加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法的研究 (下)
2017-6-30 來源： 吉林大學 作者： 譚壯
第 5 章加工中心主軸箱體制造過程關鍵工序質量控制點
控制圖分析方法雖然能夠發現加工中心主軸箱體制造過程存在異常，但不能判別出制造過程的異常波動是由哪一種具體異常原因所造成，因此需要花費大量的時間去尋找具體的異常原因并將其排除，而不能主動預防或者減少制造過程異常原因的出現。制造過程的異常原因來源于與加工中心主軸箱體制造過程密切相關的生產環境、工件材料、生產設備、生產人員、工藝方法、測量等六個因素（簡稱 5M1E）。基于上述六個因素的角度建立加工中心主軸箱體制造過程關鍵工序質量控制點，可以防止或者減少制造過程異常因素的出現，從而系統性的保障加工中心主軸箱體制造工藝可靠性。 加工中心主軸箱體制造過程關鍵工序質量控制點的內容包括提出建點計劃、編制關鍵工序質量控制點作業文件、建立關鍵工序控制點檔案以及管理關鍵工序質量控制點。本章將詳細闡述上述四部分關鍵工序質量控制點內容。 5.1 提出建立關鍵工序質量控制點計劃
5.1.1 一般關鍵工序
根據 Pareto 法則可以知道，加工中心主軸箱體制造工藝可靠性是由關鍵的少數工序所決定[60]。對這些關鍵的少數工序建立質量控制點有利于減少工作量提高工作效率，并有效保障加工中心主軸箱體制造工藝可靠性。提出建立關鍵工序質量控制點計劃的主要內容是明確建點工序的名稱、技術要求、相關作業文件及責任部門。 關鍵工序指的是對產品質量尤其是可靠性起著關鍵作用的工序[60]。在此定義的基礎上，本文將需要建點的關鍵工序分為一般關鍵工序和特殊關鍵工序兩種。一般關鍵工序指的是制造工藝可靠性評價指標不符合規定要求或者具有不符合規定要求的風險較大的工序，也稱為薄弱工序，如工藝故障風險優先數高的工序、工序能力不足的工序、制造過程存在異常因素較多的工序等。不同的生產企業有不同的標準，因此需要按照生產企業的具體要求評定出一般關鍵工序。 本文第三章的制造工藝 FMECA 方法可以確定出加工中心主軸箱體制造過 程中風險優先數較高的工序，第四章的控制圖分析方法可以確定出加工中心主軸 箱體制造過程中波動較大、異常原因較多、工序能力不足的工序，上述兩章內容是確定加工中心主軸箱體制造過程一般關鍵工序的重要方法。
5.1.2 特殊關鍵工序
特殊關鍵工序指的是制造工藝可靠性評價指標符合規定要求或不符合規定要求的風險較小，但是對其它工序產生惡劣影響較大的工序。一般關鍵工序強調的是工序本身的薄弱，而特殊關鍵工序則是強調對其它工序的惡劣影響。 特殊關鍵工序應根據加工中心主軸箱體制造過程的具體情況進行具體分析，其中典型的情況為后續制造工序對之前已經完成的制造工序的影響，尤其是加工中心主軸箱體的主軸孔因生產原因優先完成加工，后續孔位的加工必然會影響到主軸孔的制造精度。這種影響可以分為兩種，一種是有利的影響即提高了主軸孔的制造精度，另一種則是不利影響即降低了主軸孔的制造精度，因此為了能夠采取針對性措施降低后續孔位對主軸孔的不利影響，需要量化分析出后續孔位對主軸孔的影響程度，對主軸孔制造精度不利影響程度較大的工序即可作為特殊關鍵工序。Zhuang Tan[84]研究了量化分析數控機床主軸箱體后續孔位對已加工完成主軸孔制造誤差的影響程度，并對其研究方法進行了實例分析，本文以分析加工中心主軸箱體后續孔位對主軸孔制造誤差的影響程度為例，說明其研究方法的原理，分析過程如下：
通過以上的計算步驟不僅可以找出與主軸孔存在偏相關系數的后續加工孔，也可以發現其它孔之間是否存在顯著的相關性，并為后續的制造誤差傳遞關系量化提供依據。
(3) 誤差傳遞量化分析 偏最小二乘法（PLS）是研究兩個相關數據塊或矩陣的一種方法且能夠在自變量存在相關關系且樣本數量較小的情況下得到準確的回歸[85-86]。因此為了得到后續加工孔與主軸孔的量化關系，本文采用非線性偏最小二乘法（NIPALS）對其進行回歸分析。 通過上述相關性分析找出與主軸孔存在偏相關關系的 L 個后續加工孔，以這些孔的制造誤差作為自變量? ?1 2 LX ，X ，??，X ，主軸孔的制造誤差作為因變量? ?zkY , n 為樣本數量，從而可以得到因變量與自變量的樣本矩陣：
通過式 5.6 建立的誤差傳遞量化關系數學模型，可以發現變量系數越大對主軸孔制造誤差影響越大，當系數為正時，提高該孔的制造精度有利于減小主軸孔的制造誤差，系數為負時，只能降低該孔制造精度才能減小主軸孔的制造誤差，而孔的精度等級是由設計決定的，所以降低制造精度是不現實的。上述分析結論是從回歸模型的數學關系中推導出的，實際上應當分析出這種回歸模型背后的因素，即后續孔位加工時產生的熱量或是切削力等原因造成主軸孔的變化，根據分析出的原因制定相關預防措施可以減少后續加工孔位對主軸孔制造精度的不利影響。
5.2 編制關鍵工序質量控制點作業文件
5.2.1 制造過程相關因素分析
加工中心主軸箱體制造過程涉及到多個生產因素，如圖 51 所示，這些因素包括生產環境、工件材料、生產設備、生產人員、工藝方法、測量，簡稱 5M1E。造成工藝故障發生的異常因素必定與上述六個因素相關，因此針對上述六個因素制定一系列的控制文件將有利于減少異常因素的出現。
圖 5.1 加工中心主軸箱體制造過程相關因素
圖 5.1 中各個因素的具體內容如下： 生產環境： 加工中心主軸箱體生產現場的濕度、溫度、照明、衛生清潔等； 工件材料：加工中心主軸箱體的毛坯質量、成分、物理化學性能等； 生產設備：加工主軸箱體所需要的設備儀器、工裝夾具等的性能狀況； 生產人員：加工主軸箱體的操作人員技能、積極性、責任心等； 工藝方法：加工中心主軸箱體的制造工藝流程、生產要求等； 測量：對加工中心主軸箱體工序質量進行檢測時所采用的測量儀器、測量方法等。 明確了與加工中心主軸箱體制造過程相關的六個因素之后，需要從這六個因素的角度制定相應的控制文件，可以使加工中心主軸箱體制造過程更加規范，出現問題后也可以迅速查出問題的原因。
5.2.2 關鍵工序質量控制點作業文件
5.2.2.1基于生產人員的控制點作業文件
生產人員的操作水平將直接影響到加工中心主軸箱體制造工序的質量，具有很強的柔性即波動性較大，并且受招聘條件、培訓水平及企業激勵政策等條件影響較大，因此企業有必要針對上述影響條件制定相應方案，從而充分調動操作人員的主觀能動性。 結合加工中心主軸箱體生產過程實際情況，只要有利于提高生產人員的操作水平的措施均可以作為針對生產人員的控制點作業文件。本文提倡使用效率較高，應用廣泛的《人員操作規范要求》，目前許多企業都有相似標題的文件，但是僅局限于一般性的要求如時間要求、行為要求等。本文提出的《人員操作規范要求》不僅具備一般性要求，還應具備針對一般關鍵工序所需要的設備操作要求、針對特殊關鍵工序所需要的特殊操作要求等。
5.2.2.2基于工藝方法的控制點作業文件
根據加工中心主軸箱體設計要求，采用合理的工藝方法，制定合理的工藝要求不僅可以提高加工效率，也可以減少工藝故障的發生提高成品率。目前許多企業只重視產品設計而輕視制造工藝，許多工藝文件陳舊多年不更新，生產線操作人員多憑生產經驗進行生產，無法保障制造工序質量的穩定。因此為了確保關鍵工序的質量穩定，有必要完善相關的工藝文件包括工藝內容、裝夾要求、切削要求等。
5.2.2.3基于生產設備的控制點作業文件
生產設備是完成加工中心主軸箱體制造工序的關鍵工具，生產設備的性能將直接影響到工序的質量，也是異常因素發生較多的區域。因此有必要針對關鍵工序制定相應的生產設備控制點作業文件，常用的有《加工設備日常點檢卡》如表5.1 所示，可以用來監測加工設備每天的性能狀況；《加工設備周期檢查卡》如表5.2 所示，可以用來監測加工設備每個階段的性能狀況；《加工設備管理與維護保養要求》可以用來維護加工設備的性能，使其滿足生產需要；《工具、工裝管理規定》可以用來維護、管理工裝夾具的使用性能，確保其滿足生產要求。
表 5.1 加工設備日常點檢卡（示例）
表 5.2 加工設備周期檢查卡（示例）
5.2.2.4基于工件材料的控制點作業文件
加工中心主軸箱體的毛坯通常是鑄造而成，鑄造水平低容易造成零件存在砂眼、氣孔等問題，因此為了確保毛坯的各項性能符合生產要求，本文提出制定《鑄造工藝可靠性檢查表》，如表 5.3 所示。《鑄造工藝可靠性檢查表》可以針對需要滿足的工藝要求進行核對，防止出現疏忽遺漏某項工藝要求的情況。
表 5.3 鑄造工藝可靠性檢查表（示例）
5.2.2.5基于測量的控制點作業文件
測量方法是否正確、測量器具的準確性等均會影響到對加工中心主軸箱體制造工序質量的判斷，為了避免測量對制造工序質量產生不利影響，需要針對測量相關的因素制定控制文件，目前應用較為廣泛的是《計量儀器周期檢查卡》如表5.4 所示、《計量器具使用、維護和保養規范》。
5.2.2.6基于生產環境的控制點作業文件
加工中心主軸箱體生產現場的濕度、溫度、光照強度、衛生清潔等對工序質量都會產生一定的影響。一般而言，關鍵工序對生產環境的要求都是比較嚴格的，因此有必要對生產環境制定相應的規范，目前應用較為廣泛的是《生產車間管理規定》，該規定能夠針對生產環境、儀器擺放等作出詳細要求，從而保障加工中心主軸箱體車間環境符合生產要求。
表 5.4 計量儀器周期檢查卡（示例）
5.2.2.7基于多種因素的控制點作業文件
上述關鍵工序質量控制點文件均是針對單一的影響因素，然而從制造工藝的設計到執行結束的整個階段涉及到多個影響因素，為了能夠防止某個環節出現遺漏或者疏忽，本文提出針對關鍵工序建立《制造工藝可靠性檢查表》如表 5.5 所示。
表 5.5 制造工藝可靠性檢查表（示例）
需要指出的是，上述控制文件應根據企業的實際生產需要進行增減或者更改，制定相關文件時應盡可能使文件內容明確。 5.3 建立關鍵工序質量控制點檔案上一節針對與加工中心主軸箱體制造過程密切相關的 5M1E 因素建立了相應的控制文件，上述文件經過批準后需要建立關鍵工序質量控制點檔案，檔案應包括所有關鍵工序質量控制點文件，建立檔案可以便于控制點文件的實施和檢查控制點文件實施情況。
5.4 管理關鍵工序質量控制點
明確加工中心主軸箱體關鍵工序質量控制點所涉及人員（包括生產操作者、技術人員、生產設備管理人員、檢測人員等）的職責和要求如表 5.6 所示，涉及人員應嚴格按照規定要求履行各自的職責并有效控制加工中心主軸箱體的制造過程，預防異常因素的發生，保障加工中心主軸箱體制造工藝可靠性。
表 5.6 關鍵工序質量控制點涉及人員的職責要求（示例）
5.5 關鍵工序質量控制點應用實例
在與企業進行項目合作期間，對加工中心主軸箱體制造工序 23 建立了關鍵工序質量控制點并進行了實施，部分實施文件如圖 5.1、圖 5.2、圖 5.3、圖 5.4、圖 5.5、圖 5.6 所示。其中圖 5.1 為實施的《機械加工作業指導書》，對加工中心主軸箱體的裝夾、檢測內容等作出了詳細的要求；圖 5.2 為實施的《設備日常點檢卡》，可將其貼放在加工設備上或者工作桌上，按要求對各項內容進行檢查，如果檢查結果沒有問題在相應的表格中打√，如果檢查結果出現問題在相應的表格中打×；圖 5.3 為實施的《計量儀器周期檢查卡》，由負責計量器具維護人員進行管理維護，并按規定頻率對各項內容進行檢查，校正時間為執行校正的年度，如果檢查結果沒有問題在相應的表格中打√，如果檢查結果出現問題在相應的表格中打×；圖 5.4 為《加工中心主軸箱體制造過程可靠性檢查表》，對制造過程涉及到的 5M1E 因素進行核對，防止出現遺漏，如果核對沒有問題在相應表格中打√，相關負責人進行簽字確認；圖 5.5 為實施的《工序質量分析單》，對各個工序質量特性包括尺寸精度、粗糙度、形位誤差進行評定，并給出整個工序質量的分析結果；圖 5.6 為實施的其它文件，并進行了存檔。經過一段時間的實施，關鍵工序質量控制點的控制文件對于預防異常因素的發生取得了良好的效果。
圖 5.1 機械加工作業指導書
圖 5.2 設備日常點檢卡
圖 5.3 計量儀器周期檢查卡
圖 5.4 加工中心零部件制造過程可靠性檢查表
圖 5.5 工序質量分析單
圖 5.6 實施的其它文件
5.6 本章小結
本章詳細介紹了加工中心主軸箱體制造過程關鍵工序質量控制點的內容，包括提出建立關鍵工序質量控制點計劃、編制關鍵工序質量控制點作業文件、建立關鍵工序控制點檔案以及管理關鍵工序質量控制點。提出了一般關鍵工序和特殊關鍵工序的定義，確定關鍵工序需要采用的方法，分析了與加工中心主軸箱體制造過程密切相關的 5M1E 因素，并針對各個因素制定相應的控制文件，描述了建
立以及管理關鍵工序質量控制點的方法，最后通過實例表明關鍵工序質量控制點具有很強的可實施性，對于預防異常因素的發生，保障加工中心主軸箱體制造工藝可靠性具有重要意義。
第 6 章 總結與展望
6.1 論文總結
本文以加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法為研究對象，在深入的分析總結了現有相關研究成果的基礎上，結合企業的長期實踐，從多個角度并逐層加深的對加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法進行了探討，本文的研究內容總結如下：
1.分析了加工中心主軸箱體的結構及其在加工中心整機中的作用，說明了不同型號加工中心主軸箱體在制造工藝上的相似性。從加工中心主軸箱體制造過程符合規定要求能力的角度，給出了加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的定義，同時提出了用于評價加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的指標體系，包括工藝可靠度、工藝故障風險優先數、工藝穩定性、平均工藝故障間隔時間、平均工藝故障修復時間、合格工序平均完成時間、單個合格工件平均完成時間，并詳細描述了各個評價指標的含義與計算方法。
2.對加工中心主軸箱體制造過程應用工藝 FMECA 分析方法，為了解決數據不足的問題，本文將風險優先數定為評判原則，對以故障原因為單位的工藝故障模式應用梯形模糊數評判方法，從而得出各工藝故障模式的風險程度排序，再對加工中心主軸箱體整個工藝系統進行綜合評判，確定出系統風險等級，為是否實施改進措施提供依據。對加工中心主軸箱體應用制造工藝 FMECA 方法能夠從發生工藝故障的角度制定相應的改進措施，從而直接有效的保障加工中心主軸箱體制造工藝可靠性，并為建立關鍵工序質量控制點確定出薄弱工序。
3.對加工中心主軸箱體制造過程應用控制圖分析方法，利用 MATLAB-GUI（圖形用戶界面）編制了加工中心主軸箱體制造過程 x ?s 控制圖分析軟件，該軟件具備數據錄入、數據計算處理、繪制控制圖、判斷制造過程是否異常、記錄工藝故障數據等功能，通過實例分析表明所編制軟件能夠準確快速計算樣本數據、繪制分析用S 圖和 x 圖、判斷出加工中心主軸箱體制造過程是否存在異常，通過對異常因素和異常樣本數據的排除可以生成相應的控制用控制圖，用于監測加工中心主軸箱體制造過程的波動情況。對加工中心主軸箱體制造過程應用控制圖分析吉林大學碩士學位論文 76 方法，能夠從減少制造過程異常波動、預防工藝故障發生的角度保障加工中心主軸箱體制造工藝可靠性，并為建立關鍵工序質量控制點確定出薄弱工序。
4. 對加工中心主軸箱體制造過程薄弱工序或其它特殊關鍵工序建立關鍵工序質量控制點。提出了加工中心主軸箱體制造過程一般關鍵工序和特殊關鍵工序的定義，以及確定關鍵工序需要采用的方法。說明了加工中心主軸箱體制造過程關鍵工序質量控制點的主要內容，包括提出建立關鍵工序質量控制點計劃、編制
關鍵工序質量控制點作業文件、建立關鍵工序控制點檔案以及管理關鍵工序質量控制點。分析了與加工中心主軸箱體制造過程密切相關的 5M1E 因素，并針對各個因素制定相應的控制文件，描述了建立及管理關鍵工序質量控制點的方法，企業應用實例表明關鍵工序質量控制點具有很強的可實施性，能夠有效的從預防異常因素發生的角度保障加工中心主軸箱體制造工藝可靠性。
6.2 論文展望
目前國內外對數控機床零部件制造工藝可靠性保障方法的研究尚處于起步階段，本文所研究的加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法雖然取得了一定的成果，但由于時間和精力有限，因而還有很多方面值得繼續深入研究。
1.本文雖然提出了可用于定量計算的加工中心主軸箱體制造工藝可靠性指標體系，但是并未對建立加工中心主軸箱體的制造工藝可靠性模型進行探討，可靠性模型能夠用于估計或預算制造工藝系統的可靠性，因而值得進一步研究。
2.本文所探討的控制圖分析方法以及編制的 x ?s 控制圖分析軟件主要是用于判別加工中心主軸箱體制造過程是否存在異常，并不能直接診斷出該異常因素是何種異常、發生在何處，后續研究可以將質量診斷理論應用于加工中心主軸箱體制造過程中，提升排除異常因素效率，保障加工中心主軸箱體制造工藝可靠性。
3.為了能夠進一步保障加工中心主軸箱體制造工藝可靠性，可以通過振動傳感器、攝像機等對機床、刀具、加工表面情況進行實時監控，并能夠在出現異常情況時自動報警。如何能保證監控裝置不影響工件的正常加工并自動準確判別出加工異常是一個值得深入研究的課題。
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