“數控機床可靠性技術”專題（八）加工一致性技術*

張根保 彭 露

(重慶大學機械工程學院先進制造技術研究所，重慶 400044)

1 引言

根據國家標準GB-6583的定義，可靠性是指產品在規定的條件下、在規定的時間內完成規定任務的能力[1-3]。保持數控機床具有良好的穩定性與可靠性有許多途徑：通過精細化的分析與設計可以提高產品的固有優良特性；通過試驗的方法可以激發并消除機床早期故障；改善裝配質量也是一種有效途徑。而針對數控機床加工過程，提高設計零部件的加工制造一致性是維持整機工作穩定性的必要條件，同時也是維持整機可靠性的重要前提。

2 加工一致性概述

2.1 加工一致性的概念

數控機床是由眾多的零部件組裝起來的，零部件質量的好壞直接影響到機床的性能穩定性、精度壽命和可靠性。就單個機械零件而言，它的質量特性包括尺寸精度、幾何精度、表面粗糙度、表面硬度、材料均勻性、材料的殘余應力（熱處理殘余應力、鑄造殘余應力、鍛造殘余應力、焊接殘余應力、加工殘余應力）等。對于現代機械產品而言，在裝配時大都采用互換性裝配技術，因此對于一批機械零件而言，為了保證最終產品之間性能一致性和質量的穩定性，就要求待裝配的零部件之間的質量也要保證一致性，這樣，通過互換性裝配得到的產品整體才可能穩定性好、可靠性高。例如，加工一批具有配合關系的軸和孔類零件，由于加工過程存在人、機、料、法、環、測等方面的缺陷，使得同批零件的精度具有一定的變異性，盡管零件的誤差都在公差范圍內，但在采用互換性原理進行裝配時，會存在“大軸”與“小孔”配合和“小軸”與“大孔”配合兩種極限配合狀態，由于這兩種極限配合狀態的配合間隙相差較大，盡管都滿足設計要求，但得到的產品性能和可靠性肯定是不同的，這就會造成同一批產品的質量特性具有較大的差異。

2.2 加工一致性的定義

根據前面的論述，我們可以給出加工一致性的定義：批量生產的零部件其關鍵幾何精度與物理性能在統計意義上與其數學期望（或者說設計理想值）的逼近程度，稱為加工一致性（其分散程度用方差來表示），是評價產品制造質量的重要技術指標。數控機床的加工一致性主要是指加工出來的零部件之間表現出來的精度和性能的變異，其值越大，加工精度的波動性就越大，造成產品的質量與可靠性變差。提高數控機床的加工一致性是改善產品可靠性、穩定性和精度壽命的重要前提和技術保障。

3 幾何精度變異性分析

幾何精度通常包括構成機械零件幾何形體的尺寸精度、幾何形狀精度、相互位置精度等[4-5]，它是指零件經過加工后得到的幾何參數的實際值與設計要求理論值相符合的程度，二者之間的偏離程度則構成加工變異。

3.1 尺寸精度

尺寸變異的起因可能包括：加工人員的意識不一、加工人員責任心弱、加工機床及工具精度下降、測量工具不準確、加工工藝方法發生改變、切削過程中積屑瘤的產生、工藝系統熱變形、切（磨）削加工過程中的切削熱和切削力等。

3.2 形狀精度

以孔類零件與軸為例，圖2左圖體現當軸為理想形狀時，加工的孔可能出現的實際情況；右圖為孔類零件形狀處于理想狀態時，軸類零件可能出現加工后的實際形狀。顯然地，若形狀精度不合格，不僅可能導致相對運動的組件不能精確地完成規定運動；另一方面還可能導致磨損加劇，整機壽命下降。

加工機床能保證的形狀精度不夠（如機床主軸回轉誤差導致的徑向跳動、軸向竄動、角度擺動；機床導軌直線度誤差導致的加工工件在垂直面及水平面內的直線度誤差）、工藝系統的靜剛度與動剛度差、工件剛度差引起的彈性變形、機床及工具的形狀精度下降、刀具磨損及刀具剛度下降等因素都可能引起形狀變異。

3.3 位置精度

位置精度也是幾何精度中極其重要的因素，它的衡量特征項目包括定向公差精度、定位公差精度及跳動，即平行度、垂直度、傾斜度、同軸度、對稱度、位置度、圓跳動及全跳動等。圖3為被標注表面位置度的標注及示意圖。相對位置誤差的累積可能導致存在相對運動的零部件間相對運動與理想相對運動存在偏差，同軸度誤差過大會導致軸承出現安裝誤差、孔與軸間配合不好等。

位置精度的變異主要是由這些因素引起的：機床主軸軸線與導軌的平行度誤差、定位誤差、安裝誤差、對刀誤差、零件不均勻的加熱或冷卻導致工件產生內應力、零件材料金相組織的轉變等。

機械產品是由多種多樣的具有各種幾何誤差的零部件組合而成的，這樣的配合在一臺機器里一般可能有幾十個，甚至成千上萬種，那么它們所引起的不一致性也是多種多樣的。要對這些影響因素進行有效控制的前提是對重要加工過程進行分析與控制，而工序能力分析是保證加工一致性的重要技術。

3.4 過程工序能力分析

過程能力，又被稱為工序能力，一般是指在穩定狀態下過程波動范圍的大小，或過程固有波動范圍的大小[6-7]。加工過程中可能存在兩種因素影響其能力，分別為隨機因素和系統因素。前者是微小的、在技術上很難根本消除的或消除其影響需花費很高的經濟成本代價的，它在過程中是被允許存在的；后者是在正常的過程中并不存在的，一旦存在則影響（一般具有傾向性或周期性）顯著。若過程受到了系統因素的影響，我們就稱之為失控狀態或不穩定狀態[8-10]。需要指出的是，這里所說的工序不僅包括切削加工過程，也包括熱處理、鑄造殘余應力消除等過程。

在加工過程中，分布中心（對稱軸）與公差的標稱值往往是不重合的，如圖4，過程2的分布中心與標稱值重合，過程1與過程3的分布中心均不在標稱值上。此時，過程能力的大小與公差范圍不再是簡單的比例關系。它滿足：

式中：M為過程的目標值或公差中心；T為公差范圍（公差上限與公差下限的差值），即T=TU=TL；σ為總體的標準差；ε為中心偏移量，ε=|M-x|；s為樣本標準差，可作為總體標準差的估計值，記為σ^=s。

公式（1）也可表達為：

過程能力指數可用于評價過程能力，而過程能力等級主要分為6種。表1給出了過程能力的評定結果。

表1 過程能力等級評定表

3.5 加工不一致性的識別與控制

在使用過程能力指數判斷過程是否能夠維持穩定后，若過程能力指數處于(0,1.33]范圍內，均需要對加工過程進行不同程度的控制與改進。針對不同變異程度的加工過程使用控制圖對加工過程的不一致性進行識別與控制。

控制圖（control chart）是對生產、制造、服務過程中的產品、服務質量狀況進行統計分析和實時控制的統計圖形工具，是描述過程輸出質量特性波動狀況的坐標圖，是對過程統計受控狀態的一種識別、檢測與預測的工具[11]。判斷加工不一致性的前提是根據不同的加工過程，確定不同的一致性允許范圍，即超過某一規定值便為該加工過程一致性差；接著，將影響因素相關的質量特性樣本值作為輸入，以控制圖作為輸出，采取一定的判別標準對質量特性的一致性、波動等特征進行判定，從而找出因素質量特性的不一致性。

控制圖中，橫坐標是時間或樣本序號，縱坐標標注關注的質量特性實測值或經過計算實測值的統計量。控制圖中通常有3條平行于橫坐標的參考線，從上到下他們依次是：控制上限UCL（upper control limit）、中心線CL（center line）及控制下限LCL（lower control limit）。

對于大多數質量特性來說，當過程處于穩定或受控時，這些波動主要是由人、機、料、法、環、測等變異造成的，故它們服從或近似服從正態分布，則一般均根據“小概率事件”原理選取中心值μ為中心線，并以中心線為基準分別向上與向下偏移三倍標準差得到控制上限與下限，即UCL=μ+3σ，LCL=μ-3σ。控制圖的應用流程如圖5所示。

過程能力的判斷是識別過程不一致性的前提與基礎，過程能力不足則需分析影響因素并消除其對質量特性的影響；波動過大、過程不穩定則應重新制定方案、收集數據，從而保證控制圖的可用性。根據失控模式標準判斷過程是否受控，若所有的統計點呈隨機分布，則過程受控，反之，則過程失控。這里使用控制圖來控制加工過程中工序的過程能力，若過程中的統計點超出規定的一致性界限或呈現非正常分布情況，則可判斷出現問題的統計點即為不一致點。

首先，利用加工過程中各工序能力指數來評價反復進行的同一加工過程是否處于一致狀態。由于過程能力指數的計算過程中包括了公差T的影響，也涵蓋了加工時可能出現的誤差偏移量ε，那么使用過程能力指數判斷的加工一致性主要由處于公差范圍內的零件各種質量特性的變異性表示。而當質量特性測量值超出公差范圍，過程能力指數必會不滿足要求。

然后，當過程能力指數不滿足大于1的條件時，即過程能力不足或加工出現了不一致性的情況，需要對造成不一致性的變異點進行識別，這時利用控制圖可以形象地判斷出哪個測量值或從哪一個測量值開始，出現變異，一致性變差。

3.6 實例應用

以某型號臥式加工中心的某重要功能部件芯軸外圓圓度S作為研究對象，判定其加工過程中對應工序的工序能力，并對其工序進行控制圖分析。

抽取300個芯軸外圓圓度測量值，將其分為20組，第一組記為樣本值序列S1（μm）：

再根據樣本值Si與樣本平均值計算樣本標準差s如下：

最后根據公式2.3得到過程能力指數Cpk：

首先，查詢表1，由該過程能力指數Cpk=0.80ε(0.67,1]，可判斷該過程的過程能力不足，存在較大的波動，應分析引起波動的變異原因并對其進行恰當控制。然后，利用計算出的30個過程能力指數，可繪制出該過程的控制圖，如圖6。由圖可以看出，第12點至第20點的連續9個點逐漸下降，符合控制圖失控判別規則中的“連續7點或更多點連續上升或下降”，即S這一過程不處于統計控制狀態，說明該過程從第12點開始出現某種精度因素不停地下降，導致不一致性與不穩定性，需對該過程進行深入分析，將不一致性的原因映射到一致性影響因素（人、機、料、法、環、測，5M1E）上，并需針對不同的影響因素做出適當的改善與調整。

4 表面完整性控制

任何機械加工方法都不能獲得理想的表面，它總會存在一定程度的微觀不平度、加工中冷作硬化、表層殘留應力和金相組織變化。要達到良好的加工一致性，實現零件高精度、低表面粗糙度值、低殘余應力、低硬化層的表面高質量要求，是零件表面完整性控制的最終目的[12]。

4.1 表面完整性的定義及評價

加工表面完整性用于評價由加工獲得的零件表面幾何的、物理的、化學的或其他工程性能狀況與零件技術要求的符合程度。所表達的主要內容有兩方面：表面紋理指標與表面層物理力學性能狀態指標。

（1）表面紋理指標

表面紋理指標用于定義已加工表面的幾何特征，主要包括表面粗糙度、波度、紋理方向及表面瑕疵等幾部分，其中通常使用表面粗糙度來表示表面紋理。

（2）表面層物理力學性能指標

加工表面由于受到加工過程中物理、化學特性的影響，其力學特性、物理性能、化學性能均會發生變化，表面層物理力學性能指標則用于評價相關特性。其主要內容包括以下幾方面：①表面層硬度，即加工后表層冷作硬化所引起的零件彈塑性變形；②表面層組織，即加工表面的金相組織變化；③表面層殘余應力，即表面殘余應力的大小、分布狀態，表面的宏觀及微觀裂紋，如圖7所示。

對于表面完整性的控制，主要包括對表面粗糙度、表層顯微形貌、表層加工硬化、殘余應力及金相組織變化等的控制，其中最常見的就是對表面粗糙度與殘余應力的控制。

4.2 表面粗糙度控制

產生機械零件的表面粗糙度的主要原因包括殘留面積（刀尖圓弧半徑rε不合理）、金屬材料塑性變形及工藝系統的振動。要從根本上控制加工表面粗糙度，需從這3個根本原因入手，在選擇合理的刀劍圓弧與進給量的同時，增加工藝系統的剛度，避免積屑瘤的生成。而用于控制表面粗糙度的手段也可以是控制圖。使用控制圖對加工表面粗糙度進行加工過程中的控制，并作為實施控制措施的參考。以某型號臥式加工中心的某重要功能部件中大活塞與芯軸中心孔接觸表面粗糙度Ra1為例，同樣抽取15個樣本，記為Ra1：

Ra1={0.31,0.29,0.28,0.26,0.22,0.31,0.25,0.33,0.27,0.28,0.34,0.26,0.21,0.3,0.32}

繪制其單值控制圖，如圖8所示。由該控制圖可以看出，15個測量值處于受控狀態，并沒有異常點出現。

4.3 殘余應力控制

金屬工件在冷熱加工過程中都會產生殘余應力，它可能降低工件的實際強度、疲勞極限，造成應力腐蝕和脆性斷裂，大大影響被加工零件的尺寸精度。降低或消除工件的殘余應力十分必要，通常有幾種方法可以達到控制殘余應力的目的：自然失效方法與人工時效方法（熱處理時效、敲擊時效、振動時效、超聲波沖擊時效）[15]。

自然失效方法是最古老的時效方法，適用于鍛造鑄造、機械加工及焊接的零件。它是把構件露天放置于室外，依靠大自然的力量，經過幾個月至幾年的風吹、日曬、雨淋和季節的溫度變化，給構件多次造成反復的溫度應力。再溫度應力形成的過載下，促使殘余應力發生松弛而使尺寸精度獲得穩定。

熱處理時效是傳統的消除殘余應力方法，同樣適用于鑄鍛造過程、機械加工過程、焊接過程產生的殘余應力。熱處理工藝可分為3大類：

（1）一般熱處理，即退火、正火、淬火與回火；

第三、明代以來國家賦稅的征銀制度與白銀貨幣化，使得社會對白銀需求大幅度增加，進而促成全社會狂熱的拜銀風潮。白銀即財富，閩東白銀大量開采，導致白銀文化的形成，進而引起人們思想觀念上的大波動，推動閩東鄉村社會民俗的變遷，拜銀思想融入人們的生產和生活之中，同時，又反過來指導人們的生產和生活，如推動該地文化的發展，促進海外貿易的發展，亦促進白銀生產技術的提高等。

（2）表面熱處理，如高頻感應加熱淬火、滲碳、滲氮、碳氮共滲；

（3）其他熱處理，如可控氣氛熱處理、真空熱處理、形變熱處理等。

根據不同工件材料、加工要求、性能要求等條件，合理選擇消除殘余應力的工藝方法，才能很好地控制殘余應力。

5 一致性影響因素的分析控制措施

不同程度的不一致性伴隨著不同影響因素的失控與變異出現。要分析加工過程不一致性，需詳細分析影響因素，從而為控制各因素提供依據。可將眾多影響因素歸納為6個方面：人員因素、設備因素、材料因素、方法因素、環境因素及測量因素，又稱5M1E。從分析機械零件的幾何精度控制及表面完整性控制后，從5M1E方面系統地對加工過程的一致性控制措施進行剖析。

5.1 加工人員因素控制措施

在機械產品制造過程中，可能導致不一致性現象出現的人員包括設計人員、加工技術人員、裝配人員、檢驗人員等。考慮到研究加工一致性的影響因素，主要對加工人員提出控制措施。

現場的加工技術人員是零件各種性能體現的保證。他們是與零件直接接觸的因素，是完成零件成形的主體，尤其在制造過程中更能體現加工人員對零件好壞的重要性。

（1）加強加工技術人員的操作技能能力、對圖紙等現場文件的認識，對其進行統一培訓，盡力減少因不同人對零件的不同認識程度導致的加工不一致性。

（2）增強加工人員對于加工工藝文件的嚴格遵守意識及其對企業規定的規章制度的嚴格遵守意識。

（3）嚴格量化控制加工過程的切削用量、走刀次數、零件定位次數等因素。

（5）通過工種間的人員調整、工作經驗豐富化等方法，消除操作人員的厭煩情緒。

（6）測量時，需對測量工具、測量對象、測量意義等有很好的了解。

5.2 加工設備因素控制措施

作為機械加工過程的零部件結構成形的工作機，加工設備因素可能包括：加工時使用的工具、機床等各種設備。設備的突變、性能衰退都會直接影響到它所加工的零部件，在某種程度上最終映射在機械產品中，均會引起不同程度的不一致性。故對設備的控制是必要的：

（1）加強機床維護和保養，定期檢測機床的關鍵精度和性能項目，避免機床功能能力下降引起的變異情況。

（2）定期檢查刀具，避免刀具脆性破損、積屑瘤的產生、塑性破損等現象，保證刀具量在磨鈍標準之外就停止使用。

（3）建立設備管理體系制度，對工序質量控制點的設備進行重點控制，如：操作者每周、每月、每半年進行檢查維護；專業維修人員每季、每年檢查維護。

5.3 材料因素控制措施

加工過程材料所指的是待加工零件、各種油液等材料。選用不同的材料、材料在不同情況下的變化均會對機械產品不一致性的產生造成影響。可見，控制制造過程材料因素也是控制產品一致性的方法之一。

（1）加工零件材料

①加強原材料的進廠檢驗和廠內自制零部件的工序和成品檢驗。

②按照零件性能要求（如強度、硬度、塑性、耐高溫性、切削加工性能等），合理選擇加工零件材料，防止被加工表面加工硬化。

（2）刀具材料

①合理選用刀具材料，保證刀具前角、后角等主要角的度變化不足以引起被加工零件的參數變異。

②合理選擇刀具幾何參數（前角、后角、刃傾角、主偏角等），使切削刃與刀尖具備較好的強度。

（3）油液

①定期檢查系統液壓油清潔度，按照規定定期對其進行過濾與更換。

②按照冷卻、潤滑作用強弱，加工性質（粗加工、精加工、深孔加工等），刀具材料，工件材料等不同因素，合理選擇切削液。

③定期檢查切削液清潔度。

5.4 加工方法因素控制措施

制造過程的方法是可根據不同零部件、不同操作者、不同要求而改變的因素。它的選擇并無唯一的標準，可以有不同達到要求的方法，但要在眾多方法中選擇最有效、最經濟的方法也并非易事。對制造過程導致不一致性的方法因素進行控制必須是一項長期的探索工作。

（1）裝夾方法

工件的裝夾過程是定位過程與夾緊過程的綜合。其中，定位過程是保證工件相對于機床占據一正確位置；而夾緊過程的目的是使工件保持原有定位位置不變。

①綜合待加工零件結構、加工表面、工裝結構信息，嚴格按照六點定位原理，制定零件進行正確的定位方案，避免過定位、欠定位。

②盡量使基準重合，避免因基準不重合造成的定位誤差。

③確定夾具合理的夾緊力作用點、夾緊力作用方向及夾緊大小。

（2）加工方法

①根據零件切削加工性能、企業現有條件，合理選擇加工工藝方法，制定加工工藝文件。

②合理擬訂粗加工、半精加工、精加工工藝路線，合理選擇粗基準和精基準。

③依據零件加工的生產類型與車間條件確定加工過程工序集中原則或工序分散原則。

④合理規劃加工工藝順序（先加工定位基面，再加工其他表面；先加工主要表面，再加工次要表面；先面后孔）。

（3）熱處理方法

按照處理方式的不同，熱處理工藝方法可分類為普通熱處理（整體熱處理）、表面熱處理及其他熱處理，它們的目的都是提升材料的力學性能或工藝性能。

①針對不同結構的零件在不同的性能要求下，確定合適的熱處理方式（退火、正火、淬火、回火、化學熱處理等）；

②合理地將熱處理工序安排在制造過程的不同位置；

（4）清洗方法

①在待加工零件、已加工零件、裝配完成的零部件進入下一道工序前，需對其進行清洗，并根據不同的對象，選擇不同的清洗方法。

②針對不同清洗對象，在選擇合適的清洗油液同時保證清洗油液的清潔度。

③針對不同清洗表面特征（平面、通孔、盲孔、槽等）的待清洗零部件制定不同的清潔手段。

5.5 加工環境因素控制措施

制造過程所處的環境受到的不同程度的污染破壞顯然會成為參數變異的隱患之一，所以對環境因素進行控制也是必然的。然而，由于環境因素很大程度上并非取決于車間操作者，也存在許多客觀因素影響著制造環境。

（1）控制車間內適當的溫度與濕度，避免已完成加工及待處理的零部件表面變質。

（2）建立制造環境現場管理規范，對制造車間環境進行有效管理。

5.6 加工測量因素控制措施

測量過程貫穿在機械制造過程的許多工序中，它是上一道工序加工、裝配、處理完成后對下一道工序的保證，是工序之間的過渡過程。雖然測量并非影響制造過程參數變異的主導因素，但對它的控制也是必須執行的。只有良好的測量方法、測量結果才能保證機械產品最終的可靠性與質量。

（1）確保使用測量工具精度滿足測量要求。

（2）根據測量結果，做出合理的處理判定。

（3）定期對測量工具進行精度檢驗。

結合加工一致性影響因素的分析控制系統與加工過程一致性影響因素控制措施體系，對整個加工過程進行適時適當的調整與控制，可使得零部件、產品具備更優的可靠性與質量。

6 結語

本文定義了機械加工一致性，對機械加工過程的工序能力進行分析，并通過對過程波動、不一致性的識別，找出需控制的影響因素。針對不同的影響因素，生成不同類別的控制圖，并通過實例說明該系統的可行性。最終根據不同情況，提出加工過程一致性影響因素的控制措施。

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