《机械科学与技术杂志》21(2007)1244 - 1252

Seungwoo李、Seungwoo Hanb、Husang李

智能机器系统研究中心 韩国研究所 韩国大田市

(手稿收到2月5日,2007;修正后的5月22日,2007;接受6月5日,2007)

评估高刚度车床刀架的可靠性

文摘

    可靠性指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。机械系统或结构，如机床运动的能力,在整个系统中与各个组成部分相互连接;因此,部件的可靠性确定整个系统的可靠性。刀架是一个旨在有效地提供必要的工具加工车床设备的工具:硬车床中使用的部分需要更高的刚度，必须提供更高的可靠性。本研究的目的：一个刀架的可靠性是评估车床系统的故障率的最高标准,。为了进行可靠性评估给定刀架、可靠性预测、使用失败率数据库,弱点分析,制造可靠性测试和可靠性测试，定量的计算也进行了可靠性标准。通过这样做,失败率,MTBF(平均故障间隔时间)和其他因素可以计算。此外,研究结果通过使用建议的评价方法，还可以应用于其他部位如车床或一个子系统的可靠性评估。

（关键词:可靠性评估;可靠性预测;失败率数据库;刀架;平均故障间隔时间,失败率）

1.介绍

    对可靠性的应用的生产方法概念最近在被使用,而不是简单的把重点放对在所有工业领域的功能(萨利赫,2006)的设计和生产。可靠性指的是设备的一部分的能力,或系统在一个给定的条件进行预定功能一段时间。产品根据这种方法制作能满足生产质量和客户的需求。特别是,一个机械系统或结构像是一个机床运动的能力和整个系统的许多部分是互相连接的，因此,部分结构的可靠性决定了整个系统的可靠性。所以每个部分的可靠性非常重要(李,2006)。

    刀架是一种高效、自动提供必要的工具来加工车床的装置,这种装置的精度是核心单元,最终决定了加工产品的精度。根据相关分析知道,子系统中刀架故障率最高的是车床系统(RAC, 1991)。特别是,一个刀架用于关联一个需要处理高刚度的处理系统,如提供的硬车削机，需要更高的可靠性(Kim,2005年)。在一般情况下,对可靠性评估的电子部分进行假设基于其失败率(根据通常使用的故障率曲线）在电子零件的使用寿命期间保持不变(李 2001，李 2006）然而,尽管机械零件的失败率往往会增加,也有必要获得尽可能多的可靠性机械零件的信息,更因为我们目前没有多少机械部件的故障率的信息(王,1999;李,2003)。

    在这项研究中,对可靠性评估中车床使用的刀架进行可靠性和定量计算，计算的可靠性信息用来对机械部分进行预测，分析其使用的可靠性和他们的弱点，机械部件的故障率,通过制造可靠性测试工具后,进行可靠性测试，测量刚度、重复和角分辨率;定量计算可靠性标准,等等。

2.可靠性预测

    可靠性预测指的是努力增强产品的竞争力市场,防止造成意想不到的损失,主要是通过检查根据其发展状态或产品的设计预测原型的可靠性,从而在生产开始之前提升其可靠性(Moasoft Inc .,2002)。可靠性预测方法包括FMEA(失效模式和效应分析),FTA(故障树分析),最糟糕的情况分析性能评估和现场数据方法(客户服务数据),和故障率数据库方法,等等。进行可靠性有效地预测时数据(信息失败率)每个部分的失败是可取的。不像电子零件,没有明确的定义为机械零件失效模式和已知的可靠性数据。因此,在本研究中,我们使用NPRD95可靠性预测（95%不用电可靠性数据部分）

 一个数据库,其中包含的信息机械的故障率部分(李,2003)。NPRD95数据库,从1974年到1994年收集和编辑数据,积累的唯一的信息来源是机械部件的故障率。这些失败率遵循一个指数分布(RAe,1995)。为了搜索系统的可靠性、信息建模首先是必需的。建模的基本数据零件清单、材料账单和绘画,等等。建模完成后,可靠性信息应该进入使用失败率数据库。对可靠性信息,用户选择使用环境下的故障率选择部分,部分子类型。图1显示了一个示例的一个搜索连接器销使用NPRD95失败率。

 

 

          

               图1.使用NPR95失败率搜索信息

工具,如图2所示,由主要支持炮塔的转塔刀架的安装工具,,轴夹紧部分修复旋转的工具、齿轮(传动轴)传输权力的旋转工具,一个接近开关的电子传感器等部件组成。

          

                   图2.一个刀架可靠性预测分类的部分构成

 

     因为大多数机械产品组件是通过环、螺栓和螺母互相联系,我们分类的构成刀架可靠性预测达到一个水平。应该根据标准的规范,组成的材料和使用环境部分寻找可靠性信息。维护与规范,我们指KS 0430 I的规范手册灰口铸铁产品和KS 03709镍铬钼钢铁材料,而对于parts-related规格,我们提到了KS规范和内部的规范标准。因为预期的使用环境和规范的组成机械零件并不总是可用,我们在咨询了设计师后选择最相似的部分(使用环境,材料和规格)。可靠性框图是通过表达流动的能量、物质和信息显示系统来计算失败率的可靠性方法(王,2004)。在这项研究中,工具旋转刀架被认为是主要部分的主要功能,是串联放在一起的。

    在这个预测结果中,MTBF的刀架被估计为8590小时,失败率116.408200故障/百万小时。可靠性预测条件涉及的操作温度30°C GB(地面开始)和GC(地面控制)环境。关于分部装配,发现故障率最高的传动齿轮,其失败率是42.411000 /失败百万小时,失败率在最低电力部分的故障率是19.687800失败/百万小时。成反比的失败率在MTBF指数分布,结果意味着平均时间传动齿轮的故障间隔最短，电力部分的故障率是最长的。图3说明了失败率的装配工作中刀架的弱点和故障率主要部分。百分比情况空白处表示每个分部装配时假定的失败率。刀架的失败率是100%。皮带、皮带轮和驱动的径向轴承设备故障率最高,高故障率因此可以将其称之为疲软部分。他们还有一个高失败率,接近开关,星型密封圈,3块弧形耦合和接近传感器的类型电器零件预计实际操作期间分解。图4说明了变化刀架的可靠性和组成分部装配结束时间。装配工作传动齿轮的可靠性大幅下降,因为正时皮带的传动齿轮的失败率相对比其他部分有较高的失败率。此外,我们发现分部装配的可靠性与来自实际客户服务的数据故障分布率几乎是相等的

 

                     图3.分析分部装配和刀架的主要部分

          

              图4.刀架及半成品的可靠性随着时间的推移的变化

 

3.可靠性测试生产与可靠性测试

3.1刀架可靠性测试

    刀架的失败是索引和夹紧的失败,这是一个工具最重要的功能。这被认为是由于接近传感器的部分感觉夹紧磨损或密封泄露造成的故障。此外,主轴损坏,有缺陷的零件组装、部件的磨损，重复加载,反弹导致负载不对称，也可能有偏差的工具安装导致失败。因此,角分辨率,重复度、刚度和刀架的平面度功能和可靠性是非常重要的元素。表1显示了可靠性的评估项目的评估工具，参考数据来自机床制造商。角分辨率和重复测量使用一个角度编码器,如果测出的值超出参考价值,，然后弯曲的耦合磨损,0 -环磨损和油压降低预计。

                      表一.通过评估刀架可靠性评价产品

 

在弧形耦合的情况下,刀架的刚度减少。对于这个测量,弧形耦合可以测量造成负荷的负载,测量转换价值和刚度的变化。同样,接近传感器的支架振动和温度升高引起的连续操作课使用加速度计传感器和热电偶测量。为了测量上述东西,我们做了一个结构的可靠性测试,如图5所示。

 

                图5:.刀架可靠性测试的人员组成

测试人员分别负责传动部分、测量部分、控制部分和支撑部分。传动部分是一个测量伺服电动机来驱动刀架、液压装置和润滑装置的数据并进行处理的电脑。测量的支持部分和一个传感器的固定支架,由表面板刀架可靠性测试人员安装,在这项研究中,我们还安装了一个平板阻尼器。图6显示了实际上是为本次研究而进行的刀架可靠性测试。

      

                 图6.刀架可靠性测试（实际上是为了本次研究的目标进行的）

3.2评估刀架的性能

    我们测量的刀架的性能以确定可靠性测试的最佳操作条件，这项工作的进行是为了通过连续测量刀架长期工作的性能来定义一个失败率。