龙门五轴加工中心可靠性试验

林鹏， 张希芳， 吴迪

（1.中捷机床有限公司,沈阳 110142；2.沈阳机床股份有限公司数控刀架分公司,沈阳 110142）

0 引 言

龙门五轴加工中心是飞机等大型复杂结构件和大型航空零件模具的主要加工设备。加工能力、效率和可靠性是评价龙门五轴加工中心的主要指标。如图1为中捷机床有限公式设计制造的某GMC2550型龙门五轴加工中心，该加工中心由立柱、横梁、滑板、滑枕组成。横梁在立柱上沿X轴方向移动；滑板在横梁上沿Y轴方向移动；滑枕在滑板上，主轴沿Z轴方向移动。主轴安装在滑枕上，端部安装有AC双摆头实现两个旋转轴的动作。

用时间来评价机床的可靠性属于典型的可靠性评价方法，理论成熟。平均故障间隔时间，即MTBF（Mean Time Between Failure），是指系统连续发生两次故障之间的平均工作时间，是当前国内外公认的可靠性评价指标。MTBF值对数控机床的可靠性评价有非常重要的意义[1-7]。

1 可靠性试验设计

如图2所示，为某高速龙门五轴加工中心的产品可靠性试验的试验方法流程图。试验过程主要包括：机床预运行、精度及参数指标检测、XY轴加载试验、主轴加载试验、空转加速试验等过程。

图1 GMC2550型龙门五轴加工中心

图2 试验流程设计

2 精度及参数检测

2.1 机床精度和快移速度检测

几何精度的检验项[8-10]包括主轴端部径向跳动、主轴轴线的平行度、Z轴与X轴的垂直度、Z轴与Y轴的垂直度。检测阶段包括首次检测、X轴加载完毕检测、Y轴加载完毕检测、Z轴加载完毕检测、主轴加载完毕检测。检验方法参照《GB/T 17421.1-1998机床检验通则 第1部分：在无负荷或精加工条件下机床的几何精度》（eqv ISO 230-1:1996）。

位置精度包括XY轴定位精度和重复定位精度，同时检测双向、单项定位精度和重复定位精度，评定按双向评定。检验方法参照《GB/T 17421.2-2000机床检验通则第2部分：数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定》（eqv ISO 230-2:1997）。

采用激光干涉仪测量各轴的快速移动速度，并按设计要求进行评定。

2.2 典型试件加工试验

按切削规范要求对样机进行工作精度切削试验，以验证精度可靠性。工件示意图如图3所示，数据视情况而定。考虑到实际工作关系，试验中可仅加工一个试件。

图3 典型加工试件

典型加工试件的检验包括：中心孔的圆柱度，中心轴线与基面A的垂直度；正四方形的侧面直线度，相邻面与基面B的垂直度，相对面与基面B的垂直度；菱形侧面的直线度，侧面对基面B的倾斜度；圆的圆度，外圆与内孔圆C的同轴度；斜面的直线度，3°角斜面对B面的倾斜度；镗孔相对于内孔C的位置度，内孔与外孔D的同心度。

3 加载和空载试验

3.1 XY轴加载试验

在主轴运转条件下，分别对XY轴反复施加轴向力，考核动作可靠性；在机床空运行下，考核机床换刀、工作台快移和交换动作的可靠性；检查记录故障数、分析故障原因；记录加载时间、机床运行时间和相关几何精度。加载力可选0.75倍的最大轴向抗力，加载时的进给速度大于300 mm/min，各轴空运行和加载工作累计时间约分别为48 h。

3.2 主轴加载试验

在主轴恒转矩阶段对主轴进行转矩加载；在加载阶段记录故障、加载时间和试验时间；试验结束后检查几何精度和XY位置精度。加载试验主轴转速不低于200 r/min，每次加载时长3 min，试验时间大于48 h，保证加载时间16 h。

3.3 空转加速试验

针对机床的可靠性薄弱环节，增加对刀库的换刀运动、移动部件和主轴的高速运行时间和次数，并增加冷却液体的喷射量，达到加速试验的目的。机床连续运转时间不低于24 h，动作包括主轴高低速旋转、换刀、各轴快移定位、插补、钻孔攻丝铣平面模拟等。

3.4 试验结果总汇

可靠性试验结果汇总如表1所示。

图4 X轴加载试验

表1 可靠性试验结果汇总

式中：m为MTBF的点估计值；n为检测样机数；ti为评定周期内第i台样机的累积工作时间，h；ri为评定周期内第i台样机的累积故障数；N为样机累积故障总数。

如果到定时截尾试验时间，机床没有出现故障，则MTBF为

式中，α′为置信水平。

4 结论

提出龙门五轴加工中心可靠性试验的总体试验流程及方法。归纳了龙门五轴加工中心可靠性试验几何精度、位置精度、运动参数、典型试件加工的评定方法。设计了XY轴的加载试验、主轴的加载试验、空转加速试验。

对某GMC2550型龙门五轴加工中心进行可靠性试验，利用试验数据计算其可靠性指标的平均故障间隔时间MTBF。经计算其平均故障间隔时间MTBF为921.3 h，满足设计要求900 h的可靠性指标。

[参 考 文 献]

[1] 张磊,谢志坤,李焱,等.基于有限元的高速龙门五轴加工中心动静态优化设计[J].机械设计与制造,2011(12):36-37.

[2] 尹刚,刘春时,梁艳超,等.直线电机在高速龙门五轴加工中心中的应用[J].机床与液压2011,39(12):7-10.

[3] 孙志礼,陈良玉.实用机械可靠性设计利于与方法[M].北京:科学出版社,2003.

[4] 张海水,宋现春,刘少辉,等.滚珠丝杠副可靠性试验台的研制开发[J].组合机床与自动化加工技术.,2013(10):135-140.

[5] 张宏斌,贾志新,郗安民.数控机床可靠性试验数据抽样方法研究[J].电子产品可靠性与环境试验,2008,26(1):30-33.

[6] 刘杰.基于维修质量的数控机床可靠性评估技术[D].重庆:重庆大学,2013.

[7] 杨建国.数控机床可靠性技术的分析与研究[D].上海:上海交通大学,2007.

[8] 吴祖育,秦鹏飞.数控机床[M].上海:上海科学技术出版社,2008.

[9] 机床检验通则第1部分:在无负荷或精加工条件下机床的几何精度：GB/T17421.1-1998[S].

[10]机床检验通则第2部分:数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定：GB/T17421.2-2000[S].

[11]BAILEY R T.Estimation from zero-failure data [J].Risk Analysis,2006,17(3):375-380.

[12]HUANG Z L,YU F X,ZHANG S T.Empirical—statistics analysis for zero-failure GaAs MMICs life testing data[J].IEICE Transations on Fundamentals of Electronics.Communications and Computer Sciences,2009,92(9):2376-2379.

[13] 郭荣化,吴玉生,陈庆荣.定时截尾试验中故障数为零装备的平均无故障间隔时间评估方法研究[J].兵工学报,2011,32(8):1036-1039.

[14]丘冠英.可靠性试验数据的统计分析法[J].华东交通大学学报.2004,21(1):126-128.

[15] 张国龙,梁玉英,巴宁.可靠性试验数据处理方法与工程实现[J].通信技术.2011,44(2):138-140.