数控转台作为加工中心的重要功能部件,主要实现加工时的旋转分度和z向进给。相比于其他功能部件,转台处在加工区域,受切削液、工件切屑和切削力的影响,工作环境十分恶劣,容易导致故障的发生和旋转精度的过快衰减,是影响国产加工中心可靠性的重要因素。王桂萍等[1]在数控机床可靠性故障分析和处理这方面的研究较为深入。
可靠性强化试验[2]的目的是在较短的试验时间内激发出故障,该技术最早源自20世纪50年代的老化试验,其理论依据是故障物理学,通过对故障或失效的研究,发现和根治故障以达到提高可靠性的目的。在国外,可靠性强化试验在电子产品和机电产品的应用和推广使得产品的可靠性得到很大的提高,Gusciora[3]对电子设备采用了高加速寿命试验并获得满意的结果,Nelson[4]在统计模型、试验剖面和数据采集与分析等方面开展了大量的工作。国内的可靠性强化试验因为受到试验方法和试验设备的限制还处于探索阶段[5]。文献[6]研究了小型潜水泵的可靠性强化试验的方法,但该技术在数控机床可靠性试验方面的应用研究很少。本文将可靠性强化试验技术应用于数控机床,目的是在比较短的时间内找出并消除故障,提高整机的可靠性。
1转台的故障数据分析和加速因子的选择
1.1故障模式失效分析
试验选取的数控转台是国产某系列加工中心的连续分度转台(图1)。电动机通过齿形带带动蜗杆转动,蜗轮蜗杆传动使得数控转台的回转体相对轴心转动以实现360曘的分度。在转台底部的圆光栅全闭环控制转台的回转精度为0.001曘,从而实现四轴联动时零件的高精度加工。4个拉钉拉爪机构把两工位工作台锁紧在转台上,4个夹紧油缸在无联动加工时固定转台回转体,以抵抗加工时由切削力导致转台转动所引起的加工误差。罩壳通过螺钉与转台主体连接,并将转台的内部架构与外部加工区域的恶劣工作环境分隔开。
从收集到的机床用户使用和维修记录的数据中分析得到该系列结构的数控转台主要故障模式,见表1,其中,液、气、油渗漏主要表现为切削液从罩壳和转台结合处渗漏到转台内部、液压油在液压元器件的内泄和管接头的外泄。
在对上述主要故障模式进行故障树分析和故障模式及影响分析后作出以下理论假设:
(1)切削液渗漏的主要原因是罩壳的防水性能太差。切削液从罩壳与转台的结合处渗入转台内部,从而引起转台轴承润滑脂的流失,使得轴承滚动体和滚道锈蚀从而造成轴承的非正常损坏;切削液中的杂质进一步磨损轴承,加速转台内部零部件的损坏,导致数控转台回转精度衰退过快和转动时的异响。切削液渗漏到转台内部还会腐蚀接近开关和圆光栅尺等电子元器件,使它们容易发出错误信号。
(2)液压系统的管路接头外泄和自制夹紧缸的内泄情况较多。这是因为液压零部件自身的加工质量不高,外加装配工艺难以有效地控制装配质量从而使得外泄现象频发;自制夹紧缸和活塞的公差因为加工误差和装配不当很难达到设计要求,配合间隙过小使得活塞磨损加剧,配合间隙过大会发生液压油的内泄。
(3)工作台轴向精度在加工过程中变化明显。这是因为转台在四轴联动加工时,转台传动链中的蜗轮蜗杆副摩擦产生大量的热,造成转台整体在轴向有较大的热变形,转台停止转动后,温度下降,轴向精度恢复。
以上失效模式影响分析假设了转台的主要故障原因,这些诱因应该纳入可靠性强化试验的重点试验内容,通过试验找出其真正的失效机理并提出改进措施,从根本上进行故障的消除;其他的故障模式因为没有表现出规律性,所以被认为是偶然故障。
1.2确定加速因子
加速因子[7]的选择必须考虑两点:一是加速因子可以充分有效地暴露出正常使用时的故障;二是加速因子的应力水平不会改变受试产品的失效机理。对加速因子在试验中激发出的故障应该深入分析,找出故障的失效机理[8],若确定的加速因子激发出的故障已经改变了产品在正常使用时的失效机理,则应该给予纠正。本次试验通过数控转台的故障模式影响分析,初步选定的加速因子为切削液的流量、转台的负载、转台的转速和液压系统的压力。
增大切削液的流量可以加快转台罩壳密封的失效,找到渗漏的部位并从结构上分析罩壳上螺栓孔的位置以及结合面密封的合理性,提出改进措施。
转台的负载和转速可以考核由电动机、齿形皮带轮和蜗轮蜗杆副组成的传动系统的可靠性,其中,蜗轮蜗杆副会因负载重量的增加和转台转速的提高而使摩擦力矩增大,从而产生大量的热,使得蜗轮蜗杆啮合处发生热变形,加上转台内部缺乏散热措施,致使转台基座和回转体温度上升,从而使转台在轴向发生热变形,转台轴向精度变化较大。
在不改变失效机理的前提下提高液压系统的压力,可以暴露出液压元器件的结构缺陷,加速内部细小裂纹的扩展,发现液压管路装配工艺的不足。
2失效判据和性能参数的监控
试验过程中为判断受试产品是否失效,需要对一些性能参数进行检测,实时监控可靠性强化试验中受试产品的功能和精度的变化情况。参考该加工中心出厂技术验收条件,拟定的监控项目见表2。在液压系统的分油块上安装压力传感器来检测液压压力的变化,判断是否有泄漏;在转台基座上沿x、y、z方向安装3个加速度传感器来检测转台振动信号,并分析信号的频率和振幅,实时监控转台内部结构尤其是轴承和蜗轮蜗杆副的运转状况;在如图2所示的转台轴承注油孔处放置热电偶传感器,对转台轴承温度进行监测;在托盘中心安装三爪卡盘,并将芯棒固定在三爪卡盘内(保持同轴度在0.01mm以内),试验过程中每2h检测托盘的轴向(芯轴上端面)热位移。
数控转台的失效判据分为功能判据和性能判据,在技术上可以量化的指标(包括回转精度、转速、液压压力等)参数变化超出正常范围的属于性能失效;转台不能转动、加紧和泄漏等属于功能失效;转台部分正常性能参数的范围见表3。试验中监控的性能参数如果超出工作范围即判断为失效。对于没有参数规定而只有功能规定的部件,当其无法正常工作时即判为失效,主要失效表现为夹紧缸无法夹紧、转台不转动或转动不到位、液压元器件损坏、液压油泄漏、转动时异响。
3转台可靠性强化试验方案
3.1加速因子的类型和水平
(1)切削液的体积流量qV。在正常使用的基础上增加20%的流量,充分模拟加工环境,调节喷嘴的喷射方向以尽量让切削液喷到转台台面的所有范围。
(2)转台的负载G。按照最大设计极限在工作台上加载1500kg的载荷块。
(3)转台的转速n。转台的设计转速范围为0~10r/min,在试验时选取最高转速10r/min。
(4)液压压力p。液压系统的正常压力范围为5.5~6.5MPa,强化试验时提高到7.5MPa,在不改变液压系统失效机理的基础上充分暴露液压系统的故障。
环境温度、湿度、电压等环境参数和正常使用时相同。
3.2强化试验综合应力剖面
按照文献[9]中试验剖面的制定方法,数控转台的可靠性强化试验综合应力剖面是模拟加工过程中转台的旋转分度、到位停止、夹紧缸夹紧、夹紧缸放松等动作。在综合加速应力下进行上述动作的循环,转台的动作时序循环见图3;通过设置4种不同的旋转角度α1、α2、α3、α4来覆盖转台的分度范围,旋转的方式分为连续的正转、反转和正反转交替,实现转台的多种分度。数控转台的可靠性强化试验综合应力剖面如图4所示,整个强化试验综合应力剖面包含了综合应力的类型、水平和持续时间,以及4个夹紧缸的夹紧和放松的时刻和持续时间、转台转动的角度和方向。转动设置角度所需的时间由角度大小决定,在图4中来准确反映。根据该液压系统的反应特性在数控系统中设置夹紧和放松的延迟时间;综合应力剖面相关参数见表4。
4试验结果分析
按照上述试验剖面的参数设置,总共对3个数控转台同时进行了750h的可靠性强化试验,3个转台因性能参数超出正常范围和部分功能失效,依次在第78h、210h、325h、439h、514h、593h、746h发生了故障,故障现象和分析见表5。对强化试验的故障进行分析后,发现了数控
转台的故障薄弱点是罩壳的密封不可靠、蜗轮蜗杆副的温升和磨损、液压系统的渗漏,并针对具体的故障现象找到了故障原因,从设计、制造和装配这三方面提出具体的改进措施来消除该系列数控转台的缺陷。
5结论
(1)该可靠性强化试验达到了预期目的,选取的加速因子有效地激发了潜在故障。验证了试验前的故障模式影响的理论分析,为产品的可靠性设计和结构改进提供了现实依据。
(2)成功地将可靠性强化试验引入到数控机床的可靠性研究中,其他的功能部件和整机的可靠性试验可以借鉴该经验。