数控加工过程质量控制的关键环节研究

0 引言

　　数控技术是航空制造业现代化的重要基础和关键技术，应用数控加工不仅能够有效解决复杂、精密和小批多变零件的机械加工问题，而且能够稳定零件加工质量，缩短加工周期，增加生产柔性，提高生产效率，加快企业新产品的研制开发和更新换代，有效提升企业对市场的适应能力和综合经济效益。现今，产品质量水平已成为影响企业竞争力和经济效益的关键因素，在产品质量的形成过程中，工序质量是形成产品质量最基本的环节，制造过程中质量控制的核心即是加工工序过程的质量控制，因此，研究数控加工过程质量控制问题对提升企业核心竞争力有着重要的现实意义。

　　本文针对某公司数控加工制造过程现状，结合现有的数控加工软、硬件基础，研究了数字化制造环境下的零件数控加工过程质量控制体系结构，探讨了高效数控加工过程质量控制系统实现的关键环节。

1 数控加工过程质量控制体系结构

　　1.1 质量控制体系结构的现状及存在的问题

　　2008 年某公司提出由传统机械加工方式向数控化制造方式转变的发展战略，其主要机械加工分厂原有的普通车床、铣床和钻床等逐步被相应的数控机床所替代，数控机床的数量日渐增多，截止到 2012 年底已拥有各类数控加工机床 246 台，机械加工机床设备数控化率已达 48%。

　　该公司目前正处于数控化转型时期，主要机械加工分厂的5 个专业化车间按照所承担零件结构特点分为筒体大件车间、阀类回转体车间、壳体车间、齿轮件车间和异形结构件车间，所生产零件的品种近 3 000 种; 零件数控加工过程质量控制方面主要存在以下问题。

　　1) 传统工艺流程大部分安排普通机床设备加工，工序分散，零件周转环节较多，多次重复定位、重复装夹致使零件变形较大，形位公差不易保证，零件质量稳定性差。

　　2) 传统工艺方案编制粗放，没有考虑现在新型刀具的应用效果，工艺规程中没有经过实践验证的高效加工切削参数，操作工人仅凭经验值加工零件，加工质量受操作工人的技能水平影响较大，零件实际加工效率很低，质量隐患多。

　　3) 工艺技术人员数量严重不足，现有工艺技术人员技术水平高低不一，编制的新产品工艺规程资料质量良莠不齐，涉及到的数控加工工序卡片内容简单，缺乏必要的数控工艺信息，无法有效地指导操作工人进行高效率的生产，数控程序的编制效率低下，工装、夹具、刀具和量具辅助准备时间较长，严重影响数控机床使用效率的提高。

　　4) 数控加工过程质量控制的先进方法、工具技术的运用较为欠缺，针对专业化生产车间的数控加工工序质量控制模型还未建立，严重制约着零件加工质量和数控机床使用效率的提高，直接影响着生产任务的顺利完成。

　　1.2 数控加工工序运行流程模型

　　图 1 所示为目前公司数控加工工序运行流程模型，按照工序质量控制理论和方法，数控加工工序质量可用来反映数控加工过程输出结果符合设计、工艺及生产运营要求的程度，用零件加工一次交检合格率、废品率、返工率、质量损失率、生产计划按期完成率和产品准时交付率等过程指标来监视与测量。

　　数控加工过程质量控制就是将工序过程指标的波动限制在要求界限内所进行的质量控制活动，过程控制的关键环节即体现在过程指标的输出点上，数控加工工序流程环节，能够识别出数控加工过程质量控制关键环节主要体现在机床( Machine) 、人员( Man) 、方法( Method) 、信息( Information) 、材料( Material) 和测量( Measure) 等 6 大因素方面，与数控加工流程环节紧密相关。

　　1.3 数控加工过程质量控制体系结构

　　数控加工过程质量控制首先应进行质量策划，将设计、工艺和生产运营所要求的过程指标需求转化为具体数控加工工序的质量特征，进而根据质量特征形成关键工序的质量控制目标，分解形成关键工序的质量控制规范和过程控制参数; 在数控加工工序动态生产过程中，实时测量和收集生产系统的质量特性数据; 借助质量统计分析工具和控制方法，与关键工序的质量控制目标进行比较分析、质量评价和质量决策，不断将质量评价和决策信息反馈到数控加工工序生产的各个阶段，实施质量改进，对数控加工生产过程进行反馈式质量控制。

2 数控加工过程质量控制的关键环节

　　数控加工过程质量控制的关键环节分为 5 个部分: 数控加工工艺方案设计、数控程序编制、数控加工过程仿真检查、质量控制方法与工具技术系统应用，以及高素质数控技术人员队伍建立。

　　2.1 数控加工工艺方案设计

　　数控加工工艺方案设计的内容包括: 确定零件数控加工的内容、零件图样数控加工工艺性分析、数控加工工艺路线的确定、数控加工工序内容的确定和数控加工刀具的选择等。

　　数控加工与通用机床加工相比较，在许多方面遵循的原则基本一致，但由于数控机床本身自动化程度较高，控制方式不同，设备成本费用较高，使数控加工工艺突现出工艺内容十分具体、工艺设计非常严密和注重数控加工的适应性等非常鲜明的特点。数控加工工艺方案的合理性也主要体现在上述3 个特点的优劣程度上，是数控程序编制的依据和前提，必须在程序编制之前完成，如果工艺方案考虑不周全，将可能造成数控加工的错误; 工艺方案设计不优化，将可能成倍地增加工作量，甚至做无用功; 数控加工工艺方案的质量直接决定了数控程序的质量，更是整个数控加工过程质量水平高低的先决条件。

　　2.2 数控程序编制

　　数控程序指令代码是数控编程工作输出的结果，是数控加工工艺方案的体现，其准确性体现在: 1) 对零件的数学模型处理力求准确无误，编程坐标系准确定义，对刀点和安全平面及数控机床属性设置正确;2) 零件数控加工工序中各工步划分与顺序安排、刀具的几何形状、走刀路线和切削用量都必须正确选择，并用符合机床数控系统语法格式的指令字母描述出来，切削参数的选择充分考虑了零件材料的加工特性、刀具的切削特性、机床的切削特性和零件的加工余量等因素; 3) 整个刀具运行轨迹不存在加工过程中数控机床工作台与被加工的零件、刀具与夹具之间有过切、欠切、碰撞和干涉等问题。

　　数控程序编制的先进性是指: 根据数控加工的特点，正确选择加工方法和内容，充分发挥数控机床、数控系统的功能，获得较高的数控设备程序运行率( 即在确定度量时段内，数控设备运行数控程序时间 PRT对设备使用时间 EUT 之比率) 和设备加工绩效( 即在确定度量时段内，设备实际加工效率对设备理论加工效率或设备期望加工效率之比率，对应 3 种生产应用场合，有 3 种不同的度量方法: 基于零件材料切除量、基于设备主轴切削时间和加工零件数量，以及基于设备使用时间和加工零件数量)。

　　目前流行的 UGNX、MASTER CAM 和 CATIA 等数控加工辅助编程 CAD/CAM 应用软件，为数控程序编制的准确性、先进性提供了很好的技术保障，无论采用何种数控加工辅助编程应用软件，最终数控程序编制的准确性和先进性的标准是一致的。

　　2.3 数控加工过程仿真检查

　　数控加工过程的仿真是虚拟制造的核心技术之一，仿真内容主要分为几何仿真和物理仿真。目前公司配备的 VERICUT 数控加工仿真软件主要是几何仿真检查，软件采用先进的三维显示及虚拟现实技术，对数控加工过程和机床运行过程的几何模拟达到极其逼真的程度，其作用主要是检查数控程序刀具轨迹的正确性和机床运动几何干涉碰撞问题，是数控加工过程准确性、安全性检查的重要环节，能有效避免不必要的损失。而要进行更精确的仿真则必须对加工过程中的物理现象进行研究，即进行物理仿真。目前在应用物理仿真技术较先进的企业中，有的引进了北航开发的一套铣削加工动力学仿真优化系统 SIM-CUT 软件，实现铣削过程的力学仿真及切削参数的优化选择; 还有的以有限元分析技术为基础，对整体复杂飞机结构零件的数控切削过程进行物理仿真，通过合理的有限元加工模型，来正确地模拟零件数控加工物理过程，包括材料物理特性、加工系统边界条件、刀具轨迹载荷变化和材料内部应力初始状态等，从而研究零件特征结构、加工工艺方法和数控编程策略对零件加工变形的影响规律，有效实现复杂大型零件加工变形控制。

　　2.4 质量控制方法和工具技术的系统应用

　　数控加工过程质量控制就是把工序质量波动限制在要求的界限内所进行的活动，其主要内容首先是依据质量体系文件和工序加工流程进行质量策划，确定应控制的工序质量指标特性值和质量控制点。其次是进行工序能力调查，分析工序因素，确定主导工序因素，编制工序质量表和工序管理点的控制文件，实施数控过程质量控制; 通过实时、准确和全面地收集数控加工工序动态过程中的质量指标数据，应用质量控制方法进行整理分析、评价，得出有价值的工序质量状况结论，对工序质量波动的主导因素进行控制干预，最终达到过程质量控制的目标。

　　数控加工工序质量策划方法即是前面所提到的数控加工工艺方案设计、数控程序编制和数控加工仿真检查的内容; 数控加工工序能力调查分析的重要内容即是计算和分析评价工序能力指数，而工序能力指数就是将工序能力和实际的质量控制要求联系起来，以评定工序能力是否能够满足质量控制的实际要求以及满足程度的参数，当然工序能力指数计算的前提条件是工序处于稳定的受控状态下，按照统计学的原则，样本推断总体的正确程度取决于抽样方法、样本大小和样本与样本之间的差异等3 个方面，样本越大，推断的正确程度越高。

　　数控加工过程质量控制方法包括调查表、分层法、因果图、排列图、直方图、相关图和控制图等7 种统计方法以及关联图法、亲缘图法、系统图法、矩阵图法、矩阵数据分析法、过程决策程序法及箭头图法等等 7 种以定性分析为主的思考性方法。实际中需要根据数控加工工序生产过程质量数据信息，综合考虑操作工人和质量控制人员的技能水平，以方便、高效和灵活为原则，合理选择不同的质量控制方法，以达到对零件数控加工工序实物质量状态进行控制的目的。过程质量控制方法和工具技术的系统应用是2008 版 ISO9001 族质量管理体系明确的 8 项质量管理原则之一，更是实现期望的数控加工过程效果的充分保证。

　　2.5 高素质数控技术人员队伍的建立

　　数控加工流程中的任一环节离不开生产计划员、数控程序编制工艺员、数控刀具准备预调员、数控机床操作工和检验人员的协同工作以及紧密配合。所有数控加工流程参与人员的质量意识、工作责任心和技能水平的高低对数控加工过程的质量及效率有直接影响。

　　目前，该公司的数控程序编制主要由工艺技术人员负责，数控刀具准备预调主要由数控机床准备工人负责。工艺技术员的主要工作包括主管产品零件新产品工艺规程资料的编制、现场生产过程中技术问题的协调处理、定型工艺规程资料细化优化改进及数控程序编制等，工作量大，真正潜心钻研优化数控编程的精力有限; 数控机床操作工人用在数控刀具切削性能提升钻研方面的能力受个人技术水平、文化程度和身体素质的限制，为了适应先进数字化制造厂房的生产模式，建立高技能专业化的数控技术人员队伍是必然趋势，也是实现数控加工生产管理流程有效实施的基础。

3 实践应用

　应用 CATIA V5 R18 软件对该公司专业产品中具有典型代表性的零件某液压助力器壳体进行的工艺方案设计，其中包括建立零件数字化加工模型、确定工艺流程方案和优化刀具路径加工轨迹。数控加工过程仿真检查界面。数控加工过程仿真检查中运用 VERICUT 7． 1 软件进行数控加工试切仿真验证，改进前工艺流程为195 道工序，改进后工艺流程仅有 21 道工序，零件周转次数从 43 次降低到 15 次; 并利用两种进口刀具(大昭和、单德瑞) 进行了切削参数试切优化实验，确定了高效实用的切削加工工艺参数。

　 所示工序风险控制表对加工过程中的风险进行识别和管控; 工序 40 即 52． 17 外圆圆柱度 0． 008，进行质量改进过程阶段控制，最终改进后验证批零件 52． 17 外圆圆柱度 0． 008 单值的控制下限 UCL 为 0． 005 29，控制上限 LCL 为 0． 004 2，均值X为0 ． 003 17 ，保证了圆柱度0 ． 008 的加工质量 ，缩短了加工周期，保证了零件加工质量，提高生产效率近 3 倍  DM 表示定义、测量阶段，A 表示分析阶段，IC 表示改进和控制阶段。移动极差平均值MR为 0． 001 03，移动极差控制上限为 0． 003 38，控制下限为 0。

　　零件数控加工过程质量控制体系的应用推广到生产管理流程的改进优化提升环节，如某主机备件关键任务的配套瓶颈零件壳体，正常加工周期为4 ～ 5 个月，经过数控加工过程优化改进实践，突破了 4件壳体共计 24d 加工完成的突击任务。取得效果的关键措施如下。

　　1) 制定周密的工艺改进方案，建立以 COBAR65数车、DMC60U 立卧转换加工中心、数控钻和 ROBO-FORM2000 电火花机床 4 台设备为核心的小单元，进行流水作业。

　　2) 生产准备是本次突击成功的基础。前期针对技术改进方案已提前订购特殊的复合刀具，为工艺改进方案的实施打下了坚实基础。生产准备组在零件突击过程中同样发挥了很大的作用。

　　3) 新的检验配合方式起到了关键作用。工序检验在检验中以全参数的标准进行全过程跟踪并记录实值，检验与零件加工进行流水作业，总检提前参与到工序检验中，从而大大缩短了总检时间( 2 次总检仅用 2d) 。

4 结语

　　本文结合某公司数控转型生产背景，提出了数控加工过程质量控制模型结构和实施的关键环节，通过典型零件数控加工过程实践效果验证了策划-分析-诊断-改进的质量控制体系模型的有效性和可行性，为同类制造过程效能地改进优化提供了借鉴和思路。