姚銀歌，張 濤，朱宇騰，王廣輝，俞 蓬

（洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039）

0 引言

電主軸產(chǎn)品作為機(jī)床功能核心部件，相當(dāng)于機(jī)床的心臟，其重要程度不言而喻。因此，對(duì)電主軸進(jìn)行可靠性分析尤為重要。借鑒航天、航空、艦船、汽車(chē)、醫(yī)療等領(lǐng)域常用的失效模式及影響分析（FMEA），分析電主軸系統(tǒng)的潛在失效模式及后果，以期提高電主軸可靠性，從而保證電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

吳明陽(yáng)等[1]通過(guò)仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究系統(tǒng)冷卻能力，提出螺旋優(yōu)于循環(huán)冷卻系統(tǒng)；聶萌[2]利用獲取的主軸故障數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸從可靠性建模、故障分析、可靠性分配及提高可靠性措施進(jìn)行分析。還有其他諸多關(guān)于電主軸可靠性研究的文獻(xiàn)，這些文獻(xiàn)大多從理論設(shè)計(jì)或者故障分析角度對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，電主軸的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與質(zhì)量控制相結(jié)合的可靠性分析較少。本文通過(guò)在電主軸設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，運(yùn)用D－FMEA、P－FMEA分析方法，將設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與質(zhì)量控制相結(jié)合，對(duì)電主軸冷卻系統(tǒng)進(jìn)行潛在失效模式及后果影響分析，分析出影響冷卻系統(tǒng)可靠性的因素為冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)表面磨削質(zhì)量，并采取預(yù)防控制措施，為電主軸其他部分功能可靠性的設(shè)計(jì)提供了參考，對(duì)電主軸整體可靠性設(shè)計(jì)的提高具有重大意義。

1 FMEA及電主軸各系統(tǒng)

1.1 FMEA

FMEA是失效模式及影響分析（Failure Mode and Ef?fects Analysis），其作為可靠性分析的一種方法，自20世紀(jì)50年代初，美國(guó)格魯門(mén)飛機(jī)公司初次應(yīng)用于研制飛機(jī)主操作系統(tǒng)并取得良好效果后，廣泛應(yīng)用于軍用系統(tǒng)，逐漸滲透到機(jī)械、汽車(chē)、醫(yī)療設(shè)備等民用工業(yè)領(lǐng)域中。QS9000將其作為設(shè)計(jì)與過(guò)程分析的方法和認(rèn)證要求；ISO9004將其作為對(duì)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)產(chǎn)品和過(guò)程的確認(rèn)并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。FMEA的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛[3]。

1.2 電主軸

電主軸主要由冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)3大系統(tǒng)組成，這3大系統(tǒng)是高速電主軸不可或缺的系統(tǒng)，必須將其作為研發(fā)和生產(chǎn)制造的重點(diǎn)內(nèi)容考慮。電主軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電主軸結(jié)構(gòu)

冷卻系統(tǒng)的作用是通過(guò)循環(huán)的冷卻水帶走電主軸工作時(shí)電機(jī)及軸承產(chǎn)生的熱量，使主軸穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。冷卻系統(tǒng)由后蓋、殼體和水套組合件、前大蓋和前軸承座組合件組成。冷卻系統(tǒng)工作時(shí)，溫度在18~22℃的冷卻水先通過(guò)后蓋的接咀通入電機(jī)冷卻腔（殼體和水套組合件構(gòu)成），帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量后，進(jìn)入主軸前端的軸承冷卻腔（前大蓋和軸承座構(gòu)成），再帶走軸承產(chǎn)生的熱量，冷卻水回到水冷機(jī)內(nèi)，如此循環(huán)帶走電主軸本體產(chǎn)生的熱量，保證主軸的正常運(yùn)行[4]。

潤(rùn)滑系統(tǒng)一般有油脂、油霧、油氣3種。油脂潤(rùn)滑是將適合的潤(rùn)滑脂涂抹至軸承溝道內(nèi)，該潤(rùn)滑方式清潔簡(jiǎn)單，不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)潤(rùn)滑系統(tǒng)。油霧及油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)基本一致，目的都是將潤(rùn)滑油輸送至軸承滾道內(nèi)，軸承工作時(shí)起到良好的潤(rùn)滑作用。常見(jiàn)的油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 電主軸潤(rùn)滑系統(tǒng)

主軸工作時(shí)，轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸上所有的旋轉(zhuǎn)件構(gòu)成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)如圖1所示。

2 冷卻系統(tǒng)FMEA分析

主軸在正常工作時(shí)，若冷卻系統(tǒng)發(fā)生泄漏，冷卻液進(jìn)入主軸內(nèi)部，將造成軸承精度喪失，電機(jī)絕緣性能下降，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)安全事故。因此，主軸冷卻系統(tǒng)在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)制造及產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)節(jié)至關(guān)重要。主軸在生產(chǎn)制造階段，冷卻系統(tǒng)的試漏工序是重要的質(zhì)量控制點(diǎn)，100%檢測(cè)，且不允許讓步接收。故以冷卻系統(tǒng)中電機(jī)冷卻部分為例，進(jìn)行FE?MA分析，驗(yàn)證有成效后，其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工藝可參考實(shí)施。

表2 電主軸產(chǎn)品故障原因頻度準(zhǔn)則

表3 電主軸產(chǎn)品故障原因探測(cè)度準(zhǔn)則

2.1 D－FMEA設(shè)計(jì)潛在失效模式及后果分析

對(duì)嚴(yán)重度（S）、發(fā)生的頻度（O）和檢測(cè)度（D）制定準(zhǔn)則表，如表1~3所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，制定接受準(zhǔn)則：S＜7，RPN＜100。

表1 電主軸產(chǎn)品故障失效后果嚴(yán)重度準(zhǔn)則

分析制定D－FMEA表，如表4所示。對(duì)S≥7或RPN≥100的故障模式原因，制定改進(jìn)措施，在采取行動(dòng)之后，根據(jù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，重新確定S、O、D值，并重新計(jì)算RPN值，以評(píng)估所采取行動(dòng)的效果，當(dāng)RPN不符合接受準(zhǔn)則時(shí)，需要重新改進(jìn)，直到符合接受準(zhǔn)則[5]。從表中可以看出，冷卻水腔的配合面形位公差要求低，存在潛在的導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)，RPN=120。制定改進(jìn)措施為提高配合面形位公差（圓度、圓柱度、粗糙度），重新計(jì)算RPN=36，該措施可有效解決該問(wèn)題。提高配合面形位公差應(yīng)在工藝過(guò)程階段的P－FMEA中給予重點(diǎn)關(guān)注。

表4 ××型號(hào)電主軸電機(jī)冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)潛在故障失效模式及后果分析（DFMEA）

表5 ××型號(hào)過(guò)程潛在失效模式及后果分析

2.2 P－FMEA過(guò)程潛在失效模式及后果分析

電機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)程實(shí)現(xiàn)原理：利用“熱脹冷縮”的原理，加熱包容件，將過(guò)盈配合的兩個(gè)零件(殼體和水套)連接起來(lái)，形成可循環(huán)的封閉水腔。熱壓過(guò)程不可逆。

對(duì)殼體和水套的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行P－FMEA(準(zhǔn)則表不再一一列舉)，如表5所示，以提升過(guò)程質(zhì)量。從表中可以看出，內(nèi)磨工序RPN=120，產(chǎn)生不合格的風(fēng)險(xiǎn)較大，與D－FMEA分析結(jié)果相一致。從工藝及設(shè)計(jì)角度制定改進(jìn)措施，重新計(jì)算RPN值為90和48，理論上改進(jìn)有效。

2.3 FMEA可靠性驗(yàn)證

按照FMEA表制定改進(jìn)措施進(jìn)行實(shí)施，并統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程階段同類(lèi)產(chǎn)品試漏合格率。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，試漏合格率由上一年度同期82%提高至96%，提升14%，充分證明基于FMEA的冷卻系統(tǒng)可靠性分析效果顯著。用戶現(xiàn)場(chǎng)冷卻系統(tǒng)失效情況有待售后部門(mén)反饋，結(jié)果值得期待。

3 結(jié)束語(yǔ)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段結(jié)合質(zhì)量管理開(kāi)展FMEA活動(dòng)，可達(dá)到將潛在失效風(fēng)險(xiǎn)控制到最低，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本的目的。本文通過(guò)對(duì)電主軸冷卻系統(tǒng)進(jìn)行FMEA分析，梳理出設(shè)計(jì)和工藝過(guò)程存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)RPN指數(shù)高的項(xiàng)目制定改進(jìn)措施，生產(chǎn)過(guò)程取得了顯著的效果。該可靠性分析方法為電主軸其他系統(tǒng)功能可靠性的設(shè)計(jì)提供了參考，對(duì)電主軸整體可靠性設(shè)計(jì)的提高具有重大意義。