機械加工工藝過程質量控制模型的研究

趙艷敏　祁海波　劉鵬　沈其明

摘 要：目前，在各領域內的生產企業將其產品質量作為保證企業長遠發展的關鍵性要素，也是企業關注的重點內容。其中，制造過程又是保證產品質量的關鍵。隨著現代化技術的普遍應用及發展，機械制造業中采用的相關技術也不斷升級，推動機械制造業取得了較快發展。機械加工期間，受多種因素的影響，無法避免誤差情況的存在，在降低機械零件質量與合格率的同時，上述誤差還會影響工藝能力。文章通過分析研究機械加工工藝過程中質量控制模型，為實際應用提供參考。

關鍵詞：機械加工;加工工藝;質量控制;模型

中圖分類號：TH162 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.064

當前，在對機械加工工藝的質量控制與研究期間，大多是集中在單一工序的研究方面，極少將工藝過程視為一個整體，綜合考慮其質量控制內容。機械加工中，普遍存在因工序公差設計不合理而致使工藝能力降低的情況，致使加工工序中出現的廢品也相對較多，上述加工過程中被剔除的廢品零件有部分如果經后續工序加工，能夠得到合格零件[1]。

文章基于誤差傳遞思想與灰色理論模型喜愛，結合工藝過程中的設計與質量控制，將各加工工藝過程作為一個整體，結合各工序加工能力影響其加工精度，合理制定工序的公差，保證各工序的合格率，提高成品率[2]。

加工能力主要指工序的6σ值，該值如果較小，則加工能力高，反之則較低。無論何種工序，其加工能力會隨著加工過程的變化而改變，通過檢測工序6σ值，及時、合理調整該工序的公差，保證該工序的工藝能力。應用上述方法主要是通過動態調整加工期間的工序，提高其成品率，在機械加工工藝過程中實現質量控制。

1 機械加工工藝過程質量控制的重要性

隨著經濟發展與人們生活水平的提高，機械制造業在發展過程中方向的選擇性也明顯增多，但是，質量控制仍是其發展過程中的重要問題。產品質量會影響消費者的購買意向，因此，產品的質量控制是機械制造業在發展期間面臨的首要問題。在我國的經濟發展中，機械制造企業發揮著關鍵性作用，其制造過程中的質量控制，也與國家、企業、消費者等的利益密切相關[3]。目前，機械制造期間涉及的質量控制有關的理論、技術體系等相對較多，質量好壞也會嚴重影響本企業，甚至國家的經濟利益，也是我國機械制造科技水平與質量管理先進性的重要體現。在機械加工工藝過程中質量控制模型的建立中，其方法主要包括抽樣檢驗、統計過程控制與智能質量控制，如圖1、圖2、圖3所示。科學化的質量控制，有助于促進企業經濟效益的提升，對機械制造企業正常運營狀況的維持，及其長遠發展等具有一定的推動作用[4]。因此，在機械制造業中，質量控制是至關重要的，并與企業的生存、發展密切相關，要嚴格依照相關標準、制度規范等，合理控制機械加工工藝過程，保證其產品合格率。

2 機械加工工藝過程影響質量控制因素

2.1 加工精度

無論何種機械產品，大多是由多種零件共同組成，因此，零件加工質量會嚴重影響機械產品的生產質量，加工精度又能直接反映零件加工質量。企業在生產期間，零件的加工精度越高則花費的成本相對較高，生產效率也會相應降低。在機械制造期間，有關設計人員要依照設計規范與標準，確立零件加工精度，防止由于盲目追求高精度而導致花費成本增加，甚至出現影響加工效率的情況[5]。加工工藝操作人員要依照設計規范，選用合理的工藝方法，把加工精度控制在規定范圍內，提高企業生產效率，投入成本隨之降低。

2.2 加工誤差

機械制造加工期間，具有一套相對完整的加工系統，如夾具、機床、工件、刀具等，這也是人們常說的工藝系統。無論何種機械加工，存在誤差是難以避免的，原始誤差是指在工藝系統中已存在的誤差，例如調整、原理誤差等。上述誤差的存在雖然無法避免，但是可以通過采取措施進一步減少誤差，達到提高加工精度的目的。

2.3 外部因素

在開展機械切削加工操作時，受重力、切削力等的影響會使得工藝系統中的刀具、機床發生變形，會導致夾具、刀具等處于靜態時的位置與切削成形存在的正確集合發生改變，最終導致出現加工過程中誤差情況。溫度及摩擦產生的熱量等也導致工藝系統出現不同程度的變形，對刀具、工件等位置出現錯位或破壞，加大加工誤差。

3 機械加工工藝過程質量控制模型

3.1 單工序誤差傳遞模型

機械加工工藝中產生的誤差是理想幾何參數與實際幾何參數的差值，工序步驟較多，涉及內容較為復雜，無論是在原始誤差還是加工期間產生的誤差，都會在一定程度上受到誤差傳遞的影響。即便是單工序工藝加工，也會有多種加工誤差情況的存在，以上誤差通過彼此間的不間斷傳遞，影響產品的幾何參數。針對上述情況，為準確測算每道工序中的加工誤差，則引入單工序誤差傳遞模型進行調整。

大多數情況下，工序的加工誤差是指：Y=f（X）+d，其中，d指工序的原始誤差，X指工序輸出尺寸，f（X）則為輸入尺寸X與輸出尺寸Y的傳遞函數關系，Y指工序的輸入尺寸。由此可見，任一工序的操作較為復雜，展開單工序的誤差傳遞模型。例如，X0、Y0分別為X、Y的基本尺寸，其對應的傳遞函數則為f（X）=f（X0）+f’（X0）/1！（X-X0）+f（k）（X0）/k！（X-X0）+……

結合上述公式，獲得對應單工序誤差傳遞模型的計算方法：yi=aixi+di，其中，ai為誤差傳遞系數，aixi為實際傳遞誤差，結合上述公式準確計算，即可獲得在加工期間存在的總誤差值，及時調整，減少誤差情況發生。

3.2 多工序誤差傳遞模型

與單工序誤差傳遞相比，多工序誤差傳遞更加復雜，在對其進行傳遞模型建立期間，也要綜合考量其中存在的多種問題。機械加工作為系統性的一項工作，由多種不同工序聯合組成，且各工序間存在密切聯系，無論何種工序，都無法輕易更改。因此，在已知對應工序的輸出尺寸與誤差的情況下，可獲得下一工序輸入尺寸及其誤差。開展多道工序的加工時，上述誤差會伴隨加工工藝而發生傳遞性的改變，因此，可依據加工順序對其工序采取合理化排列，用n表示，單工序輸入誤差為Xi=Yi-1。結合該公式，多工序誤差傳遞模型為yn=anxn+dn。

3.3 工序尺寸公差模型

機械加工產品具備明顯的流動性特點，通過將最終輸出誤差在每道工序內分解為多個部分，因受每道工序具備的原始誤差影響，其輸出誤差雖會不斷增加，如果按照工序尺寸的公差模型修正輸出誤差，則會使得誤差存在情況逐漸縮小，使其最終的成品誤差雖存在但卻明顯縮小，最終仍符合設計要求。通過結合有關研究結果綜合分析，工序尺寸工程模型為：Ti=Tp-（Tp-Tc）[M1+M2+…+Mi/M]。上述公式中，Ti指某道工序的公差，i指工序順序，Mi指公差分配系數，Tp指零件產品毛坯公差，Tc指成品公差。

3.4 空間誤差模型

借助空間誤差模型的應用，補償加工工藝中存在的誤差，通過視零件產品機加工為獨立加工空間，可憑借其空間中的刀具總誤差，改變刀具的具體位置，制造出一種新的人為誤差，抵消加工工藝中的原始誤差。

在構建空間誤差模型期間，要采用齊次坐標變換技術與剛體運動學理論相結合的方案，在加工空間中，通過采取建立三維立體坐標的方法，憑借函數實現刀具位置與原始誤差間存在緊密聯系，獲得誤差源。經由刀具位置，建立空間誤差通用模型，可解決工藝中的原始誤差，但因不同零件產品的加工工藝具有顯著區別，因此，在建立空間誤差模型期間也可依照實際情況建立。

3.5 零件切削誤差模型

對補償誤差期間，零件切削誤差模型也是一種較為有效的實施方案。但與前者不同的是，零件切削誤差模型的建立主要借助切削試驗與軟件建模分析法實現。大部分情況下，零件切削試驗的應用較為廣泛，憑借其對零件產品在加工工藝中受到的各種切削力加以確定，結合實驗結果建立切削力仿真模型，對加工期間可能會受到的切削力進行仿真模擬，通過分析切削過程，分析可能發生的誤差變形情況，并作出誤差補償。

4 機械加工工藝過程質量控制對策

4.1 檢查與控制機械產品

機械制造涉及很多制造工藝與技術，大部分機械制造經過鍛造—連接—組裝的過程，通過嚴格控制制造期間的每道工序環節，并依照相關規范與標準執行，方可使得加工制造期間的產品質量得到保證，這也是使得整體制造質量得以提高的關鍵。

加工制造的每道工序環節都要接受嚴格檢查，嚴格控制其工序質量，采取科學化、合理性的檢測與試驗方法，確保機械制造質量得到控制，要與既定的設計圖紙中的標準數據對照實驗結果，判定機械產品質量。

要通過分析綜合信息，明確其中存在的問題，找出關鍵解決方案。與此同時，要由專業人員進行定期抽檢與檢查工序交接情況，控制機械制造產品質量。對于不合格的情況，相關人員要及時掌握其資料信息，實時跟蹤機械返修情況，確保整改合格。機械加工工藝的每道工序都經過嚴格檢驗，并做好相關的質量控制，使得機械加工的制造工藝與相關標準要求吻合，推動下一步操作的順利實施。

4.2 零件變更與質量監控

機加工過程中，如果由于單位需求改變而更改設計方案，則監理工程師要嚴格審核設計變更情況，待征得建設單位同意后，方可與原設計單位溝通，做好相應的修改。有關部門負責人也要妥善保管好已制作完成的零部件，避免保管不當出現損壞。

4.3 機械裝配與整體性能檢測

在機械產品出廠之前，要對其整體的性能、裝配以及調整等的各步驟開展合理化檢測，使其產品質量符合有關標準。如果使得設備運輸期間的質量狀況得到保證，則針對易損件要做好相關的包裝工作，采取合理化的運輸方式，并監控運輸期間的相關環節，確保機械產品完好無損地到達目的地。

5 結語

機械加工工藝開展質量控制期間，要采取質量控制與加工工藝設計相結合的方法，將其工藝過程視為整體，結合各工序加工能力與加工精度等產生的影響，在結合誤差模型的基礎上合理制定工序公差，確保各個工序的工藝能力得到明顯提升，保證成品合格率。加工中，應用誤差模型預測工序加工能力的變化情況，通過及時調整公差實現對工藝過程質量的動態化、合理性控制。

結合現代化的質量管理理論，在質量檢驗、全面質量管理等多個階段取得快速發展后，產品質量并不是依靠檢驗所得，與產品的形成過程、操作人員、原材料、加工工藝等要素緊密相關，要通過合理化控制各個質量要素，避免出現生產誤差。通過應用機械加工工藝中的質量控制模型，減少誤差等情況，實現各個工序質量的嚴格控制，提高產品合格率，對于提高機械加工企業的經濟效益具有積極的推動作用。

參考文獻

[1] 周涵，鄢萍，裴潔，等.滾刀主軸振動位移與加速度響應模型研究與驗證[J].機械工程學報，2020（7）：72-85.

[2] 徐晟，黃立新，馬盼.激光增材與精密切削加工鋁合金技術的發展[J].輕工機械，2020（1）：1-4，17.

[3] 張鐵，吳圣和，蔡超.基于浮動平臺的機器人恒力控制研磨方法[J].上海交通大學學報，2020（5）：515-523.

[4] 李俊燁，盧慧，蘇寧寧，等.大渦模擬Smagorinsky模型用于磨粒流精密加工噴嘴的質量控制研究[J].中國機械工程，2020（10）：1169-1174.

[5] 廖小平，陳楷，魯娟.基于磨損監測保持切削加工表面質量穩定的實時控制研究[J].機械工程學報，2020（11）：240-248.