葉片加工中心刀庫系統的可靠性增長*

牟 冰 楊慶東 李光龍

(北京信息科技大學機電工程學院，北京100192

葉片加工中心是用于加工航空、航天、核工業等發動機葉片及其他小批量、高精度、具有復雜曲面的機床［1］。刀庫及機械手系統縮短了加工中心的非加工時間、提高了生產率及工件的加工精度、節省了空間［2］。

因刀庫及機械手系統結構復雜，加工復雜零件時，換刀頻繁且速度快、對定位精度要求高，所以其故障率較高，這就使盤式刀庫及機械手系統成為加工中心整機可靠性的薄弱環節［3］，嚴重危害到了葉片加工中心的先進性能。因此非常有必要對其進行故障及可靠性增長的分析，提高其固有可靠性。

本文以國產某型葉片加工中心的刀庫及機械手系統為研究對象，對其常見故障模式進行分析，采取針對性措施實現其可靠性增長。

1 刀庫及機械手系統的故障分析

1.1 故障統計

從2012年11月1日到2013年4月1日，跟蹤調查了13臺同型葉片加工中心刀庫系統的故障數據，經整理得到有效故障28個。

1.2 故障部位分析

圖1中葉片加工中心的刀庫及機械手系統為高可靠性的凸輪機械手自動換刀裝置，合理的刀庫布局和緊湊的結構設計，縮短了加工中心的換刀時間，節省了空間。

2 刀庫及機械手系統的可靠性增長流程

可靠性增長對于降低加工中心的研制費用、加快加工中心研制周期、提高加工中心的可靠性具有重要的意義。葉片加工中心刀庫及機械手系統的可靠性增長是通過消除其可靠性缺陷和薄弱環節來實現的［4］。

要充分運用葉片加工中心刀庫及機械手系統的歷史故障數據，通過FMECA(failure mode effects and criticality analysis，故障模式影響及危害性分析)，確定刀庫及機械手系統的薄弱部位［5］，采取針對性的可靠性優化改進措施，來提高葉片加工中心整機的可靠性水平。葉片加工中心可靠性增長的一般步驟如圖2所示。

3 刀庫及機械手系統的故障模式及危害度分析

根據統計的故障數據和相關計算公式［6］，計算該葉片加工中心刀庫、機械手這兩個高頻故障部位的危害度CRi并總結其故障模式如表1所示。

危害度CRi的計算公式:

式(2)中nj為故障模式j發生的次數;ni為加工中心的部位i發生故障的總次數。

式中Ni為機床部位i在本次調查統計時間內發生故障的總次數;∑t為部位i在統計時間內的累計工作時間，因調查時間內加工中心每天工作8 h，每月工作約20天，所以∑t=17×20×8=2 720 h;

αij表示機床部位i發生故障模式j的概率;λi表示部位i的故障率;βij表示因故障模式j造成部位i失效的概率。對βij規定:若βij=1表示該部位i一定會失效，若βij=0.5表示該部位有可能失效，若βij=0.1表示該部位失效的可能性很小，若βij=0表示該部位一定不會失效。

表1 刀庫系統的故障模式及危害度表

根據表1及公式(1)計算得出刀庫及機械手系統各故障模式的危害度直方圖如圖3所示。

通過圖3可知刀庫及機械手系統危害度最大的幾個故障模式是B01、B06、A03和A06，在后面的可靠性增長過程中，應重點針對這幾種故障模式開展。

4 刀庫及機械手系統的故障原因分析

通過前面對刀庫及機械手系統的FMECA，得到了刀庫及機械手系統可靠性的薄弱部位，對系統故障模式發生原因的分析如表2所示。

表2 刀庫系統故障模式及原因分析

5 刀庫及機械手系統可靠性增長措施

根據刀庫及機械手系統的FMECA結果，得到了該系統可靠性的薄弱環節，下面就以其薄弱環節為突破口，從刀庫及機械手系統的外購件、制造、裝配和管理等方面提出全方位的可靠性增長措施［9］。

5.1 針對刀庫可靠性增長的措施

(1)對刀庫選刀不準:通過物理隔離來防止數控系統受到干擾;建立刀具裝配崗位責任制，防止裝刀錯誤。

(2)對刀庫不轉:要及時更換已經損壞的傳動部件，對電動機和傳動部件定期進行檢修，預防故障發生;嚴格控制外購行程開關的質量。

(3)對刀庫定位銷損壞:要及時更換已經磨損的定位銷;企業要選用高質量的外購件，并嚴格按照裝配規范進行裝配。

(4)對刀套不能夾緊刀具:要定期檢查刀套上的刀具定位片和彈簧，予以緊固并適時更換已磨損的刀具定位塊或刀套。

(5)對刀庫轉動不平穩或異常響動:定期檢查軸承、齒輪潤滑狀況，避免因潤滑不良而導致的磨損;及時更換已磨損的齒輪和變形的拉桿。

(6)對刀庫到位不準:對電動機和傳動部件定期檢修，消除故障隱患;及時更換損壞的位置開關;嚴格按照裝配要求和工序來安裝定位液壓缸，定期檢查防止其泄漏。

(7)對刀盤鎖不死、刀庫鎖緊裝置不穩:對傳動部件和氣壓裝置經常進行檢修，及時更換已經磨損的傳動部件;采取崗位責任制嚴格控制傳動部件的安裝精度和外購件的質量。

5.2 針對機械手可靠性增長的措施

(1)對機械手持刀不穩或掉刀:要定期檢查、緊固定位鍵，消除早期故障;及時更換磨損、斷裂的刀爪和損壞的夾持彈簧;嚴格按照裝配規范裝配緊固件確保其裝配精度。

(2)對機械手無動作或動作不到位:定期檢修氣缸、壓縮彈簧和銷軸等，及時更換已失效的零件。

(3)對機械手動作不穩:定期檢修導向桿、復合襯套潤滑狀況，避免因潤滑不良而導致磨損;及時更換已經磨損的導向桿和復合襯套。

(4)對機械手不按規定路徑換刀:加強對編程人員和操作人員技能和素質培養;通過物理隔離來防止數控系統受到干擾。

(5)對機械手換刀時間不穩:應適當調節節流閥開口和氣壓大小;定期檢查保養液壓缸密封件，預防其故障發生。

(6)對機械手換刀時松刀或拔刀故障:及時更換已損壞的感應開關、電磁閥;給液壓缸換密封件或者給氣液增壓缸排氣、加油;定期檢查松卡機構，更換已失效的拉桿或碟簧。

(7)對機械手運動不暢:定期檢查機械手各部件潤滑狀況，避免運動副及凸輪箱內部元件因潤滑不良而導致磨損;及時更換已嚴重磨損的凸輪箱;確保機械手臂、主軸、刀套位置相對固定和液壓缸的密封性。

5.3 針對可靠性管理方面的措施

制定刀庫及機械手系統可靠性管理的規章制度;建立刀庫及機械手系統的故障報告、分析和糾正措施系統，對收集的故障信息及故障的糾正措施及時記錄;采用多部門協調的并行管理方式，針對每個可靠性增長環節管理，協調規劃內部分工，使刀庫及機械手系統的可靠性達到可靠性指標要求。

5.4 刀庫及機械手系統的日常維護

(1)在葉片加工中心剛開機時，要先讓刀庫及機械手系統空運行一段時間，經檢查行程開關、電磁閥、液壓系統的壓力、鎖緊裝置等都全部正常之后再將其投入加工。

(2)建立裝刀崗位責任制，確保刀具的裝配精度及牢固性。

(3)定期檢查刀庫的回零、主軸的回換刀點是否準確到位，倘若發現問題一定要及時進行修正。

［1］夏仰球.盤式刀庫及機械手可靠性設計與分析［D］.南京:南京理工大學，2013.

［2］葛玉華，韓 軍，馮虎田.刀庫及機械手多態可靠性建模與分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2013(9):21－24.

［3］羅生梅，牛朝陽.臥式加工中心換刀機械手的動態特性分析［J］.機械制造，2013(53):21－23.

［4］金風明.產品設計過程可靠性增長技術應用研究［D］.北京:機械科學研究總院，2012.

［5］曾聲奎，馮強，馬紀明，等.可靠性設計與分析［M］.北京:國防工業出版社，2013.

［6］賈敬陽.數控砂帶磨床可靠性評估與故障分析［D］.吉林:吉林大學，2013.

［7］周瑜飛.刀庫及換刀裝置故障診斷與維修［J］.科技創業月刊，2011(10):153－154.

［8］王元軍，楊琪，俞暉.某型臥式加工中心自動換刀系統可靠性與故障分析［J］.中國制造業信息化，2010，39(7):75－78.

［9］高文禮.數控立車故障分析及可靠性增長技術研究［D］.吉林:吉林大學，2011.