加工中心主軸可靠性試驗裝置設計與應用

魏敏 張紹興 肖斌 張霞妹

摘要：通過對車削、銑削類加工中心主軸部件的功能進行闡述，結合現階段加工中心主軸可靠性試驗現狀，提出一種快捷高效的可靠性研究方式，并從原理和結構方面進行闡述，介紹了一種應用于主軸可靠性試驗的裝置。

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.

關鍵詞：加工中心;主軸;可靠性;試驗裝置

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

中圖分類號：U466? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0107-02

0? 引言

機床，被譽為“工業母機”，機床的研制水平是衡量一個國家工業水平的重要標志。近幾年，隨著我國工業不斷發展和進步，國內的機床企業無論是在生產技術還是生產規模方面，都得到了全面提升，并且取得了不少重要的成就。但是，與西方機床研制技術強國相比較，中國制造的機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的短板。可靠性是衡量機床制造水平及性能的重要指標之一，也是拉開國產機床與國外頂級機床制造水平差距的重要影響因素之一，如果要進一步提升國產機床市場競爭能力，就需要對機床設備的可靠性進行不斷深入的研究，以期使國產機床的可靠性得到提升。

加工中心是機床產品中其中一種具有高度自動化的加工設備，主軸作為銑削類加工中心（以下簡稱“加工中心”）的核心功能部件，其可靠性的優劣直接決定了加工中心整機可靠性水平，因此，有必要對主軸開展可靠性的研究、測試和分析，通過可靠性試驗以及標準規范性的探索，掌握目標機型的可靠性狀態。

1? 加工中心主軸的功能

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

主軸的基本功能是夾持刀具和提供動力，這兩項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，由主軸提供機床切削運動的主運動，同時由主軸承受因切削和運動產生的載荷。

主軸的輔助功能主要指根據工況需求附加的輔助功能，常用的輔助功能如刀具內冷、刀具外冷、刀具狀態監測、主軸軸承溫度監測、主軸熱伸長監測、照明、車削、主軸預熱等，這些功能并不屬于主軸部件的標準配置功能，需要根據工況按需配置。

主軸作為加工中心的核心部件，其性能主要體現在額定載荷下連續長時間運轉和短時過載運轉的可靠性和穩定性方面。在工作過程中，主軸將承受具有不同方向和大小的切削載荷，主軸長時間、連續性運轉會使主軸溫度升高并達到熱穩定狀態，溫度的變化將導致主軸產生熱變形，其中影響加工精度的主要是主軸軸向的變形分量，同時，主軸內支撐旋轉組件的軸承的工作狀態也會因溫度變化發生載荷變化。載荷及溫度變化均可能對軸承壽命、刀具姿態和加工效率及主軸故障率產生影響，在加工中心主軸設計中，主軸結構的穩定性將影響被加工工件的品質，結構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

可靠性試驗的主要目的是將機床潛在的隱患及缺陷暴露出來，獲取產品的基礎可靠性參數，再通過持續改進使缺陷或者隱患得到有效解決，使產品質量水平得到質的飛躍。

隨著現階段數控機床實用性與安全性的發展需求，各個國家不斷投入越來越多的人力、財力和物力對機床可靠性進行詳細探索，通過機床設備可靠性試驗，積極探索在確保機床的生產質量水平前提下的最佳性能參數，使機床快速投入市場并且占取先機。

生產機床設備的日本公司，設立專門的機床設備可靠性技術研究機構，無論是全新研制產品，還是優化產品，在正式投入市場之前，必須經過機床設備可靠性驗證。在產品試制過程中，需要綜合考慮產品各種極限使用條件和基礎環境因素，利用可靠性試驗力求更多的發現產品存在的隱患和缺陷，并且以此為基礎，制定出相應的改進措施。

為了進一步減少和避免機床在生產過程中可能產生的問題和不足，韓國公司在產品生產流程中，針對產品功能以及應用范圍開展嚴格的基礎性能以及參數測試，同時通過實驗不斷提升機床使用性能和應用效果。

我國各大高校在校內同樣成立了機床可靠性相關的研究學科，比如：我國某大學對機床設備進行詳細研究，并且以此為基礎，針對機床核心關鍵部件的基礎可靠性試驗設備，開展一系列方案設計和試驗平臺構建，取得了一定技術成果。我國某大學在機床設備研究過程中，主要針對機床的可靠性開展數據模型建立。

2.1 加工中心主軸可靠性試驗方法

現階段，我國大部分高校對于機床性能和相關方面的研究側重于理論研究，無法與實踐相互結合，存在一定的不足。所以，為了進一步完善和提升機床產品應用性能，需要逐漸增加對機床性能的實際測試研究。無論是國內，還是國外，目前基本上沒有針對機床整體可靠性的實驗技術手段，僅僅是針對關鍵部位或者零部件開展相關的基礎性能測試。我國國內針對機床基礎可靠性試驗一般需要在機床設備實際運轉情況下開展，需要長時間的試驗才能得出結論，需要付出巨大的人力和精力。

采用專門設計的實驗裝置對加工中心的各類性能（如可靠性、穩定性等）進行試驗研究的方法，已經成為機床方案設計、評價以及信息分析的基礎研究手段。

為了最大程度保證試驗效率和質量，我國引進全新的可靠性加速試驗技術，該技術利用一套專門制造的試驗裝置，就試驗對象的功能特點進行針對性的連續不間斷加載，能夠使產品在較短時間的檢測過程中將潛在問題最大程度的暴露出來，可以在短時間內快速獲得產品加工過程中的可靠性特征和參考數值。可靠性加速試驗的主要目的，是為了在最短時間內將產品缺點和不足暴露出來。但是，在國內可靠性試驗環節中，此種技術方法無論是在試驗技術還是試驗設備方面普遍受到了約束和限制，目前處于探索階段。同時，該方法在數控機床可靠性試驗方面的應用和技術研究相對較少，并且試驗樣本同樣極少，所以此種技術方法一般是用在小批量、多品種產品上。

2.2 加工中心主軸可靠性試驗方案

基于上述可靠性加速試驗技術，采用加速模擬試驗方法對加工中心主軸開展可靠性試驗。在以規定的有效載荷模擬實際工況的基本條件下，使用可靠性試驗設備和裝置，對機床主軸上的模擬刀具進行載荷加速試驗，進而有效暴露機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裝置設計

試驗裝置主要組成部分為：磁粉制動器、變速箱、電氣控制裝置、試驗PC機及力、溫度、轉速傳感器等。該裝置的工作原理為：磁粉制動器的輸入端通過變速箱連接到夾持在主軸上的模擬刀具上，通過調節磁粉制動器的阻力值，將經過變速箱放大后達到試驗規定數值的載荷加至模擬刀具上，利用裝置中的力、溫度、轉速等傳感器采集的信息，將與試驗參數有關的數據信息傳送至電氣控制裝置上進行信息收集，并將所收集的信息傳輸至試驗PC機上，進行相關數據分析和技術處理，最終得到可靠性數據，技術人員再將該數據通過軟件進行分析，構建信息模型，最后將信息進行擬合、歸納、運算后預測出主軸運轉可靠性指標。

3.1 機械設計

具有磁粉制動器的主軸可靠性試驗裝置，其機械結構如圖1所示。磁粉制動器、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上。

3.2 其他設計

加工中心主軸結構可靠性試驗裝置除上述機械基礎結構體外，還包含電氣設備控制裝置、試驗PC機以及溫度、力、速度感應設備等。其中溫度傳送感應設備在數據和信息檢測過程中主要用于監測機床電氣柜設備以及基礎結構的溫度狀況，速度感應設備用于主軸轉速的檢測。在實驗過程中，電氣控制裝置需要接受外部傳送感應設備的信號，并且將該信號完全轉化為PC機能夠識別的數據，將機床實驗過程中所產生的扭矩、功率等相關基礎參數數據，傳送至PC機上。試驗 PC 機裝置如圖 2 所示。

4? 結束語

本次研究詳細闡述了加工中心可靠性試驗的重要性和現實意義，提出了該試驗的具體方法和流程，完成了試驗裝置的搭建，并通過對主軸進行一系列加載試驗，記錄試驗結果，得到加工中心主軸可靠性數據。本研究為我國加工中心主軸性能提升提供了有利的技術支持。

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