Испытания станков

1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ СТАНКОВ

Основные испытания станков регламентированы соответствующими стандартами и нормами и проводятся для опытных образцов станков (исследовательские испытания), для вновь изготовленных серийных станков (определительные и оценочные испытания) и для станков, находящихся в эксплуатации (контрольные испытания).

Испытания станков на геометрическую и кинематическую точность включают оценку точности работы отдельных механизмов и точности изготовления элементов станка. Сюда относятся проводимые при испытании станков проверки точности вращения шпинделей, прямолинейности и плоскостности направляющих или поверхностей столов, прямолинейности перемещения суппортов или столов, точности ходовых винтов станка и др. Определяется также точность положения рабочих органов станка при их остановке (точность позиционирования), оценивается правильность взаимного положения и движения узлов и элементов станка, проверяется параллельность или перпендикулярность основных направляющих или поверхностей столов и осей шпинделей, например перпендикулярность оси шпинделя координатно-расточного станка, плоскости его стола.

Оценка "кинематической точности станка включает измерение точности взаимного движения его рабочих органов, например шпинделя и суппорта при резьбонарезании на токарном станке, шпинделя и стола зубофрезерного станка и др.

Испытание станка на геометрическую точность осуществляется, как правило, на неработающем станке, а после проведения всех проверок предусматривается контрольная обработка образца (типовой детали). Оценку геометрической и кинематической точности станков проводят по нормам ГОСТ для соответствующих типов станков. Допустимые значения отклонений зависят от класса точности станка. Общие требования к испытаниям станков на точность приведены в ГОСТ 8-82Е.

При испытании станков на геометрическую и кинематическую точность применяют универсальные и специальные измерительные приборы и инструменты.

В связи с интенсивным развитием измерительной техники все шире применяют высокоточные приборы, обеспечивающие автоматизированную запись информации, а в ряде случаев и ее обработку.

К числу таких приборов относятся лазерные интерферометры для оценки перемещений и точности позиционирования, автоколлиматоры с цифровой индикацией и выводом информации на микро-ЭВМ, приборы с различными типами датчиков для измерения точности вращения шпинделей и др.

Для измерения кинематической точности станков применяют специальные приборы (кинематомеры), которые позволяют оценить изменения передаточных отношений, возникающие в основном за счет погрешностей зубчатых передач (см. п. 14). Проверка точности кинематических цепей особенно важна для зуборезных станков. Применение получили кинематомеры, использующие магнитоэлектрический, оптический, фотоэлектрический и другие принципы действия датчиков, оценивающих точность движения (вращения) контролируемого звена [13]. Однако хотя для оценки геометрической и кинематической точности станков применяются современные приборы, а требования к точности станков возросли, общая методология испытания и принципы, заложенные при создании этих методов проверки, практически не изменились.

Испытания станков на статическую жесткость включают оценку деформации основных узлов станка, в первую очередь тех, которые определяют относительное положение инструмента и заготовки. Жесткость является также одной из основных характеристик виброустойчивости станка. Факторы, влияющие на жесткость станочных узлов, и методы экспериментальной оценки жесткости рассмотрены в книгах [9, 26, 60]. В Советском Союзе разработаны нормы жесткости для станков различных типов. Стандарты предусматривают метод нагружения, величину максималыной нагрузки и допу-стимые деформации узлов, регламентируют суммарную деформацию узлов (например, шпинделя и суппорта) в направлении, определяющем точность обработки. Характерно, что в последние годы стали выпускать стандарты, в которых одновременно приводятся нормы геометрической точности и жесткости станков данного типа. При этом допускаемые значения отдельных показателей зависят от класса точности станка.

Например, ГОСТ 25-80 распространяется на внутришлифовальные станки классов точности П, В и А. Для оценки геометрической точности предусмотрено 14 проверок. Так, для станков класса П допускается радиальное биение шпинделя 5 мкм, для станков класса В -- 3 мкм и для станков класса А -- 2 мкм. Проводится также проверка точности обработки изделия.

Проверка жесткости также предусматривает регламентацию сил и допустимых деформаций узлов в зависимости от класса точности станка.

Аналогичную структуру имеют и другие стандарты по нормам точности и жесткости, например ГОСТ 98-83Е для радиально-сверлильных и координатно-сверлильных станков, ГОСТ 18100-80 для токарно-револьверных одношпиндельных прутковых автоматов и др.

При исследовательских испытаниях на жесткость получают «кривую жесткости» -- нагрузочно-разгрузочную характеристику упругих деформаций в координатах «сила -- деформация узла». Форма этих кривых-- характер петли гистерезиса, величина запаздывания деформации, линейность характеристики и др. -- является диагностическим сигналом о состоянии упругой системы стайка. Жесткость станка непосредственно связана с точностью обработки, возможностью применения повышенных режимов обработки.

При проведении исследовательских испытаний станков на жесткость наблюдается тенденция перехода от применения динамометров с ручной нагрузкой и от измерения перемещений универсальными средствами к более совершенным приборам с автоматической регистрацией нагрузочно-разгрузочных характеристик и с высокоточными методами измерения деформаций. Например, несомненны перспективы имеет голографическая интерферометрия как бесконтактный достаточно универсальный и точный метод определения малых перемещений объекта.

Жесткость системы зависит как от упругости ее звеньев, так и от сил трения и характера контакта в стыках, и кривая жесткости будет иметь различный вид для работающего и неработающего станка. Поэтому применение бесконтактных методов измерения и снятия кривых жесткости при работе станка дает более точную информацию о его состоянии.

Испытание станков на виброустойчивость связано с анализом и оценкой тех динамических процессов, которые возникают в станке при его работе, особенно в процессе резания. Эти процессы оказывают непосредственное влияние на параметры точности обработанных поверхностей (точность формы, волнистость, шероховатость), а также могут привести к недопустимым явле-ниям (резонансу, возникновению интенсивных автоколебаний), исключающим возможность работы станка с определенными режимами обработки. Специфика металлорежущих станков заключается в том, что на возникновение колебаний определяющее влияние оказывает процесс резания. Фундаментальные исследования в этой области были проведены проф. В. А. Кудиновым, который при оценке динамической устойчивости рассматривает станок как многоконтурную замкнутую систему, учитывающую процессы резания, трения и процессы в приводе [21]. Эти исследования послужили основой для развития методов испытания станков на виброустойчивость.

Наибольшее развитие получили испытания, связанные с получением амплитудно-фазовой частотной характеристики (АФЧХ), которая позволяет оценить запас устойчивости станка и выявить влияние основных конструкционных и технологических факторов на динамические характеристики системы. Для снятия этих характеристик применяют специальные вибраторы (контактные и бесконтактные), которые обеспечивают силовые воздействия на упругую систему станка по заданному, обычно синусоидальному закону в определенном диапазоне частот. Отклик системы на данное воздействие (ее колебание с некоторой амплитудой и смещением по фазе по отношению к воздействующему сигналу) позволяет при помощи АФЧХ выявить ее динамическую характеристику.

При проведении таких испытаний обычно используют бесконтактные электромагнитные вибраторы, прецизионные измерительные преобразователи и соответствующую аппаратуру для измерения виброперемещений.

При испытании станков наиболее удобно применять аппаратуру, обеспечивающую автоматизированную обработку результатов и получение АФЧХ на дисплее ЭВМ или графопостроителе.

Оценивая развитие исследований и методов оценки динамического качества станков, следует отметить, что наибольшее распространение получили методы, позволяющие выявить области неустойчивой работы станка, определить допустимый диапазон режимов работы, указать слабые элементы, снижающие динамические характеристики системы. Все это необходимо, но недостаточно. Следует также оценивать влияние виброперемещений узлов станка на параметры качества обработанных изделий в зоне устойчивой работы станка. Это необходимо, потому что в пределах устойчивой работы станки характеристики его качества могут быть весьма различными и не всегда удовлетворять потребителя.

Особым видом испытаний, связанных с быстропротекающими процессами, является оценка плавности медленных перемещений столов и суппортов прецизионных станков, когда изменение условий трения в направляющих может привести к релаксационным колебаниям и оказать влияние на точность позиционирования [49]. Оценка тепловых деформаций станков особенно важна для прецизионных станков, когда изменение температурных полей станка играет доминирующую роль в обеспечении требуемой точности. Проявляясь во времени, тепловые деформации изменяют геометрические параметры станка, например, смещают ось шпинделя, искривляют направляющие, деформируют станину и нарушают взаимное положение узлов станка, несущих заготовку и инструмент. Кроме того, тепловые деформации могут привести к изменению жесткости системы, например, за счет увеличения натяга в подшипниках качения при их нагреве. Они могут также нарушить условия контакта в направляющих станка, в результате чего изменяются характеристики станка.

Исследованию тепловых деформаций станков посвящены книги [53, 64]. Для заводских испытаний разработаны соответствующие стандарты. Для определения тепловых деформаций узлов станка часто используют те же приборы, что и при оценке геометрической точности и жесткости станков. Однако специфика таких испытаний заключается в том, что надо измерять процесс, поскольку деформация изменяется во времени. Поэтому применяют самопишущие приборы, а при автоматизации эксперимента цифропечатающие устройства и дисплей, регистрирующие эти изменения. Кроме того, часто необходимо определять характеристики температурных полей и их изменение во времени. В этом случае измерительными преобразователями служат термопары, установленные в зоне источников теплоты и на исследуемых корпусных деталях. Для исследования динамики тепловых полей применяют тепловизоры, регистрирующие инфракрасные излучения объекта. Обработка на ЭВМ результатов измерения тепловых полей позволяет построить изотермы и другие характеристики, которые являются диагностическим признакам для оценки теплового состояния системы.

По мере повышения требований к прецизионности станков роль тепловых деформаций в балансе точности станка возрастаем).

Перечисленные виды испытаний станков, оценивающие геометрическую и кинематическую точность, жесткость, виброустойчивость и сопротивляемость тепловым деформациям, Являются основными; они направлены на то, чтобы обеспечить требуемые параметры качества станка. Соответствующие стандарты регламентируют как методы испытаний, так и допустимые значения характеристик станка. Однако нахождение всех определяемых параметров в допустимых пределах еще не дает гарантии того, что новая модель станка будет работоспособной в процессе эксплуатации.

Реальные условия работы станка более сложны, они отличаются широким диапазоном режимов и условий работы. Процессы, влияющие на работоспособность станка, взаимодействуют между собой (см. рис. 1), изменяя начальные параметры станка. При испытании новых конструкций нередко возникают такие взаимодействия, влияющие на точность станка, которые не выявляются при оценке его геометрической точности, жесткости и других показателей, определяемых при стандартных испытаниях. Поэтому при исследовательских испытаниях новых моделей станков часто применяют специальные виды и методы испытаний, которые более полно характеризуют качество станка. Эти испытания обычно являются результатом исследовательских работ по оценке тех или иных характеристик станков, изысканию новых методов измерения параметров, проверке теоретических расчетов, примененных при проектировании станка.

При этих испытаниях стремятся найти более общие, а не отдельные характеристики качества станка, более полно учесть условия работы станка при его использовании в производстве.

В качестве примера проведения специальных исследовательских испытаний при разработке новых конструкций высокопрецизионных станков можно привести оценку точности перемещения стола координатно-расточных станков. В основу конструкции был положен принцип управления характеристиками смешанного трения в направляющих [49], что позволило существенно повысить точность позиционирования стола. Испытание имело характер тонкого физического эксперимента с оценкой не только точности перемещения, но и динамики процесса, оценки сил трения, температур, изменения вязкости масла в направляющих, величины контактного сближения поверхностей направляющих стола и станины и других параметров. Таким образом, здесь было осуществлено комплексное испытание с одновременной оценкой геометрической точности, жесткости, динамических характеристик и тепловых воздействий.

При испытании высокоточных фрезерно-расточных станков была сделана попытка оценить ошибки перемещения органов станка во всем объеме рабочего пространства, там, где может быть установлена обрабатываемая деталь. Такая «объемная» точность станка, формирование пространственного «поля ошибок» и оценка влияния на них тепловых деформаций являются, по мнению проф. Е. А. Матиаса, более полной характеристикой станка.

Можно привести многочисленные примеры применения оригинальных методов исследований для оценки точностных характеристик новых моделей прецизионных станков и разработки на этой основе более совершенных конструкций.

Для того, чтобы достигнутое качество станка сохранялось в течение всего периода эксплуатации, необходимо также оценить его технологическую надежность. Эта оценка должна быть осуществлена до начала эксплуатации серии станков на основании испытания опытного образца станка. Только в этом случае можно будет избежать исправлений недостатков, выявляющихся лишь в процессе эксплуатации, и гарантировать эффективное использование станка в производстве

2. ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА НАДЕЖНОСТЬ

Определение показателей надежности станка, как и любого другого сложного изделия, является весьма трудной задачей по следующим причинам.

Во-первых, при испытании станка надо за сравнительно короткий промежуток времени оценить, как он будет работать в течение длительного периода его эксплуатации.

Во-вторых, надо учитывать, что показатели надежности имеют вероятностную природу, а при испытании опытных образцов можно использовать один-два станка.

В-третьих, для станков характерен широкий диапазон режимов работы и условий эксплуатации.

Согласно принятому определению, надежность -- это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002-83).

Функции металлорежущего станка заключаются в осуществлении установленных техническими условиями технологических процессов с заданными требованиями к точности и качеству поверхности.

Вероятность безотказной работы P(t) характеризует степень опасности отказа, и поэтому чем выше ее значение, тем, при прочих равных условиях, машина будет работать более надежно.

Сопряженным показателем является вероятность отказа F(t) = l-P(t).

Следует иметь в виду, что использование значений P(t) или F(t) без указания периода времени t=T, в течение которого рассматривается работа изделия, смысла не имеет, поскольку они связаны функциональ-ной зависимостью

(1)

Основным показателем надежности является вероятность безотказной работы P(t), т. е. вероятность того, что в заданном интервале времени t = T (или в пределах заданной наработки) отказа объекта не возникнет. Значение P(t) может находиться в пределах

Где f(t) - дифференциальный закон распределений (плотность распределения наработки до отказа) для срока службы изделия по данному выходному параметру.

Для станка, например, это закон распределения времени его работы до отказа в связи с нарушением точности.

Поскольку, если задано значение P(t=T), то значение t = T может быть определено или, наоборот, выбор нормированного показателя надежности осуществляется одним из двух способов.

При высоких требованиях к надежности изделия (станка или его элементов и механизмов) задаются допустимые значения P(t) и определяется время работы изделия t = Ty, соответствующее данной регламентированной вероятности безотказной работы. Значение Ту называется гамма-процентным ресурсом и по его величине судят о большей или меньшей надежности изделий.

1. При обычных требованиях к надежности (где отказ не приводит к тяжелым последствиям) можно задаваться ресурсом по точности t = Tp, например, из условия необходимости проведения планового ремонта станка. В этом случае о надежности изделия судят непосредственно по значению P(t).

2. Вероятность безотказной работы изделия P(t) за соответствующий период функционирования t = T является основным показателем надежности. Однако при определенных условиях этот показатель теряет свою наглядность и требуется. Привлечение дополнительных показателей надежности. Если в течение данного периода времени отказы, как правило, возникают (например, легко устранимые отказы, связанные с застреванием детали в транспортном лотке автоматической линии), т. е. P(t) O, то характеристикой безотказности может служить среднее число отказов Q(t) в данном интервале времени от 0 до Т (так называемая ведущая функция) или параметр потока отказов

, (2)

где Тср -- наработка на отказ, т. е. средняя продолжительность работы изделия между отказами.

Параметр потока отказов -- это среднее число отказов изделия в единицу времени.

Если же за рассматриваемый промежуток времени отказы недопустимы, т. е. Р(t) l, то для оценки безотказности можно пользоваться понятием запаса надежности Кн по отношению к заданному выходному параметру станка х. Пусть установлено, что за данный период времени t = T выходной параметр станка х, характеризующий погрешность обработки, может принимать различные значения (так как является случайной величиной), а его экстремальная для данных условий величина равна Xэк. Если предельно допустимое значение параметра Xmax, при котором наступит отказ изделия, будет допускать более широкие пределы для изменения выходного параметра, т. е. Xmax>Xэк, то запас надежности

(3)

Запас надежности можно подсчитать так же, как отношение Хmах к такому значению параметра Xу, при котором с заданной вероятностью параметр не выйдет за допустимые пределы:

(4)

Надежность станков можно рассматривать с двух основных позиций -- как надежность машины, когда оцениваются все виды отказов, и как надежность технологической системы, когда принимаются во внимание лишь те отказы, которые связаны с выпуском некачественной продукции.

Для оборудования особое значение имеет рассмотрение его технологической надежности, которая непосредственно связана с качеством выпускаемой продукции.

Объектом испытания на надежность могут быть отдельные узлы и механизмы станка, весь станок и система станков (автоматическая линия, участок, цех). При испытании на надежность относительно простых изделий (например, подшипников качения) в ряде случаев можно накопить статистические данные о длительности работы изделия до отказа и на их основании выявить закон распределения сроков службы (наработки) f(t). Значение этого закона позволит получить любые показатели надежности.

Однако испытание на надежность станков, которые являются сложными высокоразвитыми системами, представляет значительные трудности, поскольку требуется оценить уровень надежности станка, его способность сохранять точностные параметры в течение длительного периода эксплуатации.

В настоящее время нет установившихся методов испытания станков на надежность, а идет поиск и апробирование различных вариантов проведения таких испытаний, изыскание новых методов оценки надежности. Рассмотрим кратко различные методические подходы для решения этой задачи.

А. Ресурсные испытания станка без форсирования условий его работы заключаются в доведении станка до отказа по установленным точностным параметрам при выбранных режимах работы станка (средних, типовых) и специально подготовленном объекте испытания (как правило, с высокими начальными показателями). Длительность таких испытаний достаточно велика, и полученные результаты (обычно одно значение наработки до отказа) отражают лишь свойства данного станка при принятых условиях испытания. Поэтому их эффективность невелика, а трудоемкость весьма значительна. Если же будет сделана попытка получить статистический ряд наработок станка до отказа при различных условиях испытания для того, чтобы установить закон f(t) и оценить вероятность безотказной работы P(t) за достаточно длительный период, то такой вариант испытаний является нереальным из-за его длительности. Таким методом можно достичь некоторых положительных результатов лишь при испытании отдельных механизмов, если их работа в течение цикла станка занимает, незначительное время (например, механизмы поворота и фиксации, механизмы загрузки и др.). В этом случае проведение уплотненных по времени испытаний позволит получить представление об их работоспособности за длительный период нормальной эксплуатации станка. Однако для стайка в целом оценка его надежности на основании ресурсных испытаний при нормальных режимах работы практически неосуществима.

Б. Оценка надежности станка по данным эксплуатации позволяет с большой достоверностью получить необходимые сведения об их качестве и надежности.

Статистические данные о потере работоспособности элементов и узлов станка, об отказах станка по параметру точности, полученные в процессе его эксплуатации и ремонта, позволяют определить показатели надежности для данной модели с учетом различных режимов работы и условий эксплуатации.

Основной недостаток статистических исследований заключается не столько в необходимости иметь достаточное число станков, находящихся в эксплуатации, сколько в том, что полные данные о надежности можно получить тогда, когда ценность этих сведений минимальна, поскольку станки уже устарели и нужна оценка надежности новых моделей станков. Данные о механизмах и узлах станка, обладающих низкой долговечностью, и общие выводы о работоспособности станков данной модели могут быть использованы при проектировании новых станков. Кроме того, результаты эксплуатационных наблюдений могут быть непосредственно использованы для тех узлов, которые не претерпели конструктивных изменений.

Однако оценить надежность новой модели станка на основании статистики об отказах ее прототипа практически невозможно.

Существующие методы статистической экстраполяции мало пригодны для станочных систем, поскольку новые модели обладают, как правило, значительными индивидуальными особенностями.

Другой вид эксплуатационных испытаний на надежность проводится при работе сложных станочных систем, например автоматических линий, когда в течение непродолжительного периода времени возникают разнообразные, сравнительно легко устранимые отказы и возможно статистическое описание потока отказов.

Оценка параметра этого потока и статистическая обработка полученных данных дают определенную информацию о надежности изделия. Наблюдение за работоспособностью объекта и накопление статистики об отказах часто рассматривают как основное испытание на надежность сложной системы. В первый период работы обычно имеют место так называемые приработочные отказы, а затем значение параметра потока отказов стабилизируется. В этом случае закон распределения отказов экспоненциальный и для характеристики надежности определяется средний срок службы или наработка на отказа.

Следует отметить, что при таких испытаниях обычно фиксируются всё виды отказов, как, например, изнашивание режущего инструмента, застревание заготовки в транспортном лотке автоматической линии, несрабатывание механизма загрузки из-за попадания стружки, отказы системы управления и др., в основном отказы, связанные с нарушением правильности функционирования линии или требующие малых затрат времени на восстановление ее работоспособности. Для анализа отказов их относят к отдельным узлам и системам исследуемого комплекса и разбивают на категории по последствиям, к которым приводит отказ. Такие испытания дают информацию об отказах сложного комплекса (например, автоматической линии) за сравнительно короткий промежуток времени, и их часто отождествляют с испытанием на надежность. В действительности это не так, поскольку при таких эксплуатационных испытаниях фиксируются лишь недопустимые отказы и те легко устранимые отказы, которые могут допускаться по условиям эксплуатации.

Таким образом, основное число отказов при этих испытаниях связано с несовершенством станка или линии станков с точки зрения надежности и отражает период освоения новых конструкций. Основные причины потери системой работоспособности из-за медленно протекающих процессов старения остались при таких испытаниях невыясненными и показатели надежности за длительный период эксплуатации неизвестными. Поэтому испытания по оценке параметра потока отказов являются необходимым, но недостаточным этапом по определению показателей надежности сложных систем. Главная задача при испытании надежности сложных систем - определить изменение их выходных параметров, в первую очередь параметров, связанных с точностью обработки за весь период эксплуатации.

В. Ускоренные испытания на надежность часто считают тем ключом, который позволяет решить задачу по получению показателей надежности за сравнительно короткий промежуток времени. Сокращение времени на проведение испытаний на надежность является проблемой, имеющей первостепенное значение с точки зрения экономии средств, идущих на испытания, и, главное, для сокращения времени освоения новых изделий. За последние годы появился ряд методик и рекомендаций по ускоренным испытаниям на надежность металлорежущих станков и их узлов [29], которые, однако, не получили широкого распространения.

При ускоренных испытаниях изделий применяются такие методы их проведения, при которых обеспечивается получение необходимого объема информации в более короткий срок, чем в предусмотренных условиях и режимах эксплуатации. Различают форсированные испытания, основанные на интенсификации процессов, вызывающих отказы или повреждения, и сокращенные испытания без интенсификации этих процессов.

Сокращение длительности испытаний без интенсификации процессов старения и разрушения может быть достигнуто различными методами. Наиболее простой метод заключается в уплотнении испытаний по времени -- в сокращении вспомогательных (холостых) ходов и простоев, круглосуточной непрерывной работы станка и т. п. Однако использовать этот метод ускорения испытаний можно только после анализа влияния перерывов в работе изделия на интенсивность процесса разрушения. Здесь могут встретиться различные случаи. Например, увеличение частоты циклов нагрузки при усталостных разрушениях в большинстве случаев не влияет на конечный результат.

При изнашивании деталей наличие перерывов в работе может как увеличивать износ, например, при жидкостном трении в подшипниках скольжения, так и уменьшать его, например, при эксплуатации металлорежущего инструмента, так как при перерывах в работе он охлаждается.

Уплотнение испытаний по времени не искажает в большинстве случаев процесса потери станком работоспособности, но дает заметный эффект лишь для тех его механизмов, которые мало загружены в процессе нормальной эксплуатации. Например, работа механизма загрузки станка-автомата составляет незначительную долю в балансе рабочего времени станка. Применение приведенного метода ускорения испытания для всего станка не даст заметного эффекта, поскольку современные станки работают в интенсивных условиях эксплуатации с высоким коэффициентом использования.

Форсирование режимов испытания за счет применения при испытании более высоких нагрузок, скоростей, температур и других режимов работы изделия по сравнению с эксплуатационными интенсифицирует процессы повреждения и ускоряет наступление отказа.

Трудность разработки методов ускоренных испытаний заключается в том, что всякая интенсификация процессов разрушения или старения приводит к искажению истинной картины потери изделием работоспособности.

Перед исследователем всегда встает вопрос, возможно ли на основании этих искаженных данных иметь суждение о поведении изделия в нормальных условиях эксплуатации и если да, то как осуществить оценку надежности изделия. Обычно положительный ответ на данный вопрос связан с объектом испытания, с его сложностью и теми задачами, которые ставятся при испытании.

При испытании стойкости материалов и надежности простых изделий с одним ведущим процессом повреждения имеются большие возможности для форсирования испытаний, чем для сложных изделий. Чем сложнее изделие, тем большее число его элементов работает в различных динамических условиях и форсирование процессе потери изделием работоспособности по-разному скажется на изменении состояния отдельных его частей. В результате будет иметь место искажение общей картины потери машиной работоспособности по сравнению с нормальными условиями эксплуатации.

Возможность проведения ускоренных испытаний осложняется еще тем, что реальные условия нагружения любой машины при ее эксплуатации характеризуются спектром нагрузок, который имеет вероятностную природу.

Метод ускоренных испытаний следует применять весьма осторожно, так как работа механизмов при форсированных режимах может вызывать новые явления. При протекании процессов старения и разрушения, не характерные для применяемых условий эксплуатации, и качественно изменить картину отказов. В этом случае приведение показателей надежности к нормальным условиям работы изделия может иметь формальный характер и привести к грубым ошибкам.

Можно привести многочисленные примеры успешного проведения форсированных испытаний на надежность сравнительно простых изделий и механизмов с одним ведущим процессом разрушения, например износом. Но попытки проведения таких испытаний для станка в целом успеха не имели, особенно когда это связано с показателями точности его работы.

Ускорение испытаний может быть получено также за счет повышения точности измерений. Такие методы, как измерение износа с применением радиоактивных изотопов, измерение точности перемещения движущихся тел с помощью лазерной техники, применение высокочувствительных датчиков для определения деформации и др., позволяют регистрировать малейшие изменения параметров, характеризующих начальное состояние изделия. Таким образом, характер изменения выходного параметра может быть выявлен в более короткое время и нет необходимости доводить станок до предельного состояния. Для стайка может быть назначен условный допуск -- предельно допустимое значение выходного параметра, более строгое, чем по техническим требованиям. В этом случае испытание станка ведется до того момента, когда можно определить скорость потери им работоспособности.

Для оценки надежности этим методом надо знать закономерность процесса потери работоспособности и его скорость применительно к изменению выходных параметров, т. е. для оценки надежности станка необходимо испытания сочетать с прогнозированием.

Оценивая возможности проведения ускоренных испытаний станков на надежность, следует отметить ограниченность их применения, поскольку они обладают существенными недостатками: сокращение времени простоев станка и его непрерывное испытание незначительно ускоряют процесс получения необходимой информации; форсирование режимов и условий эксплуатации искажает действительные соотношения и данные о скоростях изменения начальных параметров станка.

Повышение точности измерения параметров станка дает эффект лишь в том случае, если оно дополняется прогнозированием процесса потери станком работоспособности, что является самостоятельной сложной проблемой, рассмотренной ниже. Кроме того, результаты ускоренных испытаний, полученные по одному или нескольким образцам, не дают статистической картины потери станком работоспособности.

Г. Испытания станков на технологическую надежность, которые были разработаны для получения хотя и ограниченных, но достоверных данных о надежности станка [57], явились прообразом тех комплексных испытаний по программному методу, которому посвящена данная книга.

Технологическая надежность станка -- это его способность сохранять качественные показатели технологического процесса (точность обработки и качество поверхности) в течение заданного промежутка времени. Как было показано выше (см. рис. 1), под влиянием различных процессов происходит постепенное изменение показателей качества станка.

Испытания станков на технологическую надежность ставят своей целью, во-первых, установить запас по точности обработки, которым обладает данный станок и, во-вторых, дать прогноз о времени расходования станком этого запаса точности, т. е. оценить его ресурс по точности. При таких испытаниях проводилась оценки точности обработки для так называемой типовой детали, которая выбиралась как представитель всей номенклатуры обрабатываемых на станке деталей. Конфигурация данной детали должна быть такова, чтобы в технологическом процессе ее обработки были использованы все основные возможности станка, а ее размеры определялись как наиболее вероятные из статистического анализа изделий, обрабатываемых на станке данного назначения. Из этих же соображений выбирались режимы обработки и материала изделий.

При испытании учитывались быстропротекающие процессы и процессы средней скорости и определялся запас надежности по каждому из параметров точности обработанной партии типовых деталей. В отдельных случаях осуществлялась попытка прогноза потери точности, в основном из-за изнашивания направляющих. Таким образом, при этих испытаниях вероятностная Природа номенклатуры, обрабатываемых на станке деталей отражалась путем выбора соответствующих параметров типовой детали, а рассеяние параметров оценивалось при обработке партии типовых деталей.

3. ДИАГНОСТИКА СТАНКОВ

За последние годы в станкостроении для оценки состояния станка, его работоспособности и выявления тех причин и элементов станка, которые оказывают основное влияние на изменение его выходных параметров, все шире начинают применять методы технической диагностики. Для развития диагностики станков, как и других машин, характерно два направления -- предэксплуатационная диагностика новых образцов машин и диагностика в процессе эксплуатации.

Эксплуатационная диагностика связана с тем, что имеется широкий диапазон условий и режимов эксплуатации, а также вариация начальных показателей качества станка, которые приводят к значительной дисперсии в скоростях потери станком работоспособности и, соответственно, времени достижения предельного состояния. Поэтому весьма важно иметь методы и средства для оценки технического состояния станка, выявления причин нарушения работоспособности, установления вида и места возникновения повреждений. Предэксплуатационная диагностика является элементом комплексных испытаний опытных образцов машин и призвана выявить слабые места конструкции, указать основные причины, вызывающие недопустимые отклонения выходных параметров. Выявленные взаимосвязи между функционированием отдельных элементов и механизмов станка и его выходными параметрами являются основой для создания систем диагностирования.

Система диагностирования, включающая объект и применяемые средства диагностики, относится к системам контроля. Однако специфика технической диагностики заключается в направленности ее методов на определение состояния изделий, когда проверка технического состояния сложного объекта строится как процесс управления этим объектом, выполняемый по определенной программе.

Объектом технического диагностирования может быть изделие в целом или его составные части. Однако в большинстве случаев для сложных машин контроль одного или нескольких элементов малоэффективен, так как остается неизвестным состояние остальных частей машины. Поэтому в последние годы разрабатываются системы диагностирования для оценки работоспособности всех основных элементов и машины в целом. Для этой цели, особенно для объектов с высокими требованиями к надежности, создаются сложные автоматизированные системы диагностики, которые при помощи датчиков измеряют большое число параметров, обрабатывают эти показания и делают заключение о работоспособности объекта.

Эти принципы начинают применяться и для предэксплуатационной диагностики станков.

Применение диагностики в процессе эксплуатации 1 станка накладывает свой отпечаток на методы и средства диагностики, которые должны быть удобны для применения в заводских условиях, обеспечивать осуществление процесса диагностирования в минимальное время, обладать достоверностью показаний, особенно при высоких требованиях к надежности изделия, осуществлять контроль без разборки, а в отдельных случаях и без нарушения работы механизма, быть экономически целесообразными. Конструкция станка должна быть приспособлена для нужд диагностики: либо иметь встроенные приборы, оценивающие его параметры (дав-ление в гидросистеме, температуру энергонапряженных узлов, точность движения, скорость и т. д.), либо периодически подключаться к специальному устройству, осуществляющему контроль основных параметров станка и дающему заключение о его состоянии.

Параметрами технического состояния (диагностическими признаками), по которым можно судить об объекте и которые контролируются в процессе диагностирования, могут быть:

а) параметры станка, непосредственно характеризующие его работоспособность (биение шпинделя, точность перемещения суппорта по направляющим, точность позиционирования стола и др.);

б) повреждения, которые возникают в процессе эксплуатации и приводят или могут привести к отказу.

Величины износа, деформации являются теми диагностическими признаками, по которым также можно сделать вывод о техническом состоянии станка, так как они являются первопричиной отказа и связаны с выходными параметрами некоторой функциональной зависимостью. Число этих признаков в станке весьма велико и их одновременное диагностирование обычно затруднительно. Поэтому следует контролировать те элементы, о которых заранее известно, что их повреждение является основной причиной потери станком работоспособности, например изнашивание направляющих, ходовых винтов, шпиндельных подшипников, коробление станины и корпусных деталей;

в) косвенные признаки, функционально или стохастически связанные с выходными параметрами. К их числу относятся виброакустические характеристики, тепловые поля станка, наличие в смазывающих материалах продуктов изнашивания и др. Существенным преимуществом использования косвенных признаков является возможность их оценки в процессе работы станка.

Недостаток этих методов заключается в наличии стохастической связи между косвенными признаками и выходными параметрами и влиянии на диагностический сигнал посторонних факторов (шумов), не связанных с работоспособностью станка. Тем не менее, косвенные признаки работоспособности изделия широко применяются для нужд диагностики.

Можно привести ряд примеров применения методов технической диагностики для оценки состояния металлорежущих станков. Так, при исследовании механизмов многошпиндельных токарных автоматов [31] диагностическим признаком служили значения крутящего момента на распределительном валу. Расшифровка осциллограмм крутящего момента позволяет выявить характерные нарушения работоспособности поворотно-фиксирующих и других механизмов, связанные с их некачественными сборкой и регулированием.

Используют виброакустическую диагностику привода станков с применением спектрального анализа частот диагностического сигнала, что позволяет оценить вклад каждой зубчатой пары привода и подшипников качения в формирование результирующей характеристики и выявить слабые места конструкции.

В ряде случаев в качестве диагностического сигнала о состоянии шпиндельного узла используют его АФЧХ [21].

Оценивая успехи технической диагностики и достигнутые результаты ее применения в станках, следует отметить, что диагностические методы еще не стали неотъемлемым элементом системы испытания станков, и в этом направлении имеются широкие возможности.