基于结构稳定理论的国产数控冲床主要部件失效分析与改进

李尚达 王目元 孙珊珊 兰 翼

（1.山东省经济和信息化研究院，济南 250000；2.山东海霖物业管理有限公司，济南 250000；3.济南铸锻所检验检测科技有限公司，济南 250000；4.山东省农业机械科学研究院，济南 250000）

机床是工业母机，机床产品的质量和可靠性直接影响国家制造业水平。结构稳定理论主要研究各种结构的稳定性，是工程结构安全性的重要内容之一。机床出现故障，往往表现为整体结构失稳、部分失稳、个别构件失稳和构件局部失稳，任何一种失稳现象都可能使系统不能有效工作。数控冲床是机床行业的重要品类之一，我国目前主要冲床产品已经能够基本满足国内需求，产品参数与国外产品基本持平，但在稳定性方面与国际高端水平还存在一定差距。特别是日常使用中多发的一些工艺细节问题，造成众多稳定性缺陷，有待改进。

1 设计意义

在实现冲床功能需求的基础上，人们要进一步提高国产冲床稳定性和可靠性，不仅在性能参数上与国外产品看齐，更要在产品精密度、工艺优化上追求完善，从工艺和技术上预先避免各种工况下可能发生的失效情况，最终达到和超越国外同类产品[1]。

2 失效分析及解决方案

为便于分析失效因素，提出针对性改进措施，可针对不同数控冲床进行失效分析区块划分。本研究主要针对机架组件、液压系统等主要部件的常见失效情况进行分析和改进。

数控冲床使用中，机身拉紧螺母会因装配、结构合理性、工况等问题出现失效，进而导致整个机床系统失稳。拉紧螺母失效主要表现为松动和断裂。

2.1 拉紧螺母松动

国产机床机身螺母多采用两端锁紧螺母和机械预紧方式。一定条件下，特别是长期使用、振动明显时，易发生松动失效。为解决这一问题，改进成一端为锁紧螺母，另一端为油缸螺纹活塞组合体，装配时通过高压油使机身拉紧螺栓拉长，将螺母拧紧后再使高压油卸荷，冲压过程中采用液压缸双倍机床公称力锁紧。人们可以利用机床系统的油压实时监测、报警功能，实现更好的预紧效果，提高可靠性。液压螺纹复合紧固端结构如图1所示。

国内企业一般选取1.5～2.5倍的预紧倍数。针对不同冲床，应查询或试验测定默认预紧倍数，并与改装后的实测数据相比较。通过实测发现，应用以上工艺改进，紧固螺栓的静态和动态预紧倍数一直保持稳定。

2.2 拉紧螺母断裂

常见情况为螺纹处疲劳断裂，断裂的发生主要由于机身拉紧螺杆在冲床运行时受到脉动载荷。只考虑静载荷会使设计强度不足以长期承受脉动载荷，考虑交变载荷时忽略载荷强度随机性仍然会出现强度不足，所以须对拉紧螺杆按照应力-强度理论进行改进。实际使用中，人们常遇到螺杆非螺纹段直径与螺纹大径相同的设备从螺杆中部断裂的情况，通过ANsYs分析可见螺杆中部应力较大易断裂。针对这一情况，可将非螺纹段适当加粗，螺纹段与非螺纹段过渡台阶处增加了圆弧角过渡。修改后进行ANsYs分析，可见整体强度能满足要求。改进后，拉紧螺母结构如图2所示。

图1 液压螺纹复合紧固端结构

图2 改进后的拉紧螺母结构

2.3 飞轮皮带打滑或拉断

通过现场对比和统计，总结发现：（1）如果对飞轮皮带进行预紧的电机底座没有充分防松，会造成调节与安装时电机轴与飞轮轴的距离发生变化，进而产生的飞轮皮带打滑。因此，首先应采用对顶螺钉防松，防止使用中电机轴与飞轮轴发生位移。（2）对于皮带长时间使用后松弛变形产生的打滑，设计者要在说明书中严格规定定期检查皮带预紧力，及时调节预紧力或更换皮带。在成本能接受的范围内，最好安装皮带预紧力检测装置。为减少皮带断裂风险，应将国内常见的四根V带设计更换为一根联组V带，既能解决三角带长短不一致问题，也能提升其耐用性。

2.4 飞轮油封漏油

国内中低价位的机床，设计参数和加工工艺往往受成本控制影响而较低；用户在使用时为降低使用成本而没有完全按照说明书要求保养，这些因素认为造成飞轮油封失效，使得机床系统整体失稳，造成生产中断。为减少此类人为失稳情况，提高平均无故障时间，应在设计中做出以下工艺改进：设计说明书中明确油封的参数要求，并采用满足工况要求的飞轮油封配装零件，杜绝为降低成本采用低参数的设计；增加经过高频淬火处理（表面高频处理：50～54HRC）的耐磨环，孔轴油封进口处增加20°倒角，降低油封装配时出现破损的可能；若在油封和附件都没有损坏时仍出现漏油，说明孔轴设计达不到飞轮工况要求，需要提高设计中的孔轴旋转表面硬度、粗糙度和形位公差。结构改进示意图如图3所示。

图3 结构改进示意图（一）

2.5 轴承组件间隙增大

针对杆轴承使用较长时间后磨损的问题，首先要在设计中对机床润滑油清洁度控制提出具体要求，润滑油过滤尽量采用高精度过滤器与多重过滤的结构[2]。在设计中尽量采用滚动轴承与滑动轴承组合使用的新型结构设计，连杆轴承由滚动轴承更换为承载更高、更耐磨损的滑动轴承，控制机床使用过程中轴承组件间隙增大的缺陷。结构改进示意图如图4所示。

图4 结构改进示意图（二）

2.6 平衡气缸拉杆、平衡缸连接杆螺纹断裂

由于高速冲床速度快、交变频率高，平衡缸的力量远小于滑块重量与惯性力之和，易造成平衡缸拉杆断裂和平衡缸连接杆应力集中的螺纹处断裂。设计中可采用平衡气囊替换平衡气缸上的设计应对此问题。平衡气囊的优点为寿命长、无需润滑、体积小、承受高速载荷、维护简单以及无严格定位精度，同时也可解决气缸漏气问题。结构改进示意图如图5所示。

图5 结构改进示意图（三）

3 结论

由于数控冲床在国内制造业体系内用量大、涉及产品面广，且上述常见失效形式极易导致机床整体失稳影响生产，故本研究改进具有良好的实用性。对机床行业发展来说，这有利于改善各类机床产品核心基础零部件、关键基础材料、先进基础工艺和产业技术基础严重依赖进口的情况。对数控冲床设计来说，这将有效减少设计试验成本，提升产品可靠性，增强产品竞争力，进而产生相应的经济效益。对数控冲床用户来说，这将有效降低维护成本，提高平均无故障时间，提升产品一致性，进而提高产品的稳定性与可靠性，产生相应的经济效益和品牌效益。