魏敏 張紹興 肖斌 張霞妹

摘要：通過(guò)對(duì)車削、銑削類加工中心主軸部件的功能進(jìn)行闡述，結(jié)合現(xiàn)階段加工中心主軸可靠性試驗(yàn)現(xiàn)狀，提出一種快捷高效的可靠性研究方式，并從原理和結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行闡述，介紹了一種應(yīng)用于主軸可靠性試驗(yàn)的裝置。

Abstract： The paper puts forward a fast and efficient reliability research method by describing the functions of the spindle，which is one of the components of turning and milling machining centers，and combining with the current situation of the reliability test for the spindle of machining centers， and introduces a device applied to the reliability test of the spindle by describes the principle and structure.

關(guān)鍵詞：加工中心;主軸;可靠性;試驗(yàn)裝置

Key words： machining center;spindle;reliability;test device

中圖分類號(hào)：U466? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0107-02

0? 引言

機(jī)床，被譽(yù)為“工業(yè)母機(jī)”，機(jī)床的研制水平是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的重要標(biāo)志。近幾年，隨著我國(guó)工業(yè)不斷發(fā)展和進(jìn)步，國(guó)內(nèi)的機(jī)床企業(yè)無(wú)論是在生產(chǎn)技術(shù)還是生產(chǎn)規(guī)模方面，都得到了全面提升，并且取得了不少重要的成就。但是，與西方機(jī)床研制技術(shù)強(qiáng)國(guó)相比較，中國(guó)制造的機(jī)床水平仍然存在一定差距，依舊存在著一些亟待解決的疑難雜癥和亟需改進(jìn)的短板。可靠性是衡量機(jī)床制造水平及性能的重要指標(biāo)之一，也是拉開國(guó)產(chǎn)機(jī)床與國(guó)外頂級(jí)機(jī)床制造水平差距的重要影響因素之一，如果要進(jìn)一步提升國(guó)產(chǎn)機(jī)床市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，就需要對(duì)機(jī)床設(shè)備的可靠性進(jìn)行不斷深入的研究，以期使國(guó)產(chǎn)機(jī)床的可靠性得到提升。

加工中心是機(jī)床產(chǎn)品中其中一種具有高度自動(dòng)化的加工設(shè)備，主軸作為銑削類加工中心（以下簡(jiǎn)稱“加工中心”）的核心功能部件，其可靠性的優(yōu)劣直接決定了加工中心整機(jī)可靠性水平，因此，有必要對(duì)主軸開展可靠性的研究、測(cè)試和分析，通過(guò)可靠性試驗(yàn)以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性的探索，掌握目標(biāo)機(jī)型的可靠性狀態(tài)。

1? 加工中心主軸的功能

加工中心的主軸（以下簡(jiǎn)稱為“主軸”）是該種機(jī)床的核心組成部件，該主軸的功能，可以按照主次以及需求關(guān)系分為兩個(gè)方面：基礎(chǔ)功能和輔助功能。

主軸的基本功能是夾持刀具和提供動(dòng)力，這兩項(xiàng)功能在各種類型的主軸上均具備。加工中心所使用的刀具安裝在主軸上，由主軸提供機(jī)床切削運(yùn)動(dòng)的主運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由主軸承受因切削和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的載荷。

主軸的輔助功能主要指根據(jù)工況需求附加的輔助功能，常用的輔助功能如刀具內(nèi)冷、刀具外冷、刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)、主軸軸承溫度監(jiān)測(cè)、主軸熱伸長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、照明、車削、主軸預(yù)熱等，這些功能并不屬于主軸部件的標(biāo)準(zhǔn)配置功能，需要根據(jù)工況按需配置。

主軸作為加工中心的核心部件，其性能主要體現(xiàn)在額定載荷下連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)和短時(shí)過(guò)載運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性和穩(wěn)定性方面。在工作過(guò)程中，主軸將承受具有不同方向和大小的切削載荷，主軸長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)性運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)使主軸溫度升高并達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，溫度的變化將導(dǎo)致主軸產(chǎn)生熱變形，其中影響加工精度的主要是主軸軸向的變形分量，同時(shí)，主軸內(nèi)支撐旋轉(zhuǎn)組件的軸承的工作狀態(tài)也會(huì)因溫度變化發(fā)生載荷變化。載荷及溫度變化均可能對(duì)軸承壽命、刀具姿態(tài)和加工效率及主軸故障率產(chǎn)生影響，在加工中心主軸設(shè)計(jì)中，主軸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性將影響被加工工件的品質(zhì)，結(jié)構(gòu)可靠性將影響加工中心的效率、故障率等。

2? 加工中心主軸可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)的主要目的是將機(jī)床潛在的隱患及缺陷暴露出來(lái)，獲取產(chǎn)品的基礎(chǔ)可靠性參數(shù)，再通過(guò)持續(xù)改進(jìn)使缺陷或者隱患得到有效解決，使產(chǎn)品質(zhì)量水平得到質(zhì)的飛躍。

隨著現(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床實(shí)用性與安全性的發(fā)展需求，各個(gè)國(guó)家不斷投入越來(lái)越多的人力、財(cái)力和物力對(duì)機(jī)床可靠性進(jìn)行詳細(xì)探索，通過(guò)機(jī)床設(shè)備可靠性試驗(yàn)，積極探索在確保機(jī)床的生產(chǎn)質(zhì)量水平前提下的最佳性能參數(shù)，使機(jī)床快速投入市場(chǎng)并且占取先機(jī)。

生產(chǎn)機(jī)床設(shè)備的日本公司，設(shè)立專門的機(jī)床設(shè)備可靠性技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，無(wú)論是全新研制產(chǎn)品，還是優(yōu)化產(chǎn)品，在正式投入市場(chǎng)之前，必須經(jīng)過(guò)機(jī)床設(shè)備可靠性驗(yàn)證。在產(chǎn)品試制過(guò)程中，需要綜合考慮產(chǎn)品各種極限使用條件和基礎(chǔ)環(huán)境因素，利用可靠性試驗(yàn)力求更多的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的隱患和缺陷，并且以此為基礎(chǔ)，制定出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

為了進(jìn)一步減少和避免機(jī)床在生產(chǎn)過(guò)程中可能產(chǎn)生的問(wèn)題和不足，韓國(guó)公司在產(chǎn)品生產(chǎn)流程中，針對(duì)產(chǎn)品功能以及應(yīng)用范圍開展嚴(yán)格的基礎(chǔ)性能以及參數(shù)測(cè)試，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷提升機(jī)床使用性能和應(yīng)用效果。

我國(guó)各大高校在校內(nèi)同樣成立了機(jī)床可靠性相關(guān)的研究學(xué)科，比如：我國(guó)某大學(xué)對(duì)機(jī)床設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)研究，并且以此為基礎(chǔ)，針對(duì)機(jī)床核心關(guān)鍵部件的基礎(chǔ)可靠性試驗(yàn)設(shè)備，開展一系列方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建，取得了一定技術(shù)成果。我國(guó)某大學(xué)在機(jī)床設(shè)備研究過(guò)程中，主要針對(duì)機(jī)床的可靠性開展數(shù)據(jù)模型建立。

2.1 加工中心主軸可靠性試驗(yàn)方法

現(xiàn)階段，我國(guó)大部分高校對(duì)于機(jī)床性能和相關(guān)方面的研究側(cè)重于理論研究，無(wú)法與實(shí)踐相互結(jié)合，存在一定的不足。所以，為了進(jìn)一步完善和提升機(jī)床產(chǎn)品應(yīng)用性能，需要逐漸增加對(duì)機(jī)床性能的實(shí)際測(cè)試研究。無(wú)論是國(guó)內(nèi)，還是國(guó)外，目前基本上沒(méi)有針對(duì)機(jī)床整體可靠性的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段，僅僅是針對(duì)關(guān)鍵部位或者零部件開展相關(guān)的基礎(chǔ)性能測(cè)試。我國(guó)國(guó)內(nèi)針對(duì)機(jī)床基礎(chǔ)可靠性試驗(yàn)一般需要在機(jī)床設(shè)備實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況下開展，需要長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)才能得出結(jié)論，需要付出巨大的人力和精力。

采用專門設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)加工中心的各類性能（如可靠性、穩(wěn)定性等）進(jìn)行試驗(yàn)研究的方法，已經(jīng)成為機(jī)床方案設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)以及信息分析的基礎(chǔ)研究手段。

為了最大程度保證試驗(yàn)效率和質(zhì)量，我國(guó)引進(jìn)全新的可靠性加速試驗(yàn)技術(shù)，該技術(shù)利用一套專門制造的試驗(yàn)裝置，就試驗(yàn)對(duì)象的功能特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的連續(xù)不間斷加載，能夠使產(chǎn)品在較短時(shí)間的檢測(cè)過(guò)程中將潛在問(wèn)題最大程度的暴露出來(lái)，可以在短時(shí)間內(nèi)快速獲得產(chǎn)品加工過(guò)程中的可靠性特征和參考數(shù)值?？煽啃约铀僭囼?yàn)的主要目的，是為了在最短時(shí)間內(nèi)將產(chǎn)品缺點(diǎn)和不足暴露出來(lái)。但是，在國(guó)內(nèi)可靠性試驗(yàn)環(huán)節(jié)中，此種技術(shù)方法無(wú)論是在試驗(yàn)技術(shù)還是試驗(yàn)設(shè)備方面普遍受到了約束和限制，目前處于探索階段。同時(shí)，該方法在數(shù)控機(jī)床可靠性試驗(yàn)方面的應(yīng)用和技術(shù)研究相對(duì)較少，并且試驗(yàn)樣本同樣極少，所以此種技術(shù)方法一般是用在小批量、多品種產(chǎn)品上。

2.2 加工中心主軸可靠性試驗(yàn)方案

基于上述可靠性加速試驗(yàn)技術(shù)，采用加速模擬試驗(yàn)方法對(duì)加工中心主軸開展可靠性試驗(yàn)。在以規(guī)定的有效載荷模擬實(shí)際工況的基本條件下，使用可靠性試驗(yàn)設(shè)備和裝置，對(duì)機(jī)床主軸上的模擬刀具進(jìn)行載荷加速試驗(yàn)，進(jìn)而有效暴露機(jī)床主軸故障和可能存在的缺陷。

3? 加工中心主軸可靠性試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置主要組成部分為：磁粉制動(dòng)器、變速箱、電氣控制裝置、試驗(yàn)PC機(jī)及力、溫度、轉(zhuǎn)速傳感器等。該裝置的工作原理為：磁粉制動(dòng)器的輸入端通過(guò)變速箱連接到夾持在主軸上的模擬刀具上，通過(guò)調(diào)節(jié)磁粉制動(dòng)器的阻力值，將經(jīng)過(guò)變速箱放大后達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定數(shù)值的載荷加至模擬刀具上，利用裝置中的力、溫度、轉(zhuǎn)速等傳感器采集的信息，將與試驗(yàn)參數(shù)有關(guān)的數(shù)據(jù)信息傳送至電氣控制裝置上進(jìn)行信息收集，并將所收集的信息傳輸至試驗(yàn)PC機(jī)上，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析和技術(shù)處理，最終得到可靠性數(shù)據(jù)，技術(shù)人員再將該數(shù)據(jù)通過(guò)軟件進(jìn)行分析，構(gòu)建信息模型，最后將信息進(jìn)行擬合、歸納、運(yùn)算后預(yù)測(cè)出主軸運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性指標(biāo)。

3.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

具有磁粉制動(dòng)器的主軸可靠性試驗(yàn)裝置，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。磁粉制動(dòng)器、變速箱、模擬刀具固定在底座上，底座固定在加工中心的工作臺(tái)上。

3.2 其他設(shè)計(jì)

加工中心主軸結(jié)構(gòu)可靠性試驗(yàn)裝置除上述機(jī)械基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體外，還包含電氣設(shè)備控制裝置、試驗(yàn)PC機(jī)以及溫度、力、速度感應(yīng)設(shè)備等。其中溫度傳送感應(yīng)設(shè)備在數(shù)據(jù)和信息檢測(cè)過(guò)程中主要用于監(jiān)測(cè)機(jī)床電氣柜設(shè)備以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的溫度狀況，速度感應(yīng)設(shè)備用于主軸轉(zhuǎn)速的檢測(cè)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電氣控制裝置需要接受外部傳送感應(yīng)設(shè)備的信號(hào)，并且將該信號(hào)完全轉(zhuǎn)化為PC機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)，將機(jī)床實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所產(chǎn)生的扭矩、功率等相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)，傳送至PC機(jī)上。試驗(yàn) PC 機(jī)裝置如圖 2 所示。

4? 結(jié)束語(yǔ)

本次研究詳細(xì)闡述了加工中心可靠性試驗(yàn)的重要性和現(xiàn)實(shí)意義，提出了該試驗(yàn)的具體方法和流程，完成了試驗(yàn)裝置的搭建，并通過(guò)對(duì)主軸進(jìn)行一系列加載試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)結(jié)果，得到加工中心主軸可靠性數(shù)據(jù)。本研究為我國(guó)加工中心主軸性能提升提供了有利的技術(shù)支持。

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