研究国产数控机床可靠性改善对策及其现状

　　在经济全球化背景下,产品结构和功能日趋复杂,顾客对产品性能和质量的要求不断提高,市场需求趋于多品种、小批量。数控机床具有加工精度高、加工质量稳定、柔性好和适合于复杂产品制造等特点,满足了现代制造业的加工需求。数控机床的研发及其应用水平已成为衡量一个地区乃至一个国家综合实力的重要标志。2006年,国务院颁布《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》,其中将数控机床作为振兴装备制造业的重点工作之一^[1]。国务院在《关于加快振兴装备制造业的若干意见》中要求:发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件,改变大型、高精度数控机床大部分依赖进口的现状,并提出,到2010年,国产数控机床中经济型数控机床要占50%市场份额、普及型数控机床占45%、高级型数控机床占5%,其中,高速、高精度数控铣镗床是机床工业“十一五”的发展重点之一。

　　1　国产数控机床可靠性现状分析

　　可靠性是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,它是产品质量在时间尺度上的描述。对机床制造企业而言,可靠性低意味着产品的故障率高、寿命短、售后服务和维修成本高。对机床用户而言,低可靠性意味着机床故障停机频繁、加工质量不稳定,不仅影响企业的正常生产,甚至会造成灾难性的事故。若缺乏必要的可靠性保证,任何先进的加工性能将失去意义,机床产品及相关制造企业也将失去竞争力。

　　近年来,我国机床工业得到长足发展,成为数控机床制造大国。2007年,数控金属切削机床年产量达到12.3万台,产量跃居世界首位。目前国产数控机床已能满足多数用户的要求,在价格和售后服务等方面也具有优势。但是,与世界先进水平相比,国产数控机床在性能、精度尤其是可靠性方面仍存在明显的差距,因而导致进口数控机床数量增加、高端数控机床的市场占有率偏低。

　　2　提高国产数控机床可靠性的对策研究

　　2.1　正确理解可靠性的价值

　　产品可靠性水平的提高要有一定的技术和经济投入。那么能否据此得出结论,提高产品可靠性经济上得不偿失?实际上,对数控机床等制造装备而言,产品全生命周期费用包括购置费用和维护费用两部分。随着设备可靠性(R)的提高,购置费用将增加,但维护费用将减少;反之,低劣的可靠性虽然有利于减少购置费用,但由于设备故障停机频繁,维护费用以及因停机造成的停机损失、机会损失等将急剧增加,使得全生命周期费用居高不下。

　　2.2　从设计的源头把握可靠性

　　产品的固有可靠性(inherent reliability)是由设计决定并通过制造实现的^[2]。从提高产品可靠性的角度看,数控机床设计应遵循以下原则:

　　a.简化系统结构,减少零部件数量。

　　从故障维修的角度看,任何一个单元的故障都将导致系统的故障、停机和维修。系统基本可靠性(fundamental reliability)模型将各组成单元之间界定为串联关系,研究系统在规定条件下无故障工作的持续时间或概率。

　　b.寻找薄弱环节,提高零部件的可靠性。

　　改善薄弱单元可靠度的基本途径包括:优化结构设计;选择合适的材料;改进制造工艺;强化质量检验和检测,通过老化和加速应力筛选等淘汰存在质量隐患的零件;加强外购件的质量控制,选择具有良好信誉和质量资质的供应商。

　　c.重视可靠性设计方法的应用。

　　产品性能、可靠性和全生命周期成本主要由设计阶段决定。在产品研发的早期,应充分了解产品的工作要求、载荷特征和使用环境,确定合理的可靠性,不断寻找产品的薄弱环节,有针对性地加以改进和优化。

　　2.3　持续改进,实现可靠性增长

　　数控机床的可靠性受多种因素的共同影响。高可靠性的实现决不是一蹴而就的事情。只有不断地寻找可靠性薄弱环节,持续地消除产品设计或制造中的缺陷,才是提高产品可靠性的惟一途径,上述过程称为可靠性增长(reliability growth)。

　　可靠性增长是反复进行的循环过程,其中发现故障源是实现可靠性增长的关键和前提。发现故障源的途径包括数值计算、仿真分析、故障推理、产品历史数据、类似产品的经验数据、性能试验、环境试验、寿命试验、现场跟踪数据等。在发现故障源后,需要将所暴露的缺陷反馈给设计人员,以便制定改进措施,完成产品改进,并通过测试验证改进措施的有效性,直至产品达到可靠性设计目标。

　　3　结束语

　　可靠性学科始于第二次世界大战期间。经过几十年的发展,已形成了较为成熟的可靠性理论及方法体系,并在航空、航天、核电、军工等领域得到普遍应用,成为提高产品可靠性的有效工具。国外机床工业的发展经验表明,机床可靠性增长需要企业持之以恒的努力。只有从企业发展战略的高度给予重视,并从产品设计选型、零部件设计、生产管理、可靠性试验以及故障数据分析等方面系统地加以实施,机床可靠性才能不断得到提高。