段廣云 茍衛(wèi)東 黃永玉

(①青海大學機械工程學院，青海西寧 810016;②青海一機數(shù)控機床有限責任公司，青海西寧 810016)

可交換工作臺加工中心是一種具有數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的高效、高性能的數(shù)控機床，與常規(guī)加工中心相比，可以提高加工效率，完成更多的加工工藝，擴大機床的加工范圍。機械設備的功能水平及自動化程度愈高，結(jié)構(gòu)愈復雜，使用時發(fā)生故障的可能性就愈大。為了提高可靠性，必須進行可靠性設計，這就要求對系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性及部位進行分析，找出其薄弱環(huán)節(jié)，從而為可靠性設計提供依據(jù)。鑒于可交換工作臺加工中心強大的加工能力和較寬的工藝范圍，對其進行故障模式的可靠性分析具有很重要的實際意義［1～2］。

本文以某機床廠生產(chǎn)的可交換工作臺加工中心為研究對象，根據(jù)跟蹤收集的近二百臺可交換工作臺加工中心在實際使用過程中的故障數(shù)據(jù)，對這些故障數(shù)據(jù)進行了多角度的故障分析，從整體上掌握該類型臥式加工中心的故障發(fā)生情況，找出對機床整機可靠性影響較大的故障模式和故障原因，并據(jù)此提出提高國產(chǎn)臥式加工中心可靠性的措施。

1 可交換工作臺加工中心的故障部位分析

1.1 故障統(tǒng)計

截止到2011年12月31日，對某機床廠銷往全國各地的加工中心進行了2011年全年的故障調(diào)查，完成了162臺可交換工作臺加工中心的可靠性調(diào)查和評估工作，累計共出現(xiàn)各類故障252次，有效故障數(shù)為236個。

1.2 故障部位分析

加工中心是機電集成化產(chǎn)品，所出現(xiàn)的故障可以劃分到各個單元(系統(tǒng))，一般可以分為:主軸系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、工作臺、刀庫系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)以及機床防護等多個部分。表1是所調(diào)查機床的故障模式統(tǒng)計。圖1是162臺加工中心出現(xiàn)的故障數(shù)在各系統(tǒng)中的分布情況。

表1 故障部位統(tǒng)計

從圖1可以看出，在可交換工作臺加工中心的各類故障中，自動換刀裝置、托盤交換裝置和工作臺故障率位居前三，分別占20.33%、17.37%和16.53%，這3個部位的故障率超過總故障的一半。而其他系統(tǒng)的故障率不到50%。故障率最低的是潤滑系統(tǒng)，僅為0.42%，其次為氣動系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)，均為0.85%。因此，刀庫系統(tǒng)(換刀裝置)、托盤交換裝置和工作臺的故障是當前需要重點解決的問題，也是提高可交換工作臺加工中心可靠性的關(guān)鍵部位所在。

2 可交換工作臺加工中心的故障模式和故障原因分析

2.1 加工中心的故障模式分析

在分析產(chǎn)品故障時，一般從產(chǎn)品的故障模式入手，通過故障模式找出故障原因和故障機理，故障模式不僅是故障原因分析的依據(jù)，也是進行可靠性設計的基礎［3］。

加工中心故障模式可以分為:零部件損壞型;元器件損壞型;動作型;控制型及滲漏型等。表2是加工中心故障模式統(tǒng)計表，圖2為加工中心故障模式頻率圖。

表2 故障模式統(tǒng)計表

從表2故障模式頻率表和圖2故障模式頻率圖可以看出，該加工中心最頻繁的故障模式為:零部件損壞型(30.93%)、元器件損壞型(20.34%)、動作型(24.15%)。其中損壞型故障占全部故障的51%，由此可以看出，損壞型的故障模式是最常發(fā)生的，應特別給予重視。

2.2 加工中心故障原因分析

在進行加工中心的可靠性研究中，僅僅研究分析其發(fā)生的故障模式還不能解決根本的問題，必須深入研究分析其發(fā)生故障的根本原因。因此，為了使加工中心的可靠性有實質(zhì)性的提高，就必須深入分析產(chǎn)生每個故障的原因，這樣才能更加準確的分析出故障發(fā)生的機理，并對此采取有利的針對性措施，從而減少加工中心的故障發(fā)生率［4］。

加工中心故障原因可以分為:設計因素(包括自身設計缺陷、可靠性設計實施不完善等);裝配調(diào)試因素;外購件不合格;軟件因素及人為因素等。表3是加工中心故障原因統(tǒng)計表，圖3為加工中心故障原因頻率圖。

表3 加工中心故障原因統(tǒng)計

由故障原因頻率表3和故障原因頻率圖3可以看出，加工中心最頻繁的故障原因是外購件不合格(47.46%)、裝配調(diào)試(36.44%)、人為因素(6.78%)、設計因素(6%)等。應對這些故障原因給予重視，并從這幾方面采取相應的措施來提高加工中心的可靠性。

3 提高加工中心可靠性的措施

通過以上的故障分析可知:該公司目前生產(chǎn)的臥式加工中心主要故障部位為換刀裝置、工作臺、托盤交換裝置，其次為主軸系統(tǒng)、進給系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等。而排屑系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)發(fā)生故障的次數(shù)比較少。因此，欲提高臥式加工中心的可靠性，須以換刀裝置、工作臺、托盤交換裝置和主軸系統(tǒng)為重點突破對象，兼顧其他子系統(tǒng)，針對各子系統(tǒng)的故障模式和故障原因，從設計、制造、采購、試驗、管理制度等方面全方位采取措施。

3.1 提高產(chǎn)品的制造和裝配質(zhì)量

可靠性是制造出來的?？煽啃愿叩团c裝配質(zhì)量控制直接有關(guān)，如果制造、裝配過程不注重細節(jié)，裝配工藝不合理，忽視過程檢驗和監(jiān)控，就會導致早期故障率高。因此建議:

(1)加強對安裝人員的培訓工作，減少或避免因裝配不當而造成的信號不穩(wěn)定現(xiàn)象;

(2)裝配過程中應對液壓系統(tǒng)進行保壓實驗，以降低液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率;

(3)裝配工藝合理化，如加強對絲杠的預緊分析、導軌兩個方向的平行度、軸承座和絲杠螺母座的同軸度等;

(4)除精度檢驗之外，應該加強有關(guān)物理數(shù)據(jù)的支撐。

3.2 建議選用質(zhì)量好的配套件

由于高速加工中心生產(chǎn)過程中，許多部件需要依賴于外購，隨著外購件數(shù)量的不斷增加，外購件質(zhì)量對加工中心產(chǎn)品整體質(zhì)量的影響也隨之擴大。由于外購件質(zhì)量的好壞所帶來的損失主要還是要由企業(yè)自身來承擔，所以研究如何提高外購件質(zhì)量控制對于整個加工中心產(chǎn)品質(zhì)量的保證和企業(yè)利潤最大化的實現(xiàn)具有重要的意義。

機床配套件很多，配套件質(zhì)量問題也是令企業(yè)領導頭疼的事情。劣質(zhì)甚至假冒的配套件不易控制，部分企業(yè)常常沒有檢驗(進貨檢驗)配套件的手段，只能看配套件的標識或部分資料，不能完全了解配套件的品質(zhì)，這是其一;其二，企業(yè)為了降低成本、追求利潤最大化，對外購配套件使用了便宜的配件，使不符合要求的配套件流入生產(chǎn)流程中。因此建議:

(1)加強對配套件供方的選擇。對供方進行可靠性評價并形成《合格供方名錄》檔案，并適時進行評價和篩選;對相關(guān)采購產(chǎn)品的供方質(zhì)保能力調(diào)查、評審，了解供方在其他顧客和行業(yè)中的地位和所起的作用，保證采購外購件在質(zhì)量和可靠性要求、交付和服務等方面符合規(guī)定要求，從而保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

(2)對進貨產(chǎn)品進行質(zhì)量檢驗分析。加強對進貨產(chǎn)品的檢驗手段，對于供方有能力提供外購件或外協(xié)件可靠性數(shù)據(jù)的由供方出具可靠性檢測表，供方無能力提供外購件或外協(xié)件可靠性數(shù)據(jù)的，由技術(shù)中心制定外購件和外協(xié)件可靠性試驗方案、規(guī)范，進行可靠性測試評價，以確保外購件的質(zhì)量。

從以上分析可以看出，我們國家配套件的整體質(zhì)量相對較差，因此應該在整個行業(yè)對配套件進行產(chǎn)品質(zhì)量的控制，提高配套件行業(yè)的整體質(zhì)量。

3.3 建立早期故障試驗制度

目前，某些臥式加工中心可靠性水平偏低的原因之一是未能有效地排除早期故障欲提高臥式加工中心的可靠性，除在機床設計、制造、采購方面采取有力措施外，在產(chǎn)品出廠前必須進行嚴格的早期故障試驗，以排除機床早期故障，避免將早期故障帶到用戶現(xiàn)場。具體采取的措施主要如下:

(1)建立刀庫系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)的可靠性試驗臺，總裝前對其進行可靠性試驗，確保刀庫系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)具備較高的可靠性;

(2)電氣柜在總裝前，進行公路顛簸試驗，消除其松、脫、虛焊等隱患;

(3)機床在出廠前進行連續(xù)空運轉(zhuǎn)試驗和加載可靠性試驗，以期徹底消除機床早期故障［5］。

3.4 提高產(chǎn)品可靠性設計水平

可靠性也是設計出來的，設計人員不僅要學會測繪，還要學會可靠性預計，對機床各個零部件工作環(huán)境和應力狀態(tài)進行分析、評估和MTBF預計，這樣才能了解所設計的產(chǎn)品可靠性情況。但是我們的多數(shù)企業(yè)在產(chǎn)品設計時，往往是憑經(jīng)驗和以前的設計資料照搬或模仿，很少考慮可靠性問題，故障分析更是無從談起，這樣會大大影響到產(chǎn)品的可靠性。

在產(chǎn)品設計中，應該對產(chǎn)品的可靠性進行分析，找出影響其可靠性的主要因素，從而進行可靠性計算、分配，校核及預測，以此指導產(chǎn)品的可靠性設計，提出相應的增長措施，從而保證產(chǎn)品設計過程中的可靠性增長［6］。

3.5 加強可靠性管理制度

從加工中心故障原因的分析可以看出，人為因素在整個故障中占有不小的比例，如機床廠的管理人員或工程技術(shù)人員可靠性意識薄弱或可靠性素質(zhì)缺乏，在產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)＇過程中，由人的主觀因素埋下隱患;當然也可能由于售后服務指導不到位或用戶使用和維護不當，造成人為隱患。因此，為提高機床的可靠性管理水平，促進可靠性管理體系的改進和完善，持續(xù)穩(wěn)定地提供顧客滿意的機床，機床生產(chǎn)廠家應制定可靠性保證體系，作為實施產(chǎn)品可靠性活動的工作準則和行為，并要求全體員工必須認真貫徹執(zhí)行［7］。

4 結(jié)語

通過分析現(xiàn)場采集的加工中心故障數(shù)據(jù)，對加工中心的整機進行故障模式、故障部位以及故障原因的分析，得出影響該系列加工中心主要的故障原因，并進一步提出了提高加工中心可靠性的主要措施。

提高加工中心可靠性是一項系統(tǒng)工程，需要國內(nèi)機床制造廠家、配套廠家、可靠性研究機構(gòu)及廣大用戶高度重視，通力合作，不斷完善來自用戶現(xiàn)場的機床故障數(shù)據(jù)庫，建立完善的可靠性保障制度，從各個方面切實有效地采取提高產(chǎn)品可靠性的措施。相信通過持續(xù)不斷的努力，國產(chǎn)數(shù)控機床的可靠性定能獲得大幅度的提高，使其在日益加劇的市場環(huán)境中提高競爭力。

［1］唐珂.數(shù)控沖床可靠性關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.長春:吉林大學，2006.

［2］肖俊，胡偉，魯志政，等.數(shù)控車床故障率的可靠性分析［J］.現(xiàn)代制造工程，2006(12):34－36.

［3］王昕，呂長松.數(shù)控車床故障分析與提高可靠性的措施［J］.機床與液壓，2008，36(9):163－166.

［4］楊志偉，任工昌，孟勃敏.加工中心故障模式的可靠性分析［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2011(10):10－16.

［5］馬仕明，楊文通，劉志峰.基于ANSYS的大型數(shù)控機床大扭矩、大功率B擺角銑頭模態(tài)分析［J］.機械設計與制造，2008(1):156－158.

［6］賈亞洲.提高數(shù)控機床可靠性加快振興裝備制造業(yè)的關(guān)鍵［J］.中國制造業(yè)信息化，2006(5):42－43.

［7］趙建英.數(shù)控機床可靠性的評定與提高途徑［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2009(11):143－145.