加工中心主轴可靠性试验装置设计与应用

魏敏 张绍兴 肖斌 张霞妹

摘要：通过对车削、铣削类加工中心主轴部件的功能进行阐述，结合现阶段加工中心主轴可靠性试验现状，提出一种快捷高效的可靠性研究方式，并从原理和结构方面进行阐述，介绍了一种应用于主轴可靠性试验的装置。

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.

關键词：加工中心;主轴;可靠性;试验装置

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

中图分类号：U466                                        文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）18-0107-02

0  引言

机床，被誉为“工业母机”，机床的研制水平是衡量一个国家工业水平的重要标志。近几年，随着我国工业不断发展和进步，国内的机床企业无论是在生产技术还是生产规模方面，都得到了全面提升，并且取得了不少重要的成就。但是，与西方机床研制技术强国相比较，中国制造的机床水平仍然存在一定差距，依旧存在着一些亟待解决的疑难杂症和亟需改进的短板。可靠性是衡量机床制造水平及性能的重要指标之一，也是拉开国产机床与国外顶级机床制造水平差距的重要影响因素之一，如果要进一步提升国产机床市场竞争能力，就需要对机床设备的可靠性进行不断深入的研究，以期使国产机床的可靠性得到提升。

加工中心是机床产品中其中一种具有高度自动化的加工设备，主轴作为铣削类加工中心（以下简称“加工中心”）的核心功能部件，其可靠性的优劣直接决定了加工中心整机可靠性水平，因此，有必要对主轴开展可靠性的研究、测试和分析，通过可靠性试验以及标准规范性的探索，掌握目标机型的可靠性状态。

1  加工中心主轴的功能

加工中心的主轴（以下简称为“主轴”）是该种机床的核心组成部件，该主轴的功能，可以按照主次以及需求关系分为两个方面：基础功能和辅助功能。

主轴的基本功能是夹持刀具和提供动力，这两项功能在各种类型的主轴上均具备。加工中心所使用的刀具安装在主轴上，由主轴提供机床切削运动的主运动，同时由主轴承受因切削和运动产生的载荷。

主轴的辅助功能主要指根据工况需求附加的辅助功能，常用的辅助功能如刀具内冷、刀具外冷、刀具状态监测、主轴轴承温度监测、主轴热伸长监测、照明、车削、主轴预热等，这些功能并不属于主轴部件的标准配置功能，需要根据工况按需配置。

主轴作为加工中心的核心部件，其性能主要体现在额定载荷下连续长时间运转和短时过载运转的可靠性和稳定性方面。在工作过程中，主轴将承受具有不同方向和大小的切削载荷，主轴长时间、连续性运转会使主轴温度升高并达到热稳定状态，温度的变化将导致主轴产生热变形，其中影响加工精度的主要是主轴轴向的变形分量，同时，主轴内支撑旋转组件的轴承的工作状态也会因温度变化发生载荷变化。载荷及温度变化均可能对轴承寿命、刀具姿态和加工效率及主轴故障率产生影响，在加工中心主轴设计中，主轴结构的稳定性将影响被加工工件的品质，结构可靠性将影响加工中心的效率、故障率等。

2  加工中心主轴可靠性试验

可靠性试验的主要目的是将机床潜在的隐患及缺陷暴露出来，获取产品的基础可靠性参数，再通过持续改进使缺陷或者隐患得到有效解决，使产品质量水平得到质的飞跃。

随着现阶段数控机床实用性与安全性的发展需求，各个国家不断投入越来越多的人力、财力和物力对机床可靠性进行详细探索，通过机床设备可靠性试验，积极探索在确保机床的生产质量水平前提下的最佳性能参数，使机床快速投入市场并且占取先机。

生产机床设备的日本公司，设立专门的机床设备可靠性技术研究机构，无论是全新研制产品，还是优化产品，在正式投入市场之前，必须经过机床设备可靠性验证。在产品试制过程中，需要综合考虑产品各种极限使用条件和基础环境因素，利用可靠性试验力求更多的发现产品存在的隐患和缺陷，并且以此为基础，制定出相应的改进措施。

为了进一步减少和避免机床在生产过程中可能产生的问题和不足，韩国公司在产品生产流程中，针对产品功能以及应用范围开展严格的基础性能以及参数测试，同时通过实验不断提升机床使用性能和应用效果。

我国各大高校在校内同样成立了机床可靠性相关的研究学科，比如：我国某大学对机床设备进行详细研究，并且以此为基础，针对机床核心关键部件的基础可靠性试验设备，开展一系列方案设计和试验平台构建，取得了一定技术成果。我国某大学在机床设备研究过程中，主要针对机床的可靠性开展数据模型建立。

2.1 加工中心主轴可靠性试验方法

现阶段，我国大部分高校对于机床性能和相关方面的研究侧重于理论研究，无法与实践相互结合，存在一定的不足。所以，为了进一步完善和提升机床产品应用性能，需要逐渐增加对机床性能的实际测试研究。无论是国内，还是国外，目前基本上没有针对机床整体可靠性的實验技术手段，仅仅是针对关键部位或者零部件开展相关的基础性能测试。我国国内针对机床基础可靠性试验一般需要在机床设备实际运转情况下开展，需要长时间的试验才能得出结论，需要付出巨大的人力和精力。

采用专门设计的实验装置对加工中心的各类性能（如可靠性、稳定性等）进行试验研究的方法，已经成为机床方案设计、评价以及信息分析的基础研究手段。

为了最大程度保证试验效率和质量，我国引进全新的可靠性加速试验技术，该技术利用一套专门制造的试验装置，就试验对象的功能特点进行针对性的连续不间断加载，能够使产品在较短时间的检测过程中将潜在问题最大程度的暴露出来，可以在短时间内快速获得产品加工过程中的可靠性特征和参考数值。可靠性加速试验的主要目的，是为了在最短时间内将产品缺点和不足暴露出来。但是，在国内可靠性试验环节中，此种技术方法无论是在试验技术还是试验设备方面普遍受到了约束和限制，目前处于探索阶段。同时，该方法在数控机床可靠性试验方面的应用和技术研究相对较少，并且试验样本同样极少，所以此种技术方法一般是用在小批量、多品种产品上。

2.2 加工中心主轴可靠性试验方案

基于上述可靠性加速试验技术，采用加速模拟试验方法对加工中心主轴开展可靠性试验。在以规定的有效载荷模拟实际工况的基本条件下，使用可靠性试验设备和装置，对机床主轴上的模拟刀具进行载荷加速试验，进而有效暴露机床主轴故障和可能存在的缺陷。

3  加工中心主轴可靠性试验装置设计

试验装置主要组成部分为：磁粉制动器、变速箱、电气控制装置、试验PC机及力、温度、转速传感器等。该装置的工作原理为：磁粉制动器的输入端通过变速箱连接到夹持在主轴上的模拟刀具上，通过调节磁粉制动器的阻力值，将经过变速箱放大后达到试验规定数值的载荷加至模拟刀具上，利用装置中的力、温度、转速等传感器采集的信息，将与试验参数有关的数据信息传送至电气控制装置上进行信息收集，并将所收集的信息传输至试验PC机上，进行相关数据分析和技术处理，最终得到可靠性数据，技术人员再将该数据通过软件进行分析，构建信息模型，最后将信息进行拟合、归纳、运算后预测出主轴运转可靠性指标。

3.1 机械设计

具有磁粉制动器的主轴可靠性试验装置，其机械结构如图1所示。磁粉制动器、变速箱、模拟刀具固定在底座上，底座固定在加工中心的工作台上。

3.2 其他设计

加工中心主轴结构可靠性试验装置除上述机械基础结构体外，还包含电气设备控制装置、试验PC机以及温度、力、速度感应设备等。其中温度传送感应设备在数据和信息检测过程中主要用于监测机床电气柜设备以及基础结构的温度状况，速度感应设备用于主轴转速的检测。在实验过程中，电气控制装置需要接受外部传送感应设备的信号，并且将该信号完全转化为PC机能够识别的数据，将机床实验过程中所产生的扭矩、功率等相关基础参数数据，传送至PC机上。试验 PC 机装置如图 2 所示。

4  结束语

本次研究详细阐述了加工中心可靠性试验的重要性和现实意义，提出了该试验的具体方法和流程，完成了试验装置的搭建，并通过对主轴进行一系列加载试验，记录试验结果，得到加工中心主轴可靠性数据。本研究为我国加工中心主轴性能提升提供了有利的技术支持。

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