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对超重型核电转子专用数控轴向轮槽铣床的介绍,机械工程 李志伟,什么是超重型核电转子专用数控轴向轮槽铣床 本次实习的任务和进展 对改进超重型核电转子专用数控轴向轮槽铣床的一些构想,超重型核电转子专用数控轴向轮槽铣床（简称为核电转子轮槽铣床）是专门用来加工核电转子轮槽的关键设备 。,现代机械制造向着高效率、高速度、高质量和高精度发展，同时随着我国制造业的不断完善，超大型设备的研发和制造越来越受到国家的重视.,核电转子轮槽铣床是加工核电转子轮槽的关键设备，它性能的好坏直接决定着核电转子的加工精度和是否能正常的投入实际生产当中。,由于核电转子零件价值量高，焊接毛坯就要8000多万，精车完成后价值差不多达到1个亿，因此要求机床有较高的精度和精度保持性、有较高的可靠性和加工效率。,由于超重型核电转子专用数控轴向轮槽铣床的研究，归属于2011年高档数控机床与基础制造装备科技重大专项的项目二（重点领域关键设备）之课题14（转子轴向轮槽铣床）。,本课题自主开发研制的国产化核电转子轮槽铣床，将满足能源动力领域中百万等级核电转子轴向轮槽加工需要，在核电设备转子制造行业进行示范应用。,课题将围绕2台核电转子轮槽铣样机，进行整机优化设计和制造技术、大扭矩高刚性主传动系统的设计与制造技术、带阻尼技术的重载滚动导轨副的设计和制造技术、高精度分度回转装置和重型支撑装置的设计与制造技术、核电转子轮槽铣加工工艺研究和轮槽成形刀具设计技术、核电转子轮槽铣床热变形规律及对策、核电转子轮槽铣床的检测和补偿技术等进行研究，在此基础上开展相关技术规范和技术标准研究。,西南科技大学承担对核电转子轮槽铣床热变形规律及对策研究/核电转子轮槽铣床设计、制造和运行可靠性分析。 其中包含三个具体的研究内容：,1.实现超重载转子轮槽铣床现场可靠性考核方法 2.提高超重载转子轮槽铣床的可靠性和加工稳定性 3.对机床加工的热变形规律进行研究，提出热变形预测和补偿方法,解决的主要技术难点和问题：,1.核电转子轮槽铣床可靠性设计 在机床设计阶段，建立可靠性分配设计准则和可靠性综合设计方法。 2.核电转子轮槽铣床可靠性制造 通过关键工序、工艺过程和关键配套件、外购件的可靠性保证来实现超重载转子轮槽铣床可靠性制造。在产品制造、装配等工艺过程，对关键制造工序和装配工序建立可靠性保证体系。,3.核电转子轮槽铣床运行可靠性 将核电转子轮槽铣床早期故障暴露和消除在机床投入实际生产之前，要在产品样机总装后进行可靠性试验。通过试验有针对性的暴露产品潜在故障，研究和分析故障源，确切诊断故障模式和故障部位，进行故障部位、模式、原因分析，研究和开发故障纠正的技术措施，消除隐患，既能排除早期故障，又能促使可靠性增长。,根据可靠性试验结果，对存在的问题进行设计、工艺等方面的改进，提高产品可靠性指标，使项目产品可以达到或接近国际同类产品可靠性水平。可靠性试验过程发生故障时间的数据，可以根据可靠性评估体系和评价方法，对研发的超重载转子轮槽铣床进行可靠性评价。,4.核电转子轮槽铣床热变形规律及对策研究 机床在运动及加工过程中将产生大量的热，这将对机床的精度及加工造成严重的影响。因此在机床设计时应充分考虑其热变形规律，采用相应结构来保持其热平衡性，保证机床精度的稳定性。主要研究内容为：,（1）机床热变形的产生和热源 机床在工作中受到多种热源的影响，热源产生的热量通过各种不同的方式传递给机床，造成床身翘曲、导轨弯曲等，即机床热变形，加工过程中出现的热源包括（切削热、运动副的摩擦热和动力源的发热、辐射与周围环境等其他热源）。,除了加工时的切屑热量、运动部件运行产生的热量会影响机床的精度和工件加工精度外，核电转子轮槽加工时间长达40天以上，机床精度受环境温度变化影响也很大。研究机床的发热源及发热机理，找出规律和解决办法也是必须的。,（2）研究热变形对机床加工精度的影响 （3）机床热变形的控制与防止 提高机床热态加工精度的方法有许多，但主要可分为结构热优化设计、温度控制技术和热补偿技术三类。,热误差补偿技术 通过传感器对机床在线采集数据(如热位移或温度)，进行AD转换，再经过建立的热误差模型，对误差进行预测，然后进行补偿。它的关键技术就是建立好的热误差模型和误差补偿策略。还可以使用神经网络的方法进行热误差补偿。,核电转子轮槽铣床可靠性具体研究,由于核电转子轮槽铣床的体积较庞大，价格较昂贵，在使用条件下不确定因素较多，许多故障只有在用户使用中才能暴露出来，机床的可靠性强调在生产现场运转中的功能维持性，所以通过现场实际运行暴露出的故障，才能反映发生故障的真实情况，故采用现场试验方法采集故障信息。,按数控机床可靠性现场试验规范选择CX056和CX062轮槽铣床作为现场试验的样本，数控系统配置是西门子系列，主要配套件如装卡附件、液压系统和转塔刀架等均为国产。机床已经投入实际生产，每天两班制生产，满负荷工作。（注:参考机床2011年1月-12月故障记录）,可靠性指标评价,故障间隔时间分布模型的参数估计和假设检验 采用定时截尾的试验方法，收集了核电转子轮槽铣床40条故障数据，当故障间隔时间服从指数分布时，记 ，t0，采用矩法估计进行参数估计，d检验法进行假设检验。,故障部位分析,1 故障部位统计 将机床分为20个子系统。本次试验过程有14个子系统发生故障，累计故障数40个，每个子系统发生故障的次数与频率见表1,由表1可看出国产超重型核电转子专用数控轴向轮槽铣床的电器系统是发生故障最频繁的部位，故障率远远高于其他子系统，主要是因为电器元器件松动而造成接触不良；液压系统的故障主要是因为液、油渗漏；装卡附件的故障，主要是因为拉杆与卡盘内套连接的螺纹松动等原因；刀具夹紧系统的故障主要是因为刀架内部机械错位和刀架编码错误。,2 故障模式分布 机床的故障模式分为损坏型、松动型、渗漏或堵塞型、失调型、功能型、状态型、工艺型和其它型等8大类。结合一年的故障记录，每种故障模式发生故障的次数与频率见表2,由表2看出，最频繁的故障模式是运动部件误动作和不能正常操作，依次为工作精度超标，液、油渗漏，元器件功能丧失，主轴失调和转位、移位不到位等。,3 故障原因分析 为了探寻产品在生产和使用过程中，产生故障涉及到的环节和职能部门，对国产机床按产品生命周期过程进行分类，即将发生故障的原因分为设计、制造、装配、外购/外协和用户使用。每类故障的频率见表3,从表3可看出，外购/外协件、装配过程、制造工艺及用户使用不当是造成国产超重型核电转子专用数控轴向轮槽铣床可靠性不高的重要原因。,4 核电转子轮槽铣床危害度分析 故障模式分析不仅是对每种故障模式发生故障的次数与频率的数理统计(故障模式分布)，也是进一步分析各种故障模式对CNC机床造成的危害程度。CNC机床危害度分析是研究每一故障模式的严酷度等级及零部件基本故障率的综合影响。,CNC机床发生故障的14个子系统，其危害度依次为电气系统CR1、装卡附件CR2、CNC系统CR3、转塔刀架CR4、液压系统CR5、主轴组件CR6、防护装置CR7、主轴箱CR8、主传动系统CR9、X轴进给系统CR10、电源CR11、Z轴进给系统CR12、初始化模块CR13和伺服控制单元CR14。,零部件i以故障模式j发生故障致使该零部件发生故障的危害度CRij，计算公式为 零部件i对整机的危害度为: CR =,CR =,为零部件i以故障模式j发生故障的概率，计算公式为: 依据试验纪录得到14个了系统(零部件i)出现各种故障模式(故障模式j)的次数可以求出 ,如表4所示。 表示发生故障造成损伤，称为条件概率。当 = 1. 0时，肯定发生损伤； =0. 5时，可能发生损伤； =0. 1时，很少发生损伤； =0时，表示无影响。,入表示零部件i的基本故障率，本文为通过现场试验得到的平均故障率,5 机床危害度统计及分析 记录超重型核电转子专用数控轴向轮槽铣床现场试验的累积工作时间为5760 h(双班制)，由(4)式算得发生故障的14个子系统的平均故障率。14个子系统发生的故障模式及其危害度见表4,由表4可见，电器系统危害度最高，其次是装卡附件、刀具装夹系统、CNC系统、液压系统、主轴组件、防护装置、主轴箱、主传动系统、X轴进给系统、电源、Y轴进给系统、初始化模块、伺服控制单元。其中，电气系统、装卡附件、刀具装夹系统、CNC系统和液压系统是其最薄弱的环节，应重点进行可靠性改进。,6 机床平均间隔时间与固有可用度 综上分析可得超重型核电转子专用数控轴向轮槽铣床的平均故障间隔时间(MTBF)为： MTBF= h 平均维修时间MTTR和固有可用度 平均维修时间的观测值是维修时间的总和与修复的产品数之比。该型数控车床平均维修时间观测值按下式求得: MTTR=,固有可用度又称稳态有效度，它综合了可靠度和维修度的广义可靠性特征量，其表达式为： = 可见 越大，表示整机有效工作程度越高。增大固有可用度的途径是增大MTBF并减小MTTR。,核电转子轮槽铣床可靠性改进措施,通过上述分析，对超重型核电转子专用数控轴向轮槽铣床的可靠性有了一定认识，提出一些可靠性设计改进措施。,1.电气设计采用模块化设计，同时根据用户的要求，不断地增加新模块，全部电气件要经过多次层层选择，凡是用户反馈意见中发现易出故障的电气件，坚决换掉，重新选择新件。改进工件及刀具的冷却系统，冷却油可随不同的刀具位置而调节，这样既提高了冷却工件及刀具的可靠性，又节约了冷却油。改进润滑系统，采用阻尼系统对各不同的润滑点按比例进行精确供油，使润滑达到最佳效果。,2.数控机床的许多故障与关键工序和装配过程密切相关，为提高产品的质量和可靠性水平，必须对关键工序和装配过程采取有力的措施。控制加工设备的精度，定期检查设备的精度；用模具、检具控制主轴的配合而和主要加工而的尺寸、形状精度；关键工序道道检查；定期校对量具、检具精度。电气装配应采取的措施有:装配时，核对每件元件、器件的型号、规格；接线中，核对每个节点的位置与牢固度以及接头号码的正确性；进行接地绝缘电阻检测和安全试验。,3.关键配套件的可靠性保证措施。关键配套件的可靠性保证措施主要包括配套件优选原则、采购方针、入库和装配前检验和筛选等。,