靠度和高安全性的零件，再通過試驗驗證和不斷改進完善，提出相應的可靠性增（zēng）長措施，以此指導進給係統的可（kě）靠性設計，從而保證進給軸設計和使用過（guò）程（chéng）中的（de）可靠（kào）性增長，對（duì）於提高加工中心的整體可靠性有著重（chóng）要的意義.

來源：青海大學機械（xiè）工程（chéng）學院（yuàn）青海一機數控機床有（yǒu）限責任公司

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