評估刀架在高強度車床上的可靠性
摘要
可靠性是指一部分的設(shè)備在一段時間內(nèi)達到給定功能的能力。一個機械系統(tǒng)或者結(jié)構(gòu)比如一臺機床要運動需要所有的組成部分連接在一起。因此，構(gòu)成整體的部分系統(tǒng)的可靠性決定了整體的可靠性。刀架是一個旨在為加工機床提供必要功能的設(shè)備。部分用在高硬度機床上的刀架必須要由更高的可靠性。為了本研究的目的，刀架的可靠性評估，采用了故障率最高的機床系統(tǒng)的進行評估。為了進行給定刀架的可靠性評估，使用了失敗率數(shù)據(jù)庫，弱點分析，生產(chǎn)可靠性測試，和可靠性測試計算和定量計算。通過這么做，可以計算故障率，MTBF（平均故障間隔時間）和其他的因素。此外，通過使用建議的評估方法，該研究結(jié)果還可以應用于車床的其他部分或者子系統(tǒng)的可靠性評估。
關(guān)鍵詞：可靠性評估，可靠性預測，失敗率數(shù)據(jù)庫，刀架，平均故障間隔時間，失敗率
1 介紹
最近采用了可靠性概念的生產(chǎn)方式被采用了，而不是簡單的設(shè)計和生產(chǎn)所有工業(yè)領(lǐng)域都關(guān)注的工程。(Saleh, 2006)可靠性是指一部分的設(shè)備在一段時間內(nèi)達到給定功能的能力。根據(jù)這種生產(chǎn)方法生產(chǎn)的產(chǎn)品同時滿足用戶需求的質(zhì)量和功能。特別是一個機械系統(tǒng)或者結(jié)構(gòu)比如一臺機床要運動需要所有的組成部分連接在一起。因此，每個部分的可靠性是很重要的。刀架是一個旨在高效，自動的為加工機床提供必要功能的設(shè)備。這種裝置的核心單元的精度最終決定了生產(chǎn)出的產(chǎn)品的精度。根據(jù)相關(guān)分析，刀架是眾所周知的失效率最高的機床子系統(tǒng)的組成部分之一。（RAC，1999）特別是刀架需要連接處理系統(tǒng)—這需要很高的剛度。正如高硬度的機床需要更高的可靠性一樣。（Kim，2005年）。一般來說，電子零件的可靠性評估是根據(jù)假設(shè)的失效率進行分析的。（根據(jù)經(jīng)常使用的bath—tub失效率曲線）在電子零件使用壽命時間內(nèi)是相同的。（Lee，2001，Lee，2006）然而，盡管這樣會增加故障率，但是從機械零件上獲得盡可能多的可靠性信息是有必要的。之所以這么做是因為我們目前沒有很多關(guān)于機械零件可靠性的信息(Wang, 1999; Lee, 2003)。在這項研究中,對可靠性評估中使用的刀架車床,使用了定量計算的可靠性和機械零件的可靠性信息的計算進行了預測他們的可靠性通過分析他們的弱點使用機械部件的故障率;制造可靠性測試工具的可靠性測試后,進行測量的可靠性測試等功能的剛度、重復和角分辨率;可靠性和計算定量標準,等等。
2 可靠性預測
可靠性預測指的是努力提高產(chǎn)品在市場上的競爭力,并防止意外事故引起的損失,主要是檢查產(chǎn)品的可靠性的設(shè)計根據(jù)設(shè)計預測其發(fā)展狀態(tài)或原型的可靠性，從而在生產(chǎn)開始之前提高其可靠性(Moasoft Inc .,2002)。可靠性預測方法包括FMEA(失效模式和效果分析)、FTA(故障樹分析),最壞情況分析、性能評估和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的方法(客戶服務數(shù)據(jù)),和故障率數(shù)據(jù)庫方法,等等。為了有效地進行可靠性預測,數(shù)據(jù)(關(guān)于失敗率的信息)每個部分的失敗都是可取的。與電子零件不同,機械零件的可靠性評估沒有明確定義的故障模式和已知的機械零件的可靠性數(shù)據(jù)。因此,在這項研究中,我們進行了可靠性預計使用NPRD95(沒有電子零件的可靠性數(shù)據(jù)部分),NPRD95是一個數(shù)據(jù)庫,其中包含的信息機械部件的故障率(李,2003)。NPRD95數(shù)據(jù)庫,收集和編輯數(shù)據(jù)從1974年到1994年的數(shù)據(jù),是對機械部件的故障率唯一的信息來源。這些失敗率遵循一個指數(shù)分布(RAe,1995)。為了尋找有關(guān)可靠性的數(shù)據(jù)，首要要做的是將系統(tǒng)模型化。模型化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是組成部分的清單，材料和畫圖的費用等等。建模完成后,失敗率的可靠性信息應該添加進入數(shù)據(jù)庫。為了查詢可靠性信息，用戶應選擇使用環(huán)境下的故障率的選擇部分,一部分一部分得子分子類型。圖1顯示了一個示例的一個搜索連接器使用NPRD95失敗率銷。工具,如圖2所示,由一個六角頭的工具安裝,支持炮塔的主軸,夾緊部分修復工具的轉(zhuǎn)動,齒輪(驅(qū)動軸)旋轉(zhuǎn)的工具,傳輸能量和電子接近開關(guān)等傳感器部分。六角頭圖3。分析分部裝配和刀架的主要部分。圖4，可靠性隨時間變化的刀架。傳動齒輪,其失效時間是42.411000百萬小時,同時發(fā)現(xiàn)故障率最低的電力部分,其失效時間是19.687800百萬小時。與失敗率成反比的MTBF的指數(shù)分布,結(jié)果證明，傳動齒輪的平均故障間隔時間最短，電力部分有效時間最長。圖3說明了裝配刀架失敗率的分部和弱點和失敗的主要部分。每個空白的百分比表示每個分部裝配的失敗率時假定刀架的失敗率是100%。這時皮帶、皮帶輪、傳動齒輪的徑向軸承,故障率最高,因為失敗率很高,所以可以當成薄弱的部分。因為他們也有較高的失敗率,接近開關(guān),Quad-Ring(X-Seal),12把刀具可以插入和安裝在3種類型的刀座中。因為大多數(shù)機械產(chǎn)品的組件是由螺栓和螺母連接的,我們將刀架分級來進行可靠性預測?？煽啃孕畔摳鶕?jù)標準的規(guī)格,材料,和使用環(huán)境的組成部分來尋找。為了查找關(guān)于材料的規(guī)范,我們可以查找KS規(guī)范手冊0430灰口鑄鐵產(chǎn)品和KS 03709鎳鉻鉬鋼材料,而對于相關(guān)的規(guī)格,我們可以查閱KS內(nèi)部規(guī)范和規(guī)范標準。因為我們并不能一直得到所需的使用環(huán)境和規(guī)范的組成部分機械部件,所以我們咨詢了設(shè)計師，選擇最相似的部分(使用環(huán)境、材料和規(guī)格)?？煽啃钥驁D可靠性計算方法,表示能量的流動,物質(zhì)和信息顯示系統(tǒng)(王,2004)。在這項研究中,該工具的主要的功能是旋轉(zhuǎn)刀架,主要部分是一系列的傳動系統(tǒng)。為了得出預測結(jié)果,將刀架的MTBF估計為8590小時,失效時間估計為116.408200百萬小時。涉及的可靠性預測條件有操作溫度30°C GB(地面開始)和GC(地面控制)環(huán)境。關(guān)于分部裝配,最高的失敗率在傳動齒輪,其失敗率是42.411000百萬小時,同時發(fā)現(xiàn)故障率最低的電力部分,其失效時間是19.687800百萬小時。與失敗率成反比的MTBF的指數(shù)分布,結(jié)果證明，傳動齒輪的平均故障間隔時間最短，電力部分有效時間最長。圖3說明了裝配刀架失敗率的分部和弱點和失敗的主要部分。每個空白的百分比表示每個分部裝配的失敗率時假定刀架的失敗率是100%。這時皮帶、皮帶輪、傳動齒輪的徑向軸承,故障率最高,因為失敗率很高,所以可以當成薄弱的部分。圖4說明了改變刀架和組成裝配工作的可靠性。分部裝配可靠性大幅下降是傳動齒輪,因為皮帶傳動齒輪相對故障率高于其他地區(qū)。此外,我們發(fā)現(xiàn)分部裝配的可靠性幾乎等于來自客戶服務數(shù)據(jù)失敗的實際分配率。
3 制造的可靠性和可靠性測試
3.1 刀架的可靠性測試
刀架的失效是索引和夾緊的失效這是最重要的功能。這被認為是由于接近傳感器的故障,由于夾緊或泄漏造成的密封部件的磨損。此外,損壞的主軸,有缺陷的零件組裝、部件的磨損，由于重復加載,和負載不對稱引起的反彈，由于有偏見的工具安裝，都會導致失效。因此,角分辨率、重復度、剛度和刀架的平面度對于可靠性是非常重要的元素。表1顯示了可靠性的評估項目的評估工具。引用數(shù)據(jù)是由機床制造商提供的。角分辨率由一個角度編碼器測量重復測量,如果值超出參考價值,然后彎曲的耦合磨損,0環(huán)磨損和油壓降低預期。在穿的弧形耦合,刀架的剛度下降。對于這個測量,弧形耦合可以通過負載單元測量,可以將造成的負荷測量轉(zhuǎn)換成價值和剛度的變化。同樣,接近傳感器支架振動和溫度升高引起的連續(xù)操作可以使用一個加速度計測量傳感器和熱電偶。為了測量上述項目,我們做了一個可靠性測試器的結(jié)構(gòu),如圖5所示。測試人員將其分為傳動部分、測量部分、控制部分和支撐部分。傳動部分由刀架伺服電動機驅(qū)動,液壓裝置和潤滑裝置,測量數(shù)據(jù)處理的電腦。平板的支承部分由刀架的安裝可靠性測試器,和一個支架的傳感器是固定的,在這項研究中,我們還用表面安裝板的阻尼器。圖6顯示了刀架可靠性測試,實際上是為本研究研究的刀架。3.2 對刀架的性能評估
我們測試了刀架的性能以確定可靠性測試的最佳操作條件。以便于通過長時間的操作測試性能來定義失效。
3.2.1油壓和剛度/重復性
刀架的徑向方向的剛度是由油壓的變化在彎曲的耦合。油壓在這項研究中的應用是20 ~ 70公斤/ em”和強度造成負載單元400 n .在測試,下面油壓中的剛度明顯降低40公斤/ em和保持固定的油壓超過40公斤/ em”。此外,對重復性油壓也有很大的影響。如果油壓過低,重復性的下降是因為弧形夾緊力低的耦合。然而,過高的使用油壓在結(jié)構(gòu)方面是不可取的。圖8顯示了根據(jù)油壓的變化可重復性。如果我們考慮可重復性，油壓最可取的是50公斤/ern。
3.2 角速度的分辨率和熱膨脹角速度
角分辨率很難建立模型，很難進行評估和重復性精度比較。圖9顯示了通過測量每個指數(shù)的角度不斷的操作后8小時指數(shù)的平均值誤差。鑒于編碼器值的偏移的基本指數(shù)作為測量結(jié)果,我們可以看到一個索引錯誤的0.03°。此外,鑒于錯誤不發(fā)生在只有一個方向,我們可以看到,錯誤不是由不平衡引起的彎曲的耦合。我們?yōu)榱俗袷馗鶕?jù)角分辨率的影響測量了影響旋轉(zhuǎn)索引3和9多次。振動測量的酸度計安裝在支架用于修復接近傳感器。圖10所示,我們可以看到,索引的夾緊所造成的影響。
4 可靠性評估
4.1 可靠性測試
通過可靠性試驗,獲得的結(jié)果可能取決于測試條件。在這項研究中,進行性能評估的基礎(chǔ)上,進行了可靠性試驗。
油壓下60公斤/crr,這被認為是保持固定和可重復性。雖然有其他方法,包括偏心荷載,空載和一致的加載方法等,,我們采用了空載連續(xù)操作的可靠性測試建立刀架的負載情況,因為它是很難加速的。我們進行了操作重復刀架的旋轉(zhuǎn)和反彈指數(shù)序列的1 ~ 7 - - > 4 - > 10,操作時間的周期大約是8秒,為了獲得更快的測試結(jié)果。我們測量了編碼器數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)的差距1000次后(即測量經(jīng)過4000次的索引)為了定量分析測試結(jié)果,并進行了100000次的連續(xù)操作。可靠性測試的結(jié)果,總共三個故障發(fā)生。第一次失敗,刀架駐扎本身完全與重復性約190萬周期后迅速下降后約160萬周期。我們檢查機油壓力的液壓馬達提供夾緊力來確定故障的原因,但它是工作得很好,接近開關(guān)也工作正常。雖然第一次失敗的原因不存在,似乎是最可能的原因的振動支架用于修復接近開關(guān)。開始操作第一次暫停后,沒有在第一次手術(shù)中,但是我們繼續(xù)測試,因為它始終是在基本價值。在第二次失敗,操作120萬次后停止,恢復正常運行后支架修復接近開關(guān)的搬遷,如第一次失敗。在這方面,我們進行了一項惡化接近開關(guān)的測試,但是,生活和接近開關(guān)的性能沒有受到600萬/偏移的影響。因此夾緊的異常操作肯定會造成支架修復接近開關(guān)的轉(zhuǎn)換。刀架停止大約在一百萬周期調(diào)整接近開關(guān)后。由于失敗的原因的分析,液壓馬達,這是旨在提供夾緊力,不是工作,因為油壓是0公斤/cm。假設(shè)這是一個液壓系統(tǒng)的問題,我們拆卸工具后,發(fā)現(xiàn),分析后,o形環(huán),旨在傳播夾緊力,已經(jīng)損壞。圖二和圖12顯示了o形環(huán)。
5 結(jié)論
在這項研究中,我們提出一個方法來預測和評估的可靠性定量刀架通過可靠性預測、可靠性測試和分析車床刀架用于困難。結(jié)果的基礎(chǔ)上,我們建議的方法努力提高可靠性的車床刀架。結(jié)果區(qū)域:(I)的基礎(chǔ)上我們進行了可靠性預測的可靠性數(shù)據(jù)的組成部分,刀架和結(jié)果符合可靠性測試和客戶服務研究。(2)我們使用NPRD95失敗率數(shù)據(jù)庫進行了可靠性預測,房屋信息機械部件的故障率,并預測平均是8590小時。雖然這是不到10000小時的目標生活的工具,它被認為是一個錯誤,由于資料的缺乏,機械零件的可靠性(故障率)和應用程序類似的部分比較方法根據(jù)信息的缺乏。(3)我們獲得的數(shù)據(jù)在三個使用可靠性測試失敗,失敗都發(fā)生在傳動部分?？煽啃苑治龅慕Y(jié)果,一個刀架的失敗被發(fā)現(xiàn)是最好的解釋為魏牛分布、和MTBF被魏牛分布在13433小時計算。(4)然而,以確保一個更可靠的測試的可靠性,增加可靠性的數(shù)量將是明智的測試。我們增加了支架的厚度,從0.7噸到1.0噸,接近開關(guān),建議提高可靠性的方法,如更換薄弱部分,即Quad-Ring和o形環(huán)。