王 林， 董应明， 韩玉稳， 赵彦鹏
（1.中国机械总院集团云南分院有限公司， 云南 昆明 650031；
2.云南省机电一体化应用技术重点实验室， 云南 昆明 650031）
数控机床是制造机器的机器，是装备制造业的“工作母机”，是国家发展航空航天、国防军工、机械制造等先进制造产业最高效的基础装备，也是《中国制造2025》规划的中国制造业的战略必争领域之一，其制造水平、动态性能、 生产效率以及产品稳定性反映了一个国家的技术和综合国力[1]，但就目前我国数控机床技术发展形势来看，国产数控机床最大的问题之一就是可靠性较差、 精度保持性较弱、故障率较高，严重影响国产数控机床在国内外市场的竞争力和品牌形象， 已成为国产数控机床质量的软肋[2]。
可靠性试验是对产品进行可靠性调查、 分析和评价的一种手段。
试验结果为故障分析、 研究采取的纠正措施、判断产品是否达到指标要求提供依据。
具体目的有：发现产品的设计、元器件、零部件、原材料和工艺等方面的各种缺陷；
为改善产品的完好性、提高任务成功性、减少维修人力费用和保障费用提供信息；
确认是否符合可靠性定量要求[3]。
1.1 试验内容及目的
对数控卧式加工中心进行几何精度、数控精度、工作精度、切削力加载、扭矩加载、功率加载等检测试验。
通过检测试验及故障统计，验证机床的可靠性和稳定性，计算机床的平均无故障时间。
1.2 试验技术路线
试验技术路线见图1。
图1 试验技术路线
1.3 MTBF 数学模型
平均无故障间隔时间MTBF 估计的计算：按式（1）的规定
式中：k—可靠性系数；
Tj—评定周期内第j 台机床的累积工作时间（h）；
Rgj—评定周期内第j 台机床的有效累积功能故障数（个）；
Rsj—评定周期内第j 台机床的有效累积失效（个）；
n—样机数量（台）。
可靠性系数k 的计算：按式（2）的规定
式中：kz1—数控轴线系数；
kz2—装配系数；
kz3—装配环境系数。
可靠性制造系数kz的选取按表1 的规定：
表1 可靠性制造系数kz
可靠性试验系数ks的计算：按式（4）的规定
式中：ks1—力载荷系数；
ks2—扭矩载荷系数；
ks3—加载时间系数；
ks4—主轴转速系数；
ks5—主轴起停系数；
ks6—换刀频次系数。
可靠性试验系数ks的选取按表2 的规定：
1）小麦基本苗偏多，会造成小麦群体结构不合理。襄阳市襄州区2016年秋播后降雨充足，土壤墒情好，田间出苗率高，加上该地区播种量偏大，造成小麦基本苗偏多20%左右。本次调查的20对样本中倒伏小麦总茎蘖数、无效穗数和有效穗数每公顷分别比未倒伏小麦高 100.05 万、37.20 万和 62.40万。基本苗偏多、中后期群体偏大造成小麦个体不壮、茎秆软弱，抗倒性差，是此次小麦倒伏的主要原因［6］。
表2 可靠性试验系数ks
可靠性强化系数kq设定为5.3。
失效数rs的计算：按式（5）的规定：
式中：rs1—几何精度失效；
rs2—位置精度失效；
rs3—主轴温度变化失效；
rs4—电柜温度变化失效；
rs5—液压温度变化失效。
失效数rs的选取按表3 的规定：
表3 失效数rs
2.1 加载试验前精度和快进速度检验
检验内容：与机床主轴相关的几何精度；
直线轴的数控位置精度；
直线轴的快进速度。检验结果均符合相关标准要求。
2.2 X 轴加载试验
试验内容：在主轴运转条件下，在X 轴方向上，对主轴反复施加径向载荷，考核机床各动作可靠性；
在机床空运行下，考核机床规定的工作台快速移动、进给速度的可靠性；
检查机床各类故障，记录故障数和分析故障产生的原因；
记录加载时间、机床运行时间，检测相关几何精度。
表4 X 轴加载试验结果汇总及评定
表5 X 轴加载故障情况描述及原因
2.3 Y 轴加载试验
试验内容：在主轴运转条件下，在Y 轴方向上，对主轴反复施加径向载荷，考核机床各动作可靠性；
在机床空运行下，考核机床规定的工作台快速移动、进给速度的可靠性；
检查机床各类故障，记录故障数和分析故障产生的原因；
记录加载时间、机床运行时间，检测相关几何精度。
试验结果：试验结果见表6，故障情况表见表7，试验后和主轴相关的几何精度检验结果均符合相关标准要求。
表6 Y 轴加载试验结果汇总及评定
表7 Y 轴加载故障情况描述及原因
2.4 Z 轴加载试验
试验内容：在主轴运转条件下，在Z 轴方向上，对主轴反复施加轴向载荷，考核机床各动作可靠性；
在机床空运行下，考核机床规定的工作台快速移动、进给速度的可靠性；
检查机床各类故障，记录故障数和分析故障产生的原因；
记录加载时间、机床运行时间，检测相关几何精度。
试验结果：试验结果见表8，故障情况见表9，试验后和主轴相关的几何精度检验结果均符合相关标准要求。
表8 Z 轴加载试验结果汇总及评定
表9 Z 轴加载故障情况描述及原因
2.5 主轴加载试验
试验内容：在主轴恒扭矩阶段，对主轴进行扭矩加载；
在加载的各阶段记录机床故障、 加载时间和试验时间；
试验结束时完成相关几何精度和X、Y、Z 轴位置精度检验。
试验结果：试验结果见表10，故障情况表见表11，主轴加载后即时补偿状态下的数控精度见表12，试验后和主轴相关的几何精度检验结果均符合相关标准要求。
表10 主轴加载试验结果汇总及评定
表11 主轴加载故障情况描述及原因
表12 主轴加载后即时补偿状态下的数控精度表
2.6 试件加工精度试验
试验内容：
按设计规定的切削参数， 在机床上加工GB/T 18400.7—2010 规定的2 个工件，检验工件的精度。
试验结果：加工后的工件精度见表13。
表13 工件加工精度
2.7 空运转加速试验
试验内容：用包括机床主要加工功能的数控程序，模拟工作状态做不切削的连续空运转。
试验结果：试验结果见表14，故障情况表见表15。
表14 空运转加速试验结果
表15 空运转加速试验故障情况描述及原因
通过以上试验所采集的数据，代入式（1）计算，得出数控卧式加工中心的可靠性平均无故障间隔时间MTBF预计1709.6h。
数控卧式加工中心可靠性试验结果见表16。
表16 数控卧式加工中心可靠性试验结果汇总表
本文采用加载方式的可靠性试验，以验证某型数控卧式加工中心的可靠性-平均无故障间隔时间MTBF 指标。
根据GB/T 23567.1—2009《数控机床可靠性评定 第1 部分：总则》、GB/T 23567.2—2018《数控机床可靠性评定 第2 部分：加工中心》等可靠性国家评价体系，对此台数控卧式加工中心采用了MTBF 评价方法，机床平均无故障时间超过了1700h。
在数控机床技术的发展中， 可靠性试验技术不容忽视，这是提高 数控机床质量水平、精度保持性及动态性能的重要途径[4]。
在可靠性分析时采用科学的方法，实现对故障数据的收集和处理，找到机床故 障的原因，对于一些影响因素进行分析和研究，对于机的可靠性进行科学的对比和分析，进而提高数控机床的质量水平，促进机床制造业的可持续发展[5]。
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