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        發動機廠數控加工中心維修策略探討

        發布日期:2017-03-14    來源:《上海設備管理》      點擊數:34019

               目前,數控加工中心在工業領域,尤其是在汽車發動機制造領域受到廣泛應用。由于汽車發動機具有加工精度高的特點,且隨著近幾年汽車在中國市場的逐漸普及,發動機制造逐漸向高精度、高效率、高自動化、高柔性化的方向發展。目前,國內大部分汽車發動機廠的數控加工中心主要以歐美等進口設備的采購為主。雖然國外先進設備的引進為企業帶來了活力,提高了加工的節拍和效率,但與此同時,企業在數控加工中心的管理、使用和維護等環節仍存在不少亟待解決的問題,主要表現在設備使用率偏低、故障率高且維修時間和材料成本偏高,從而導致企業的制造和運營成本較高。

               一、數控加工中心故障趨勢
               很多企業在對數控加工中心進行管理和維護時,仍然秉持的是“浴盆曲線”的觀點。浴盆曲線是指產品從投入到報廢為止的整個壽命周期內,其可靠性的變化呈現一定規律。浴盆曲線的形狀呈兩頭高、中間低,可劃分為三個明顯階段:初期故障期、偶發故障期、磨損故障期。
               然而,據相關機構統計,現代加工設備符合“浴盆曲線”的概率并不高,以某單位的兩種品牌數控加工中心為例,故障率均呈現明顯波動(此處故障率是指設備維修時間除以設備計劃工作時間。由于加工中心數量較多,此故障率為每月設備平均故障率)。在設備初期調試階段,故障率的確高于生命周期的平均故障率,但到了設備中期,故障率波動較為明顯。同時,兩種品牌的加工中心為了消除維修人員技能等方面的影響因素,根據兩種品牌加工中心的故障次數進行了類似統計(由于加工中心數量較多,此故障次數為每小時設備平均故障次數),設備故障次數圍繞故障率呈現一致的波動狀態。由于加工中心結構復雜,牽涉到液壓、氣動、機械結構、電控等多方面因素,所以故障特征與傳統設備完全不同,“浴盆曲線”原理已經難以適用于現代加工設備。經分析大致得知兩點:一是加工中心在氣溫分別較高和較低的夏季和冬季,或者濕度較大的情況下,故障率較高;二是設備在長時間停機后開機,故障率較高,并且當設備是單班生產時,故障率要高于兩班和三班生產模式。綜上,傳統設備維修管理理論對于類似于數控加工中心的先進制造設備已具有明顯的局限性。如何在傳統維修理論的基礎上進行發展和創新,將是很多制造企業迫切需要解決的一大難題。
               二、數控加工中心結構及故障特點
               數控加工中心是集機、電、液壓、氣動為一體的設備,其核心就是數控技術。目前加工中心已基本使用計算機數控技術(CNC技術),一次裝夾就能夠實現加工出較復雜的零件,并且在加工余量大的情況下,能夠實現高精度(0.001 mm)。由于數控加工中心的柔性化程度高,所以其故障也呈現出多元化的特點。以缸蓋一線加工中心的故障歷史數據為例,將該加工中心的部件系統分為以下11類:
               (1)冷卻系統:水泵、水管及附帶的壓力、流量、溫度信號;
               (2)潤滑系統:集中潤滑總成,包含潤滑電機、油箱、密封、過濾器等;
               (3)排屑系統:將機床內的鐵屑或鋁屑排出的系統,包括排屑鏈、排屑電機、掛屑器、排液泵等;
               (4)電器系統:包含接觸器、熔斷器、繼電器、按鈕、連接線纜等裝置,同時也包括邏輯可編程控制器(PLC)、輸入輸出裝置(I/O)、屏幕(OP)、操作面板(MCP)等;
               (5)伺服系統:用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統,包含伺服電機、編碼器、變頻器、中央控制單元、驅動控制模塊等;
               (6)主軸系統:主要指電主軸及相關附件;
               (7)液壓系統:包含動力元件、執行元件、控制元件、輔助元件(附件)和液壓油五大部分,主要部件為液壓泵、油缸、閥、油溫油位計等;
               (8)氣動系統:通過以壓縮空氣為工作介質傳遞動力或信號的方式提供動力的系統;
               (9)刀庫系統:這里主要指盤式刀庫及其相關附件;
               (10)進給系統:X、Y、Z軸進給系統及相關部件,包括導軌、滑塊、絲桿等;
               (11)機械附件:包含夾具、聯動板、防護板等機械部件。
               根據上述分類,對2010年~2016年的歷史故障數據進行了匯總和分析,如圖1所示。其中故障平均維修時間為故障維修總時間除以故障次數?梢钥闯,按照平均維修時間排序,維修時間最長的四個系統依次為主軸系統、進給系統、刀庫系統和排屑系統。目前,很多制造企業采用OEE(Overall Equipment Effectiveness)作為考核設備開工率的指標。OEE是一個獨立的測量工具,它用來表現實際生產能力相對于計劃產能的比率,其中設備故障及磨損是影響實際生產能力的重要因素。所以降低設備故障率和減少設備停機時間對于提升企業生產能力、尤其是針對平均維修時間較長的系統是極為重要的。
               圖1 各系統故障平均維修時間(2010年~2016年)
               
               三、數控加工中心維修工具及方法
               目前,設備搶修(應急維修)已遠遠不能滿足現代企業的要求。隨著科技的進步,維修理論也經歷了由應急維修和定期性預防維修,到以可靠性為中心的維修(RCM)和基于狀態的維修(CBM)的轉變,維修方法及工具也逐漸豐富。以某發動機廠為例,除應急維修外,整個維修體系包含了日常設備巡檢、設備專業點檢、月度保養(TPM)、年度保養和重大及重復性故障分析等。
               主軸系統故障、進給系統故障、刀庫系統故障及排屑系統故障是該數控加工中心維修時間最長的四個部件,針對這些易造成重大故障的部件(本文定義維修時間超過240 min為重大故障),制定了設備專業點檢體系,結合狀態維修理念進行設備的預防性維護。
               1、電主軸
               電主軸是將變頻電機與機床主軸合二為一的主軸,屬于集成式的主軸單元,實現了機床的“零傳動”,具有轉速高、功率大的特點。本文例舉的缸蓋加工中心采用的是最高轉速達24000r/min的電主軸,實現了高速和精密切削的要求。由于電主軸價值昂貴(達20余萬元),更換時間長且過程復雜,所以對電主軸進行預防性維護十分必要。
               電主軸的常見故障主要有軸承損傷、刀具夾爪損傷、拉刀夾緊力下降和一些電氣故障(如線圈燒壞、傳感器損壞等),針對上述故障,制定針對主軸的專業點檢項目:
               ① 測量主軸徑向跳動及不平衡量;
               ② 測量主軸放松時端面伸出量,對不符合要求的進行調整;
               ③ 測量主軸握刀夾緊力,對不符合要求的進行調整;
               ④ 檢查HSK夾頭磨損情況,對磨損夾頭進行更換;
               ⑤ 高壓切削液有無泄漏(管路和旋轉接頭);
               ⑥ 檢查主軸夾頭與刀柄密封圈有無磨損,視情況更換。
               2、進給系統
               本文例舉的數控機床采用直線電機、導軌滑塊和光柵尺作為進給系統的組成部分。對于上述部件構成的進給系統,同樣面臨著更換時間長、更換過程復雜的情況,并且由于數控機床伺服系統實現了對機械運動的實時監控,所以當進給系統報警時,現象往往不明顯,報警內容的指向性不是很強,需要維修人員進行一系列分析后,方能確定具體的故障原因或損壞部件,所以診斷時間也較長。
               分析該數控機床進給系統的歷史維修數據,發現造成進給系統故障的主要原因為潤滑不足(該加工中心采用手動加注油脂的潤滑方式),所以預防性檢查和維護十分必要。以下是針對該機床進給系統制定的專業點檢項目:
               ① 檢查導軌滑塊潤滑情況( 視情況加潤滑脂);
               ② 檢查滑動阻力是否過大;
               ③ 檢查導軌滑塊刮屑器是否正常;
               ④ 檢查導軌定位面是否能塞進0.02 mm塞片;
               ⑤ 檢查光柵尺氣密0.4~0.7 bar,檢查氣管是否出氣;
               ⑥ 檢查光柵尺讀頭與尺身的間隙;
               ⑦ 檢查緩沖器有無損壞(視情況更換);
               ⑧ 測量機床精度。
               3、刀庫系統
               數控機床刀庫系統的工作原理是由伺服電機配合減速箱對盤式刀庫進行驅動,該刀庫具有響應速度快的特點,但是頻繁的抓放刀過程也容易造成刀庫卡爪及刀盤變形。針對上述問題,需要對刀庫進行定期檢查,避免刀庫故障造成的生產損失。以下是針對刀庫系統的專業點檢項目:
               ① 檢查刀盤是否有晃動,減速箱工作是否正常;
               ② 檢查刀爪、彈簧和刀具限位機構;
               ③ 檢查主軸在刀庫上的抓放刀位置是否準確。
               4、排屑系統
               排屑系統是用于對加工過程中產生的鋁屑進行清理,避免鋁屑在機床內部堆積;由于排屑鏈的鏈條較長,一旦發生排屑鏈堵轉或者排屑鏈斷裂,維修時間將大幅度增加。為了避免類似情況的發生,定期檢查排屑鏈的松緊及磨損情況就十分必要。
        在確定對關鍵部件的檢查項目后,就要對檢查周期進行合理安排。合理的檢查周期不僅能夠實現將故障消滅在萌芽狀態,以降低故障率,而且可以避免預防性維修頻次過高造成的人力及材料費用的浪費。
               按照供應商提供的資料,機床進給系統、刀庫及排屑系統的建議保養周期為一年一次,電主軸的保養項目中更換主軸密封件的要求頻次最高,為一季度一次(以上周期都是在每天8小時工作制基礎上制定的)。結合生產中實際的歷史故障頻次及數據(如表1所示),決定將檢查周期進行一定調整。
               表1 2010年~2013年單臺故障次數累計
               
               從表1可以計算出,主軸系統、進給系統、刀庫系統及排屑系統平均每年單臺故障次數分別為1.4次、1.6次、0.92次、0.97次,綜合供應商提供的數據,決定將以上四大系統的專業點檢周期設定為一季度一次、半年一次、一年一次、一年一次。通過日常巡檢、月度保養(TPM)、年度保養結合設備專業點檢的預防性保養體系,降低了加工中心的故障率,四大系統的平均每年單臺故障次數下降至0.75次、0.65次、0.47次、0.49次,提升了設備開工率。
               四、基于狀態的維修(CBM)在加工中心的應用
               基于狀態的維修(CBM)是一種全新的設備維護方式,主張基于設備狀態檢測信息采取相應維護措施。它的產生是基于傳感器技術、信號處理技術、計算機技術的發展,核心思想是在有證據表明故障將要發生時才對設備進行維護,目的是準確地檢測和判斷設備運行中所處狀態以及環境條件,利用這些信息對設備預期的可使用壽命進行預測,有針對性地制定設備維護計劃。
               目前,國內外較為典型的狀態監測方式主要有離線定期監測、在線監測離線分析的監測、在線監測。對于旋轉類運動設備,主要有以下四個方面的監測診斷工作:
               1、振動監測
               振動可以敏銳地發現回轉或往復機械異常指標和故障,通過對振動信號的采樣和數據處理,就可以把握機器的劣化程度和異,F象,使機器和零部件的壽命得以最大限度使用,并且分清故障性質,方便地決定維修時間和范圍,延長了檢修周期,確保機器正常運行。振動診斷主要有簡易診斷和精密診斷兩種模式。作為設備診斷技術中最先進的技術,振動監測已在生產現場廣為應用,是目前最常用的診斷手段,主要用于對運轉設備的水平、垂直、軸向振動進行定量測量,及時發現潛在故障。目前對取得的振動信號的分析方法有“頻譜”、“倒頻譜”、“振動加速度包絡”等。振動測量是最有效判斷運轉設備狀態的方法之一。
               2、溫度監測
               在工業生產中,“溫度”這一參數約占測量總量的50%左右。因此,設備或生產過程的溫度(或稱熱狀態)監測是設備診斷技術的一個重要部分。利用溫度監測,可以迅速準確找出設備的過熱故障點,提供機械設備預知維修的有關信息,并在產品檢驗、結構改進、節能降耗等方面發揮顯著作用,是開展設備診斷工作的一個重點項目。隨著現代科學技術的發展,紅外測溫儀器大量應用于溫度監測診斷設備故障領域中。紅外測溫技術是溫度監測工作的一個專門技術領域,它在生產實踐中不斷發展而日趨完善,逐漸滲透到工業各部門中。這種技術在許多領域內已經成為不可替代的工具,正在由一種現代化的測溫技術轉變為一種較為全面的設備狀態監測和故障診斷的實用方法。
               3、電流(功率)監測
               電流或功率監測對電機起到運行監護的作用,在生產中廣為運用,是保護電機的重要手段,也是對電機進行遠程控制的重要遠傳參數之一。主要儀表為電流表、功率表、電壓表等。
               4、壓力監測
               在化工生產中,整個系統的壓力是非常重要的。反應和輸送過程中壓力控制的好壞不僅涉及經濟性,更重要的是安全問題。它也是國家在設計規范和安全附屬設施中要求定期檢測的項目。主要儀表有現場儀表和遠傳儀表。
        隨著數控加工中心朝著自動化和智能化的方向發展,機床自帶的在線監測設備也越來越多,為了豐富設備狀態監測的工具和方法,專業的離線狀態監測工具正逐步在加工中心現場進行應用。以本文提到的加工中心為例,測力計、振動分析儀、示波器、球桿儀、編碼器檢測儀、Profibus網絡診斷器及便攜式動平衡機等已經開始投入使用,如表2所示。
               表2 監測工具的使用
               
               結合狀態監測工具,在關鍵部件的專業點檢過程中實現了精確化診斷和狀態趨勢預測,發現了很多常規手段難以察覺的故障隱患,對設備的預防性維護實現了助力和提升,并對備件的預防性更換周期和設備專業點檢周期進行了優化和微調,在降低設備故障率的同時,也減少了設備維護材料使用量和人工成本,尤其是在對電主軸、導軌滑塊、絲桿、泵等關鍵部件的預防性維護上效果顯著。
               五、結語
               目前大多數企業采用機械化的定期設備保養的方法,相比傳統的以搶修為主的維修思路有了很大提升,但是仍存在“設備維護不足”和“設備維護過剩”的風險,造成設備、產量損失和成本浪費。
               基于狀態的維修理念正逐步發展,該方法通過狀態監測及狀態診斷等判斷設備的劣化程度。本文將基于狀態的維修理念與設備專業點檢機制相結合,通過狀態監測及診斷優化設備專業點檢項目、方法及點檢周期。在生產應用中,該維修策略起到了降低設備故障率和提升設備開工率(OEE)的效果。實踐表明:設備開工率達到90%左右,驗證了該維修策略的有效性。
               作者:高衡  單位:上海交通大學機械與動力工程學院

         

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