CN102059584B - 五轴联动加工中心的可靠性试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五轴联动加工中心的可靠性试验方法，其步骤为：①在实验室中搭建可靠性测试系统；②对加工中心实施预热，检测加工中心各项功能是否正常；③按照典型工艺参数和方法加工试验用工件，通过可靠性测试系统对加工中心状态进行监测；④循环进行上述步骤②-③；通过观察和可靠性测试系统对加工中心的功能和状态进行检测，同时定时检测加工中心精度，以判断是否发生精度严重衰退或丧失，并判定故障；⑤统计加工中心累计无故障工作时间T₀、故障次数R以及修复时间T₁，计算加工中心的可靠性指标，评估其可靠性水平。本发明具有原理简单、操作简便、测量精度高、可靠性好等优点。

Description

五轴联动加工中心的可靠性试验方法

技术领域

本发明主要涉及到加工中心领域，特指一种适用于五轴联动加工中心的可靠性试验方法。

背景技术

五轴、六轴联动加工中心是一种科技含量高、高精密度、专门用于加工复杂曲面的机床，被公认为是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段，其质量水平对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。可靠性是加工中心重要质量特征，是加工中心国际竞争力重要保证，研究加工中心可靠性意义重大。

加工中心可靠性研究大多采用这样的思路：首先选取若干台加工中心，然后通过长时间的使用得到加工中心的故障数据，并将数据整理分类，建立相应数据库，在这些故障数据的基础上进行可靠性分析，如FMFA或FMECA方法，有针对性的提出改进措施，提高加工中心的可靠性水平；同时，利用收集到的加工中心试验时间数据对其寿命分布进行估计，得到产品的可靠性参数，对其可靠性进行评估和预测。

由以上的研究思路不难看出，传统方式进行加工中心可靠性试验存在以下不足：

1)对加工中心的可靠性试验集中在使用阶段，只是通过现场试用代替可靠性试验。但是大量工程实践表明，产品研制阶段的可靠性试验对提高产品可靠性水平效果更明显，可靠性试验应该在研制阶段就开展。

2)可靠性分析所需数据主要是基于现场数理统计方法得到。由于现场统计方法采样周期长，信息反馈慢，而目前加工中心技术更新快、市场交货周期短，两者之间及不协调，可靠性研究严重滞后，另外，现场数理统计方法还受环境条件和操作人员水平影响，造成失效和故障数据的准确度不高，真实的故障原因有时很难分析出来等方面的问题。

3)在加工中心可靠性试验中，判断加工中心的故障的判定大多数基于操作人员的判断，由于操作人员水平的高低不同可能对出现的故障不能及时准确的判定，造成故障的发现不及时，甚至对加工中心带来破坏性的损坏。因此在试验时应及时准确判定系统状态，做出故障判断，以保证加工中心故障数据的准确性和完整性，而现场使用试验难以满足要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、测量精度高、可靠性好的五轴联动加工中心的可靠性试验方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种五轴联动加工中心的可靠性试验方法，其特征在于步骤为：

①在实验室中搭建可靠性测试系统；

②对加工中心实施预热，检测加工中心各项功能是否正常；

③按照典型工艺参数和方法加工试验用工件，通过可靠性测试系统对加工中心状态进行监测；

④循环进行上述步骤②-③；通过观察和可靠性测试系统对加工中心的功能和状态进行检测，同时定时检测加工中心精度，以判断是否发生精度严重衰退或丧失，并判定故障；

⑤统计加工中心累计无故障工作时间T₀、故障次数R以及修复时间T₁，计算加工中心的可靠性指标，评估其可靠性水平。

作为本发明的进一步改进：

所述步骤①中，所述实验室中环境温度为25±5℃，相对湿度为40％～75％，采用标准大气压。

所述步骤①中，所述可靠性测试系统包括监测加工中心状态的振动测量装置、噪声测量装置、温度测量装置、控制装置以及精度测量仪器。

所述步骤②中，所述加工中心预热一般在加工中心停止中断试验4小时以上后重新试验时进行。

所述步骤③，所述试验用工件为整体式叶轮所用毛坯，毛坯主体为Φ220×80的圆柱体，毛坯的尾端有Φ120×40的小圆柱段，毛坯材料为硬铝。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明将试验放在实验室进行，采用现场使用相同的环境，并且有专门的试验设备和专业人员，对试验过程进行监测和记录，得到的可靠性数据及时、准确、可靠；

(2)本发明采用加工叶轮的方法能够充分考核加工中心各项功能，叶轮的加工过程涉及到加工中心主轴变速、进给、换刀、冷却、多轴联动等几乎所有功能，再配合适当的工艺参数可以全面的考核加工中心各方面的性能；

(3)本发明在试验过程中，加工中心的故障不再单纯依靠操作人员观察判定，而是由技术人员通过自身观测和利用可靠性测试系统对加工中心的状态进行实时监测，获得加工中心的状态，以判定是否发生故障，避免了操作人员技术水平高低不同带来的故障判定不准确、不及时的情形，因此能够更及时准确判定系统状态，做出故障判断，保证加工中心故障数据的准确性和完整性。

(4)本发明试验中出现的故障由专业人员及时维修处理，相对现场试验需要返厂维修来说，大大减少了维修环节的时间。另外由于试验集中在实验室进行，试验的时间可以根据试验的进程安排，使得时间利用率提高，提高了可靠性试验效率，缩短可靠性试验的周期。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明在具体应用实例中试验用叶轮毛坯的结构示意图；

图3是本发明在具体应用实例中加工完成的叶轮的结构示意图；

图4是本发明在具体应用实例中进行故障判定的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明的加工中心可靠性试验方法，主要是在实验室条件下，将整体式内燃机叶轮的加工过程作为加工中心可靠性试验过程，来考核加工中心在规定时间内的性能。其具体步骤为：

(1)在实验室条件下搭建可靠性测试系统，并对可靠性测试系统及其他测量设备仪器进行调试，保证能够有效监测和检测加工中心状态。

(2)对加工中心实施预热，检测加工中心各项功能是否正常，出现问题及时记录和处理。在做好准备工作后，预热加工中心一段时间，初步检测加工中心各项功能是否正常，预热按照下列内容进行：

1、用数控装置指令控制主轴转速，进行低、中、高三档转速变换正转、反转及启动、停止试验；每个动作变换进行3次。

2、用数控装置指令控制X，Y，Z，A，C坐标轴进给，进给量按低、中、高三档及快速变换，其行程应为全行程，快速进给的行程应大于全行程之半。每个动作进行3次。

3、用数控装置指令控制刀库逐位转换、越位转换以及松抓刀试验。每个动作进行3次。

4、对加工中心进行试验，试验液压、润滑、冷却系统等性能，要求调整方便，动作灵活、润滑良好，冷却充分，不渗漏。在规定系统压力下，试验液压控制的各部件动作的准确性和可靠性。

(3)按照典型工艺参数和方法加工试验用工件，通过可靠性测试系统对加工中心状态进行监测，及时准确判断和记录加工过程中出现的各种故障。

完成加工中心预热后，进行可靠性试验，试验过程为按照预定工艺参数加工整体式燃气发动机叶轮，其工艺过程如表1所示：

表1叶轮加工工艺过程

在以上的试验过程中，加工中心在工作过程中出现了以下情形中的一种或几种视为发生了故障：

1)加工中心不能完成规定的功能(功能性故障)，如主轴不转、不能换刀等。

2)加工中心状态故障，如振动加剧、噪声大、发热大等。

3)加工中心一个或几个性能参数超出允许的变化范围(参数性故障)，如x轴加工精度。

对加工中心故障的判断，一方面依靠技术人员的观测，如一些功能性故障通过人为观测就可以判断，另外一方面，加工中心状态及参数性故障则需要通过可靠性测试设备和仪器来判定。故障判定流程如图4所示。

在试验中，对出现的故障应采取如下措施：

①及时记录故障现象并尽可能予以证实。记录内容包括：故障模式、当时的环境条件及操作情况；

②进行故障定位。进行必要的失效分析和故障诊断，找出故障机理；

③初步估计故障的类别(如表2所示)；估计可能产生的从属故障，某些故障会对其他部分产生软损伤；

④根据上述分析研究结论确定修复措施，包括对软损伤部位的修复；

表2加工中心故障分类

⑤出故障的不予修复的单元、插件、零部件、元器件等应按规定妥善保管一定时期，供需要时分析；

⑥受试产品在修复后原则上应立即再投入试验；

⑦在对故障进行相关处理时应及时记录加工中心的修复时间。修复时间是从样机发生故障到恢复规定功能所需的时间。

(4)在截尾时间内按照试验时间安排循环进行上述步骤，在整个试验过程中，技术人员通过自己观察和可靠性测试系统对加工中心的功能和状态进行检测，同时定时检测加工中心精度，以判断是否发生精度严重衰退或丧失，及时准确判定故障并做好记录。截尾为定时截尾。循环进行上述叶轮的加工过程，当加工中心停止工作达四小时以上要重新预热，每隔一段时间(如40小时)要对加工中心精度进行检验，以判断是否发生精度严重衰退，找出原因并处理，作为一个故障记录。试验循环进行，每天的试验时间不少于14小时，直到加工中心有效运行时间达到截尾时间900小时，结束试验，统计加工中心累计工作时间与故障次数。

(5)统计加工中心累计无故障工作时间T₀、故障次数R以及修复时间T₁，计算加工中心的可靠性指标，评估其可靠性水平。同时对试验中记录的加工中心故障信息进行统计分析，找到加工中心设计的薄弱环节，提出改进设计的措施，以提高其可靠性水平。

得到加工中心累计工作时间、故障次数和累计修复时间后，可以计算加工中心的可靠性指标，利用可靠性指标值可以对加工中心可靠性水平进行评估。加工中心可靠性指标包括平均无故障工作时间MTBF(Mean Time Between Failures)。平均无故障工作时间MTBF(Mean TimeBetween Failures)是指对可修复产品，相邻两故障间工作时间的平均值，简称MTBF，是衡量可靠性的重要指标，可由如下方法计算：

$\mathrm{MTBF}=\frac{T_0}{R}=\frac{T_0}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ξ}}_i{r}_i}$

其中，T₀-加工中心累计工作时间(h)

R-加工中心累计关联故障数

r_i-加工中心出现i类故障的次数

ξ_i-第i类故障的加权系数

具体实施例中，在上述步骤(1)中，实验室条件环境温度取25±5℃，相对湿度取40％～75％，采用标准大气压。在步骤(1)中，可靠性测试系统包括监测加工中心状态的各种传感器装置及相关数据处理系统，如振动测量装置、噪声测量装置、温度测量装置等等，以及各种精度测量仪器如球杆仪等，这些传感器等器件均为现有技术中的常规件，在此就不再赘述。在步骤(3)中，所述试验用工件是加工整体式叶轮所用毛坯，毛坯主体为L₃×L₅(如Φ220×80)的圆柱体，为方便夹持尾端有L₂×L₄(如Φ120×40)的小圆柱段，中心孔为L₁(如Φ70)，毛坯材料为硬铝。在步骤(2)中，对加工中心实施预热，一般是在加工中心停止中断试验4小时以上然后重新试验时进行。在步骤(3)中，该叶轮为整体燃气发动机叶轮，其参数为：出口直径为φ208mm，叶轮的进口直径为φ84mm，有叶片9片，叶片高度50.52mm，叶片厚度最薄处1.9mm，相邻叶片间最小距离29.75mm，叶轮总高度76.7mm。

在步骤(3)中，叶轮加工采用以下步骤和工艺：

(1)轮廓加工

◆刀具：D20方肩铣刀，SECO；

◆刀杆：R217.69-1820.0-12-2A；

◆刀片：XOEX120408FR-E06，H15；

◆主轴转速：6500r/min；

◆进给速度：2000mm/min；

◆吃刀量：1.5mm。

(2)流道粗加工

◆刀具：D12球刀，SECO，970L120-TRIBON；

◆主轴转速：8500r/min；

◆进给速度：1500mm/min；

◆吃刀量：1mm。

(3)叶片粗加工

◆刀具：D12球刀，SECO，970L120-TRIBON；

◆主轴转速：8500r/min；

◆进给速度：1500mm/min；

◆吃刀量：1mm。

(4)叶片精加工

◆刀具：D10球刀，SECO，970L100-TRIBON；

◆主轴转速：12000r/min；

◆进给速度：2000mm/min；

◆吃刀量：0.2mm。

(5)流道精加工

◆刀具：D10球刀，SECO，970L100-TRIBON；

◆主轴转速：12000r/min；

◆进给速度：2000mm/min；

◆吃刀量：0.2mm。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种五轴联动加工中心的可靠性试验方法，其特征在于步骤为：

①、在实验室中搭建可靠性测试系统；所述实验室中环境温度为25±5℃，相对湿度为40%～75%，采用标准大气压；所述可靠性测试系统包括监测加工中心状态的振动测量装置、噪声测量装置、温度测量装置、控制装置以及精度测量仪器；

②、对加工中心实施预热，检测加工中心各项功能是否正常；

③、按照典型工艺参数和方法加工试验用工件，通过可靠性测试系统对加工中心状态进行监测；

④、循环进行上述步骤②～③；通过观察和可靠性测试系统对加工中心的功能和状态进行检测，同时定时检测加工中心精度，以判断是否发生精度严重衰退或丧失，并判定故障；

⑤、统计加工中心累计无故障工作时间T ₀ 、故障次数R以及修复时间T ₁ ，计算加工中心的可靠性指标，评估其可靠性水平。

2.根据权利要求1所述的五轴联动加工中心的可靠性试验方法，其特征在于：所述步骤②中，所述加工中心预热在加工中心停止或中断试验4小时以上后重新试验时进行。

3.根据权利要求1或2所述的五轴联动加工中心的可靠性试验方法，其特征在于：所述步骤③，所述试验用工件为整体式叶轮所用毛坯，毛坯主体为Ф220×80的圆柱体，毛坯的尾端有Ф120×40的小圆柱段，毛坯材料为硬铝。

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