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TK6916型落地铣镗床滑枕系统硬件故障模式、影响及危害性分析（FMECA）报告1引言TK6916型落地铣镗床是机械制造业的重要基础制造装备，用于船舶、航空航天等重要装备零部件的精密镗、铣、车等加工，其特点是每个用户预订的数量少、使用周期长、维修成本高，一旦加工中出现故障，就会造成极大的经济损失。而滑枕系统作为TK6916型落地铣镗床的重要子系统，其零部件变形、精度等级的降低等都会对TK6916加工产生重大影响。因此，提高滑枕系统的可靠性，对提高TK6916型落地铣镗床的可靠性起着至关重要的作用。故障模式、影响及危害性分析（即FMECA）是一种有效的可靠性保证技术，FMECA是用来分析产品可能的和潜在的故障模式，确定故障的相对严重程度、发生概率和产品在交付使用前或后出现故障的可能性，对那些对产品性能有重大影响的失效模式做出判断，并针对发现的问题提出改进的措施，以便通过设计、制造、装配、加工工艺等来消除或降低潜在的设计缺陷。因此，对于处于早期失效周期的TK6916型落地铣镗床滑枕系统，有必要进行FMECA，其作用是发现TK6916型落地铣镗床滑枕系统所有可能的故障模式，分析故障原因以及产生的不良后果，找出其在设计、制造、装配、加工工艺过程中的薄弱环节，并针对这些薄弱环节提出对应的改进建议和使用补偿方法，来提升TK6916型落地铣镗床整机的可靠性。2工作依据GJB13912006故障模式影响及危害性分析指南TK6916TK6916使用说明书TK6916大件图纸3系统定义31系统功能简介TK6916型数控落地铣镗床滑枕系统主要实现W轴、Z轴的进给，为镗孔、钻孔、扩孔、铰孔、切螺纹、切沟槽和平面的铣削加工等提供动力，同时也可以在方滑枕端面装夹多种特殊附件，扩大机床的功能和工艺范围，对TK6916型数控落地铣镗床的加工精度起着至关重要的作用。32系统功能分析滑枕系统的工作原理图如图1所示，基本工作原理为工艺设计人员根据零件图纸制定工艺方案，形成加工程序并通过手工输入或借助于存储载体输入加工中心的数控系统中；进入数控系统的信息，经过一系列处理和运算转变为控制脉冲信号，在滑枕系统控制脉冲信号传递过程中，一部分信号通过主传动系统传递动力给铣轴，铣轴再通过双键传递给镶嵌在其中的镗轴，带动镗轴一起回转，对工件进行铣削和镗孔等加工；一部分信号传递给Z轴和W轴进给系统，实现Z轴和W轴方向的进给。液压系统润滑系统气动系统冷却系统加工工艺程序数控系统电气系统滑枕系统主轴系统Z轴进给系统W轴进给系统铣轴镗轴机动稀油润滑机动稀油润滑铣刀镗刀完成部分加工工艺图1滑枕系统工作原理图33系统组成及各分系统功能简介根据TK6916型数控落地铣镗床滑枕系统的结构特征、工作方式等特点，以及便于故障模式、影响及危害性分析，特将其分为以下3个分系统（1）主轴系统；（2）Z轴进给系统；（3）W轴进给系统。各分系统的具体含义及组成如下所示1）主轴系统用于实现机床的主运动，主要由镗轴和铣轴组成。首先主传动系统将动力传递给铣轴，铣轴通过双导向键带动镗轴旋转，实现主轴旋转，包含主轴轴承、主轴端部锥孔、以及自动松夹刀机构等支承和辅助零部件，其精度决定了零件的加工精度，结构示意图如图2所示。2）Z轴进给系统用于实现镗轴在方滑枕内部的水平移动。进给传动系统主要由传动机构（齿轮）、运动变换机构（滚珠丝杠螺母副等）、导向机构（导轨、轴承）、检测元件、执行件等部分所组成，结构示意图如图3所示。3）W轴进给系统用于实现方滑枕在主轴箱内孔的水平移动。进给传动系统主要由传动机构（齿轮）、运动变换机构（同步齿形带）、导向机构（导轨、轴承）、检测元件、执行件等部分所组成，结构示意图如图4所示。前端盖2半圆垫1锁紧螺母3上盖4双向推力角接触球轴承双列短圆柱滚子轴承镗轴铣轴滑枕图2主轴系统结构示意图图3Z轴进给系统结构示意图图4W轴进给结构示意图34TK6916型落地铣镗床滑枕系统的特点TK6916型落地铣镗床属于重型机床，具有镗孔、钻孔、铣削、切槽等加工功能，滑枕系统作为机床的关键系统，其性能直接影响机床的精度、加工性能和加工质量。因此，滑枕系统在工作过程中，主要存在以下特点1）滑枕等质量大、惯性大、驱动负载大，精度保持性问题突出；2）外购件（如滚珠丝杠副）与企业本身生产的零部件（如轴、齿轮等）匹配问题突出；3）由于滑枕系统特有的结构特性，切削热、传动摩擦热以及辐射热等都将对其精度产生重要影响；4）装配时，由于方滑枕里面装有主轴分系统，里面零部件繁多，导致由装配产生的不确定性故障增多。35主要工作环境条件TK6916型数控落地铣镗床属于精密加工设施，滑枕系统要稳定的工作环境，具体要求如下1）环境和温度1040；2）相对湿度80；3）电源三相380V10，50HZ2；4）空气介质空气中粉尘浓度小于10MG/M3，不得含酸、碱、盐和腐蚀性气体。36系统编码规则参考GJB13912006对系统的各分系统进行编码如表1所示，在FMECA分析表中系统代码也采用类似代码，故障模式的代码在子系统代码后面添加（例如故障模式识别号M01CO01D01，左边WI01代表主传动系统WI轴，中间MO01代表1FT6105电机，右边D01代表机械零部件损坏，编码示意图如图5所示。）。图5编码示意图表1滑枕系统分系统编码表名称代码名称代码名称代码主轴系统S（SPINDLESYSTEM）Z轴进给系统Z（ZFEEDINGSYSTEM）W轴进给系统W（WFEEDINGSYSTEM）表2滑枕系统零部件分类及编码零件分类编码零件名称编码深沟球轴承BE01角接触球轴承BE02两面带防尘盖球轴承BE03双向推力角接触球轴承BE04机械类轴承BE（BEARING）双列短圆柱滚子轴承BE05直线零件分类编码零件名称编码轴SH01花键轴SH02铣轴SH03镗轴SH04轴套SH05镗轴头SH06弹性联轴器SH07轴SH（SHAFT）主轴端部锥孔SH08齿轮DR01同步齿形带DR02传动件DR（DRIVINGPARTS）滚珠丝杠副DR03垫圈SE01垫片SE02密封环SE03密封圈SE04碟形弹簧SE05密封件SE（SEALINGELEMENT）支撑圈SE06紧定螺钉FA01拉钉FA02紧固件FA（FASTENER）顶丝FA03键FA04零件分类编码零件名称编码销FA05挡圈FA06法兰盘FA07法兰接头FA08紧固件FA（FASTENER）锁紧螺母FA09端盖FR01撞块FR02挡油板FR03拉杆FR04压杆FR05支架FR06托架FR07支座FR08压块FR09压板FR10隔套FR11楔块FR12冷却套FR13夹套FR14结构件FR（FRAME）夹爪FR15挡板FR16零件分类编码零件名称编码拖链FR17结构件FR（FRAME）压片FR18电机MO（MOTOR）1FT6105电机MO01接近开关SW01开关SW（SWITCH）限位开关SW02电气类编码器EN（ENODER）旋转编码器EN01活塞OC01油缸OC02油缸OC（OILCYLINDER）活塞杆OC03电磁阀VA01单向阀VA02液压件阀VA（VALVE）压力继电器VA03表3TK6916型落地铣镗床零部件故障模式表故障类型故障模式编码故障类型故障模式编码机械零部件损坏D01运动部件间隙过大M01磨损D02运动部件间隙过小M02断裂D03运动部件速度失调M03腐蚀D04行程不当M04锈蚀D05回转工作台失调M05D损坏型护板、护罩损坏D06M失调型进给系统失控M06导轨研伤D07主轴失调M07故障类型故障模式编码故障类型故障模式编码密封件缺损D08电气开关位置失调M08电子元器件损坏D09电机过载M09电机损坏D10控制线继电器损坏D14M失调型气动元件流量失调M14接触器损坏D15运动部件无动作F01插头损坏D16运动部件卡死F02液、气、油件损坏D17运动部件过紧F03压痕D18运动部件窜动F04D损坏型拉伤D19运动部件制动失灵F05紧固件松动T01运动部件爬行F06零、部件剥落T02运动部件变形F07T松动型线噪声超标S02转位、移位超程F10振动或抖动S03转位、移位无动作F11运动部件动作冲击过大S04电机无法启动F12S状态型紧固件弯度过大S05F功能型电机异常工作F13结构件有裂纹S06检测元件失灵F14故障类型故障模式编码故障类型故障模式编码弯曲变形S07传感部件失灵F15塑性变形S08冰箱、空调不制冷F16定位精度超标S09机电互锁机构失灵F17重复定位精度超标S10油膜厚度故障F18几何精度超标S11气、液控制失灵F19加工精度超标S12数据丢失F20元器件参数漂移S13未按指令执行任务F21元器件功能丧失S14F功能型防护密封不良O01元器件装配不良S15误报警O02元器件接触不良S16异常操作O03性能不稳定S17系统感染病毒O04性能参数下降S18润滑油有杂质O05电流异常S19润滑油油压过大O06发生干涉S20O其他型润滑不良O07测量不准S21S状态型过热S22液、气、油渗漏L01液、气、油堵塞不畅L02L堵塞或渗漏型回油不畅L0337系统功能框图通过以上的系统定义和分析，绘制功能框图TK6916落地铣镗床滑枕系统的功能层次与结构层次对应图见图6所示。38任务可靠性框图绘制任务可靠性框图TK6916型落地铣镗床滑枕系统的任务可靠性框图如图7所示。4FMECA分析的根本原则41约定层次根据TK6916型落地铣镗床滑枕系统的特点，划分的约定层次如下1）初始约定层次TK6916型落地铣镗床整机；2）约定层次主轴系统、Z轴进给系统、W轴进给系统；3）最低约定层次各分系统的零部件，如伺服电机、同步齿形带、滚珠丝杠副等。42故障判据参考GJB13912006，结合TK6916型落地铣镗床滑枕系统在使用的过程中的特点，制订以下故障判据（滑枕系统凡是出现了违反以下要求情况之一的，即认为该系统发生了故障）1）各分系统能够正常运作和动作；2）滑枕系统的各项性能指标（如加工精度等）在预定的精度范围内；3）各分系统的温度、噪声在预定的范围内；4）电气系统、液压系统、润滑系统、冷却系统在滑枕系统中，相对应的物资消耗在预定的范围内；5）滑枕系统中，数控系统没发生报警；6）技术操作人员操作规范、准确。按照加工工艺要求完成产品部分加工工艺TK6916型落地铣镗床滑枕系统主轴系统Z轴进给系统W轴进给系统实现机床主运动完成Z轴方向进给完成W轴方向进给铣轴组件镗轴组件自动松夹刀机构ZI轴组件ZII轴组件WII轴组件WI轴组件浮动液压夹紧机构传递铣削动力传递镗削动力控制松刀与夹刀提供Z轴方向进给动力传递Z轴方向进给动力提供W轴方向进给动力传递W轴方向进给动力控制滑枕的夹紧（功能层次部分）（结构层次部分）图6TK6916型落地铣镗床滑枕系统功能层次与结构层次对应图铣轴组件镗轴组件自动松夹刀机构ZI轴组件ZII轴组件WII轴组件WI轴组件浮动液压夹紧机构图7TK6916型落地铣镗床滑枕系统任务可靠性框图43危害性分析（CA）类别划分及定义本机床危害性分析采用风险优先数（RPN）排序的方法，得出关键零部件。针对关键零部件采用基于成本的风险优先数法来得出企业迫切地需要改进的方向。431风险优先数法（RPN）针对滑枕系统RPN考虑三个参数对系统安全性的影响，包括1）严酷度S，表示故障对系统的影响大小程度；2）发生度O，表示故障发生的频率情况；3）检测度D，表示故障的检测难易程度。由设计人员、使用人员、专家等给故障模式的严酷度、发生度、检测度按110打分，其中10表示发生频率最高的、最严酷的或最不容易检测的故障，最后相乘，得到风险优先数RPN，即危害性数值。41RPNSOD432关键零部件基于成本风险优先数RPN法针对关键零部件由上面的风险优先数法我们大家可以得到关键零部件，在此基础上我们考虑企业修复这些故障所需要的成本以及改进后的获利，并且要保证产品质量，基于模糊理论的成本RPN能够兼有故障排除所需成本以及获利情况和在给定预算条件下企业应该重点排除哪几个故障。其具体实施步骤如下1）基于成本的RPN（1）通过S类比出严酷度损失严酷度损失每小时误工损失上班时间（H）（2）通过O类比出发生频率损失，即故障发生的频率，如每100次工作过程发生10次，发生率为10；（3）通过D类比出设计控制损失设计控制损失设计控制成本（1/控制成功率）故障发生造成的总损失为总损失严酷度损失故障发生率设计控制损失经过故障的排除或技术的改进后获利为改进获利总损失改进后损失改进成本参考GJB13912006，结合TK6916型落地铣镗床滑枕系统的特点，制订以下严酷度（S）（表4）、发生度（O）（表5）、检测度（D）等级（表6）。表4TK6916分级严酷度类别的定义故障模式影响的严重程度严酷度等级评分等级影响系统运行的安全性、造成加工产品报废、导致重大财产损失，且不能发出警报非常高10影响系统运行的安全性、造成加工产品报废、导致重大财产损失，但能发出警报9故障模式影响的严重程度严酷度等级评分等级影响系统丧失基本功能导致不能运行8系统仍能运行，但性能降低，用户不满意（精度降低）高7系统仍能运行，但丧失使用、操作的方便性6系统仍能运行，但影响正常使用、操作的方便性中等5影响轻度，绝大多数用户感觉明显4影响轻微，一般用户感觉明显低3影响极小，辨别能力强的用户感觉明显2无影响非常低1表5TK6916分级发生度类别的定义故障模式影响发生的可能性PM参考范围（单位次/小时）严酷度等级评分等级PM1/72101/168PM1/72非常高（几乎不可避免出现故障）91/240PM1/16881/360PM1/240高（重复故障）71/480PM1/36061/600PM1/480中等（偶然故障）51/720PM1/60041/960PM1/720低（相对几乎无故障）31/1080PM1/960非常低（几乎不可能故障）21/1200PM1/10801表6TK6916分级检测度类别的定义故障模式检测难度检测难度等级评分等级无法检测10现行检测的新方法几乎不可能检出难度非常大（几乎不可能确定）9现行检测的新方法只有微小的机会去检测出8现行检测的新方法只有很小的机会去检测出难度大（有很小的机会检测出）7现行检测的新方法可以检测难度中等（可以去检测）6现行检测的新方法基本上可以检测出难度中等（可以去检测）5现行检测的新方法有较多机会能检测出4现行检测的新方法很可能检测出难度低（可以检测出）3现行检测的新方法几乎能肯定检测出2现行检测的新方法肯定可以检测出非常容易确定15信息源自TK6916型落地铣镗床滑枕系统危害性分析中的专家打分数据，以齐齐哈尔二机床的厂内信息为依据，并结合对多个购买使用厂家进行实地调研的信息，经过整理、归纳、分析并采用科学的办法来进行处理后获得的。6主轴系统硬件FMECA61功能简介见33子系统的简介。62主轴系统零部件编码主轴系统零部件编码如表7所示。63主轴系统约定层次1）约定层次主轴系统；2）最低约定层次主轴系统的零部件，如镗轴、铣轴、轴承等。64主轴系统故障判据参照42滑枕系统的故障判据，主轴系统凡是出现了以下情况的，即认为该系统发生了故障1）主轴不能转动或转速不正常；2）主轴转动时振动和噪声超标；3）主轴过热由于轴承预紧问题等；4）无法正确松夹刀；5）零部件发生损坏等。表7主轴系统零部件编码表分系统组件零件名称编码名称编码名称编码最终编码铣轴SH03S01SH03垫圈SE01S01SE01隔套FR11S01FR11双列短圆柱滚子轴承BE05S01BE05双向推力角接触球轴承BE04S01BE04导向键FA04S01FA04深沟球轴承BE01S01BE01轴SH01S01SH01主轴系统S（SPINDLESYSTEM）铣轴组件S01垫圈SE01S01SE01分系统组件零件名称编码名称编码名称编码最终编码齿轮DR01S01DR01压板FR10S01FR10花键轴SH02S01SH02法兰盘FA07S01FA07压片FR18S01FR18旋转编码器EN01S01EN01铣轴组件S01弹性联轴器SH07S01SH07镗轴SH04S02SH04镗轴头SH06S02SH06轴套SH05S02SH05键FA04S02FA04角接触球轴承BE02S02BE02直线两面带防尘盖球轴承BE03S02BE03垫SE02S02SE02法兰盘FA07S02FA07镗轴组件S02锁紧螺母FA09S02FA09挡板FR16S03FR16活塞OC01S03OC01主轴系统S（SPINDLESYSTEM）自动松夹刀机构S03油缸OC02S03OC02分系统组件零件名称编码名称编码名称编码最终编码活塞杆OC03S03OC03端盖FR01S03FR01支架FR06S03FR06法兰盘FA07S03FA07垫SE02S03SE02法兰接头FA08S03FA08蝶形弹簧SE05S03SE05拉杆FR04S03FR04夹套FR14S03FR14密封圈SE04S03SE04夹爪FR15S03FR15拉钉FA02S03FA02拖链FR17S03FR17支撑圈SE06S03SE06主轴系统S（SPINDLESYSTEM）自动松夹刀机构S03垫圈SE01S03SE0165主轴系统FMECA表见主轴系统硬件FMECA附表。7Z轴进给系统硬件FMECA71功能简介见33子系统的简介。72Z轴进给系统零部件编码Z轴进给系统零部件编码如表8所示。表8Z轴进给系统零部件编码表分系统组件零件名称编码名称编码名称编码最终编码电机MO01Z01MO01齿轮DR01Z01DR01角接触轴承BE02Z01BE02ZI轴组件Z01法兰盘FA07Z01FA07齿轮DR01Z02DR01滚珠丝杠DR03Z02DR03角接触轴承BE02Z02BE02轴套SH05Z02SH05法兰盘FA07Z02FA07锁紧螺母FA09Z02FA09隔套FR11Z02FR11Z轴进给系统Z（ZFEEDINGSYSTEM）ZII轴组件Z02镗轴SH03Z02SH0373Z轴进给系统约定层次1）约定层次Z轴进给系统；2）最低约定层次Z轴进给系统的零部件，如电机、滚珠丝杠副、齿轮等。74Z轴进给系统故障判据参照42滑枕系统的故障判据，Z轴进给系统凡是出现了以下情况的，即认为该系统发生了故障1）进给速度不正常；2）滚动丝杠副不能转动或转速不正常；3）滚动丝杠副传动时振动和噪声太大；4）进给箱过热如润滑不良；5）齿轮损坏；6）电机转速不正常或无法启动。75Z轴进给系统FMECA表见Z轴进给系统硬件FMECA表。8W轴进给系统硬件FMECA81功能简介见33子系统的简介。82W轴进给系统零部件编码W轴进给系统零部件编码如表9所示。表9W轴进给系统零部件编码表分系统组件零件名称编码名称编码名称编码最终编码电机MO01W01MO01同步带轮DR01W01DR01法兰盘FA07W01FA07电机支架FR06W01FR06W轴进给系统W（WFEEDINGSYSTEM）WI轴组件W01压板FR10W01FR10分系统组件零件最终编码名称编码名称编码名称编码同步带轮DR01W02DR01同步齿形带DR02W02DR02滚珠丝杠DR03W02DR03调整垫SE02W02SE02丝杠支架FR06W02FR06锁紧螺母FA09W02FA09压板FR10W02FR10夹套FR14W02FR14隔套FR11W02FR11WII轴组件W02法兰盘FA07W02FA07夹紧支架FR06W03FR06活塞OC01W03OC01W轴进给系统W（WFEEDINGSYSTEM）浮动液压夹紧机构W03夹紧油缸OC02W03CO0283W轴进给系统约定层次1）约定层次W轴进给系统；2）最低约定层次W轴进给系统的零部件，如电机、滚珠丝杠副、同步齿形带等。84W轴进给系统故障判据参照42滑枕系统的故障判据，W轴进给系统凡是出现了以下情况的，即认为该系统发生了故障1）进给速度不正常；2）滚动丝杠副不能转动或转速不正常；3）滚动丝杠副传动时振动和噪声太大；4）进给箱过热如润滑不良；5）同步齿形带断裂或过度磨损；6）电机转速不正常或无法启动。85W轴进给系统FMECA表见W轴进给系统硬件FMECA表。
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