林鵬， 張希芳， 吳迪

（1.中捷機床有限公司,沈陽 110142；2.沈陽機床股份有限公司數(shù)控刀架分公司,沈陽 110142）

0 引 言

龍門五軸加工中心是飛機等大型復雜結(jié)構(gòu)件和大型航空零件模具的主要加工設備。加工能力、效率和可靠性是評價龍門五軸加工中心的主要指標。如圖1為中捷機床有限公式設計制造的某GMC2550型龍門五軸加工中心，該加工中心由立柱、橫梁、滑板、滑枕組成。橫梁在立柱上沿X軸方向移動；滑板在橫梁上沿Y軸方向移動；滑枕在滑板上，主軸沿Z軸方向移動。主軸安裝在滑枕上，端部安裝有AC雙擺頭實現(xiàn)兩個旋轉(zhuǎn)軸的動作。

用時間來評價機床的可靠性屬于典型的可靠性評價方法，理論成熟。平均故障間隔時間，即MTBF（Mean Time Between Failure），是指系統(tǒng)連續(xù)發(fā)生兩次故障之間的平均工作時間，是當前國內(nèi)外公認的可靠性評價指標。MTBF值對數(shù)控機床的可靠性評價有非常重要的意義[1-7]。

1 可靠性試驗設計

如圖2所示，為某高速龍門五軸加工中心的產(chǎn)品可靠性試驗的試驗方法流程圖。試驗過程主要包括：機床預運行、精度及參數(shù)指標檢測、XY軸加載試驗、主軸加載試驗、空轉(zhuǎn)加速試驗等過程。

圖1 GMC2550型龍門五軸加工中心

圖2 試驗流程設計

2 精度及參數(shù)檢測

2.1 機床精度和快移速度檢測

幾何精度的檢驗項[8-10]包括主軸端部徑向跳動、主軸軸線的平行度、Z軸與X軸的垂直度、Z軸與Y軸的垂直度。檢測階段包括首次檢測、X軸加載完畢檢測、Y軸加載完畢檢測、Z軸加載完畢檢測、主軸加載完畢檢測。檢驗方法參照《GB/T 17421.1-1998機床檢驗通則 第1部分：在無負荷或精加工條件下機床的幾何精度》（eqv ISO 230-1:1996）。

位置精度包括XY軸定位精度和重復定位精度，同時檢測雙向、單項定位精度和重復定位精度，評定按雙向評定。檢驗方法參照《GB/T 17421.2-2000機床檢驗通則第2部分：數(shù)控軸線的定位精度和重復定位精度的確定》（eqv ISO 230-2:1997）。

采用激光干涉儀測量各軸的快速移動速度，并按設計要求進行評定。

2.2 典型試件加工試驗

按切削規(guī)范要求對樣機進行工作精度切削試驗，以驗證精度可靠性。工件示意圖如圖3所示，數(shù)據(jù)視情況而定?？紤]到實際工作關(guān)系，試驗中可僅加工一個試件。

圖3 典型加工試件

典型加工試件的檢驗包括：中心孔的圓柱度，中心軸線與基面A的垂直度；正四方形的側(cè)面直線度，相鄰面與基面B的垂直度，相對面與基面B的垂直度；菱形側(cè)面的直線度，側(cè)面對基面B的傾斜度；圓的圓度，外圓與內(nèi)孔圓C的同軸度；斜面的直線度，3°角斜面對B面的傾斜度；鏜孔相對于內(nèi)孔C的位置度，內(nèi)孔與外孔D的同心度。

3 加載和空載試驗

3.1 XY軸加載試驗

在主軸運轉(zhuǎn)條件下，分別對XY軸反復施加軸向力，考核動作可靠性；在機床空運行下，考核機床換刀、工作臺快移和交換動作的可靠性；檢查記錄故障數(shù)、分析故障原因；記錄加載時間、機床運行時間和相關(guān)幾何精度。加載力可選0.75倍的最大軸向抗力，加載時的進給速度大于300 mm/min，各軸空運行和加載工作累計時間約分別為48 h。

3.2 主軸加載試驗

在主軸恒轉(zhuǎn)矩階段對主軸進行轉(zhuǎn)矩加載；在加載階段記錄故障、加載時間和試驗時間；試驗結(jié)束后檢查幾何精度和XY位置精度。加載試驗主軸轉(zhuǎn)速不低于200 r/min，每次加載時長3 min，試驗時間大于48 h，保證加載時間16 h。

3.3 空轉(zhuǎn)加速試驗

針對機床的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，增加對刀庫的換刀運動、移動部件和主軸的高速運行時間和次數(shù)，并增加冷卻液體的噴射量，達到加速試驗的目的。機床連續(xù)運轉(zhuǎn)時間不低于24 h，動作包括主軸高低速旋轉(zhuǎn)、換刀、各軸快移定位、插補、鉆孔攻絲銑平面模擬等。

3.4 試驗結(jié)果總匯

可靠性試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖4 X軸加載試驗

表1 可靠性試驗結(jié)果匯總

式中：m為MTBF的點估計值；n為檢測樣機數(shù)；ti為評定周期內(nèi)第i臺樣機的累積工作時間，h；ri為評定周期內(nèi)第i臺樣機的累積故障數(shù)；N為樣機累積故障總數(shù)。

如果到定時截尾試驗時間，機床沒有出現(xiàn)故障，則MTBF為

式中，α′為置信水平。

4 結(jié)論

提出龍門五軸加工中心可靠性試驗的總體試驗流程及方法。歸納了龍門五軸加工中心可靠性試驗幾何精度、位置精度、運動參數(shù)、典型試件加工的評定方法。設計了XY軸的加載試驗、主軸的加載試驗、空轉(zhuǎn)加速試驗。

對某GMC2550型龍門五軸加工中心進行可靠性試驗，利用試驗數(shù)據(jù)計算其可靠性指標的平均故障間隔時間MTBF。經(jīng)計算其平均故障間隔時間MTBF為921.3 h，滿足設計要求900 h的可靠性指標。

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