可交換工作臺(tái)加工中心故障模式的可靠性分析*

段廣云 茍衛(wèi)東 黃永玉

(①青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青海西寧 810016;②青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司，青海西寧 810016)

可交換工作臺(tái)加工中心是一種具有數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的高效、高性能的數(shù)控機(jī)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(kuò)大機(jī)床的加工范圍。機(jī)械設(shè)備的功能水平及自動(dòng)化程度愈高，結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，使用時(shí)發(fā)生故障的可能性就愈大。為了提高可靠性，必須進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，這就要求對系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性及部位進(jìn)行分析，找出其薄弱環(huán)節(jié)，從而為可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。鑒于可交換工作臺(tái)加工中心強(qiáng)大的加工能力和較寬的工藝范圍，對其進(jìn)行故障模式的可靠性分析具有很重要的實(shí)際意義［1～2］。

本文以某機(jī)床廠生產(chǎn)的可交換工作臺(tái)加工中心為研究對象，根據(jù)跟蹤收集的近二百臺(tái)可交換工作臺(tái)加工中心在實(shí)際使用過程中的故障數(shù)據(jù)，對這些故障數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)床整機(jī)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(tái)加工中心的故障部位分析

1.1 故障統(tǒng)計(jì)

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

1.2 故障部位分析

加工中心是機(jī)電集成化產(chǎn)品，所出現(xiàn)的故障可以劃分到各個(gè)單元(系統(tǒng))，一般可以分為:主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、工作臺(tái)、刀庫系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)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(jī)床防護(hù)等多個(gè)部分。表1是所調(diào)查機(jī)床的故障模式統(tǒng)計(jì)。圖1是162臺(tái)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(jì)

從圖1可以看出，在可交換工作臺(tái)加工中心的各類故障中，自動(dòng)換刀裝置、托盤交換裝置和工作臺(tái)故障率位居前三，分別占20.33%、17.37%和16.53%，這3個(gè)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(dòng)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(tái)的故障是當(dāng)前需要重點(diǎn)解決的問題，也是提高可交換工作臺(tái)加工中心可靠性的關(guān)鍵部位所在。

2 可交換工作臺(tái)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(shí)，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(jī)理，故障模式不僅是故障原因分析的依據(jù)，也是進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)［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(dòng)作型;控制型及滲漏型等。表2是加工中心故障模式統(tǒng)計(jì)表，圖2為加工中心故障模式頻率圖。

表2 故障模式統(tǒng)計(jì)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(dòng)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(yīng)特別給予重視。

2.2 加工中心故障原因分析

在進(jìn)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(shí)質(zhì)性的提高，就必須深入分析產(chǎn)生每個(gè)故障的原因，這樣才能更加準(zhǔn)確的分析出故障發(fā)生的機(jī)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(shè)計(jì)因素(包括自身設(shè)計(jì)缺陷、可靠性設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)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(jì)

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(shè)計(jì)因素(6%)等。應(yīng)對這些故障原因給予重視，并從這幾方面采取相應(yīng)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(tái)、托盤交換裝置，其次為主軸系統(tǒng)、進(jìn)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(dòng)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(tái)、托盤交換裝置和主軸系統(tǒng)為重點(diǎn)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(shè)計(jì)、制造、采購、試驗(yàn)、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(xì)節(jié)，裝配工藝不合理，忽視過程檢驗(yàn)和監(jiān)控，就會(huì)導(dǎo)致早期故障率高。因此建議:

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

(2)裝配過程中應(yīng)對液壓系統(tǒng)進(jìn)行保壓實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)對絲杠的預(yù)緊分析、導(dǎo)軌兩個(gè)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(yàn)之外，應(yīng)該加強(qiáng)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?dāng)U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(dān)，所以研究如何提高外購件質(zhì)量控制對于整個(gè)加工中心產(chǎn)品質(zhì)量的保證和企業(yè)利潤最大化的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。

機(jī)床配套件很多，配套件質(zhì)量問題也是令企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)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(yàn)(進(jìn)貨檢驗(yàn))配套件的手段，只能看配套件的標(biāo)識(shí)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(qiáng)對配套件供方的選擇。對供方進(jìn)行可靠性評價(jià)并形成《合格供方名錄》檔案，并適時(shí)進(jìn)行評價(jià)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?fù)赓徏谫|(zhì)量和可靠性要求、交付和服務(wù)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(jìn)貨產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)分析。加強(qiáng)對進(jìn)貨產(chǎn)品的檢驗(yàn)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(yàn)方案、規(guī)范，進(jìn)行可靠性測試評價(jià)，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(yīng)該在整個(gè)行業(yè)對配套件進(jìn)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(yàn)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(jī)床設(shè)計(jì)、制造、采購方面采取有力措施外，在產(chǎn)品出廠前必須進(jìn)行嚴(yán)格的早期故障試驗(yàn)，以排除機(jī)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(yàn)臺(tái)，總裝前對其進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，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(jìn)行公路顛簸試驗(yàn)，消除其松、脫、虛焊等隱患;

(3)機(jī)床在出廠前進(jìn)行連續(xù)空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)和加載可靠性試驗(yàn)，以期徹底消除機(jī)床早期故障［5］。

3.4 提高產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)水平

可靠性也是設(shè)計(jì)出來的，設(shè)計(jì)人員不僅要學(xué)會(huì)測繪，還要學(xué)會(huì)可靠性預(yù)計(jì)，對機(jī)床各個(gè)零部件工作環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析、評估和MTBF預(yù)計(jì)，這樣才能了解所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)，往往是憑經(jīng)驗(yàn)和以前的設(shè)計(jì)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(huì)大大影響到產(chǎn)品的可靠性。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，應(yīng)該對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行分析，找出影響其可靠性的主要因素，從而進(jìn)行可靠性計(jì)算、分配，校核及預(yù)測，以此指導(dǎo)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)，提出相應(yīng)的增長措施，從而保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的可靠性增長［6］。

3.5 加強(qiáng)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(gè)故障中占有不小的比例，如機(jī)床廠的管理人員或工程技術(shù)人員可靠性意識(shí)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(dāng)然也可能由于售后服務(wù)指導(dǎo)不到位或用戶使用和維護(hù)不當(dāng)，造成人為隱患。因此，為提高機(jī)床的可靠性管理水平，促進(jìn)可靠性管理體系的改進(jìn)和完善，持續(xù)穩(wěn)定地提供顧客滿意的機(jī)床，機(jī)床生產(chǎn)廠家應(yīng)制定可靠性保證體系，作為實(shí)施產(chǎn)品可靠性活動(dòng)的工作準(zhǔn)則和行為，并要求全體員工必須認(rèn)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(jī)進(jìn)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(jìn)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(xiàng)系統(tǒng)工程，需要國內(nèi)機(jī)床制造廠家、配套廠家、可靠性研究機(jī)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(jī)床故障數(shù)據(jù)庫，建立完善的可靠性保障制度，從各個(gè)方面切實(shí)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(jī)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。

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