0 引言

　　數(shù)控技術(shù)是航空制造業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用數(shù)控加工不僅能夠有效解決復(fù)雜、精密和小批多變零件的機(jī)械加工問題，而且能夠穩(wěn)定零件加工質(zhì)量，縮短加工周期，增加生產(chǎn)柔性，提高生產(chǎn)效率，加快企業(yè)新產(chǎn)品的研制開發(fā)和更新?lián)Q代，有效提升企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的適應(yīng)能力和綜合經(jīng)濟(jì)效益。現(xiàn)今，產(chǎn)品質(zhì)量水平已成為影響企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素，在產(chǎn)品質(zhì)量的形成過程中，工序質(zhì)量是形成產(chǎn)品質(zhì)量最基本的環(huán)節(jié)，制造過程中質(zhì)量控制的核心即是加工工序過程的質(zhì)量控制，因此，研究數(shù)控加工過程質(zhì)量控制問題對(duì)提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　本文針對(duì)某公司數(shù)控加工制造過程現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)控加工軟、硬件基礎(chǔ)，研究了數(shù)字化制造環(huán)境下的零件數(shù)控加工過程質(zhì)量控制體系結(jié)構(gòu)，探討了高效數(shù)控加工過程質(zhì)量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 數(shù)控加工過程質(zhì)量控制體系結(jié)構(gòu)

　　1.1 質(zhì)量控制體系結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀及存在的問題

　　2008 年某公司提出由傳統(tǒng)機(jī)械加工方式向數(shù)控化制造方式轉(zhuǎn)變的發(fā)展戰(zhàn)略，其主要機(jī)械加工分廠原有的普通車床、銑床和鉆床等逐步被相應(yīng)的數(shù)控機(jī)床所替代，數(shù)控機(jī)床的數(shù)量日漸增多，截止到 2012 年底已擁有各類數(shù)控加工機(jī)床 246 臺(tái)，機(jī)械加工機(jī)床設(shè)備數(shù)控化率已達(dá) 48%。

　　該公司目前正處于數(shù)控化轉(zhuǎn)型時(shí)期，主要機(jī)械加工分廠的5 個(gè)專業(yè)化車間按照所承擔(dān)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為筒體大件車間、閥類回轉(zhuǎn)體車間、殼體車間、齒輪件車間和異形結(jié)構(gòu)件車間，所生產(chǎn)零件的品種近 3 000 種; 零件數(shù)控加工過程質(zhì)量控制方面主要存在以下問題。

　　1) 傳統(tǒng)工藝流程大部分安排普通機(jī)床設(shè)備加工，工序分散，零件周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)較多，多次重復(fù)定位、重復(fù)裝夾致使零件變形較大，形位公差不易保證，零件質(zhì)量穩(wěn)定性差。

　　2) 傳統(tǒng)工藝方案編制粗放，沒有考慮現(xiàn)在新型刀具的應(yīng)用效果，工藝規(guī)程中沒有經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的高效加工切削參數(shù)，操作工人僅憑經(jīng)驗(yàn)值加工零件，加工質(zhì)量受操作工人的技能水平影響較大，零件實(shí)際加工效率很低，質(zhì)量隱患多。

　　3) 工藝技術(shù)人員數(shù)量嚴(yán)重不足，現(xiàn)有工藝技術(shù)人員技術(shù)水平高低不一，編制的新產(chǎn)品工藝規(guī)程資料質(zhì)量良莠不齊，涉及到的數(shù)控加工工序卡片內(nèi)容簡(jiǎn)單，缺乏必要的數(shù)控工藝信息，無(wú)法有效地指導(dǎo)操作工人進(jìn)行高效率的生產(chǎn)，數(shù)控程序的編制效率低下，工裝、夾具、刀具和量具輔助準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響數(shù)控機(jī)床使用效率的提高。

　　4) 數(shù)控加工過程質(zhì)量控制的先進(jìn)方法、工具技術(shù)的運(yùn)用較為欠缺，針對(duì)專業(yè)化生產(chǎn)車間的數(shù)控加工工序質(zhì)量控制模型還未建立，嚴(yán)重制約著零件加工質(zhì)量和數(shù)控機(jī)床使用效率的提高，直接影響著生產(chǎn)任務(wù)的順利完成。

　　1.2 數(shù)控加工工序運(yùn)行流程模型

　　圖 1 所示為目前公司數(shù)控加工工序運(yùn)行流程模型，按照工序質(zhì)量控制理論和方法，數(shù)控加工工序質(zhì)量可用來反映數(shù)控加工過程輸出結(jié)果符合設(shè)計(jì)、工藝及生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)要求的程度，用零件加工一次交檢合格率、廢品率、返工率、質(zhì)量損失率、生產(chǎn)計(jì)劃按期完成率和產(chǎn)品準(zhǔn)時(shí)交付率等過程指標(biāo)來監(jiān)視與測(cè)量。

　　數(shù)控加工過程質(zhì)量控制就是將工序過程指標(biāo)的波動(dòng)限制在要求界限內(nèi)所進(jìn)行的質(zhì)量控制活動(dòng)，過程控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)即體現(xiàn)在過程指標(biāo)的輸出點(diǎn)上，數(shù)控加工工序流程環(huán)節(jié)，能夠識(shí)別出數(shù)控加工過程質(zhì)量控制關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要體現(xiàn)在機(jī)床( Machine) 、人員( Man) 、方法( Method) 、信息( Information) 、材料( Material) 和測(cè)量( Measure) 等 6 大因素方面，與數(shù)控加工流程環(huán)節(jié)緊密相關(guān)。

　　1.3 數(shù)控加工過程質(zhì)量控制體系結(jié)構(gòu)

　　數(shù)控加工過程質(zhì)量控制首先應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量策劃，將設(shè)計(jì)、工藝和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)所要求的過程指標(biāo)需求轉(zhuǎn)化為具體數(shù)控加工工序的質(zhì)量特征，進(jìn)而根據(jù)質(zhì)量特征形成關(guān)鍵工序的質(zhì)量控制目標(biāo)，分解形成關(guān)鍵工序的質(zhì)量控制規(guī)范和過程控制參數(shù); 在數(shù)控加工工序動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過程中，實(shí)時(shí)測(cè)量和收集生產(chǎn)系統(tǒng)的質(zhì)量特性數(shù)據(jù); 借助質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析工具和控制方法，與關(guān)鍵工序的質(zhì)量控制目標(biāo)進(jìn)行比較分析、質(zhì)量評(píng)價(jià)和質(zhì)量決策，不斷將質(zhì)量評(píng)價(jià)和決策信息反饋到數(shù)控加工工序生產(chǎn)的各個(gè)階段，實(shí)施質(zhì)量改進(jìn)，對(duì)數(shù)控加工生產(chǎn)過程進(jìn)行反饋式質(zhì)量控制。

2 數(shù)控加工過程質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

　　數(shù)控加工過程質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)分為 5 個(gè)部分: 數(shù)控加工工藝方案設(shè)計(jì)、數(shù)控程序編制、數(shù)控加工過程仿真檢查、質(zhì)量控制方法與工具技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用，以及高素質(zhì)數(shù)控技術(shù)人員隊(duì)伍建立。

　　2.1 數(shù)控加工工藝方案設(shè)計(jì)

　　數(shù)控加工工藝方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括: 確定零件數(shù)控加工的內(nèi)容、零件圖樣數(shù)控加工工藝性分析、數(shù)控加工工藝路線的確定、數(shù)控加工工序內(nèi)容的確定和數(shù)控加工刀具的選擇等。

　　數(shù)控加工與通用機(jī)床加工相比較，在許多方面遵循的原則基本一致，但由于數(shù)控機(jī)床本身自動(dòng)化程度較高，控制方式不同，設(shè)備成本費(fèi)用較高，使數(shù)控加工工藝突現(xiàn)出工藝內(nèi)容十分具體、工藝設(shè)計(jì)非常嚴(yán)密和注重?cái)?shù)控加工的適應(yīng)性等非常鮮明的特點(diǎn)。數(shù)控加工工藝方案的合理性也主要體現(xiàn)在上述3 個(gè)特點(diǎn)的優(yōu)劣程度上，是數(shù)控程序編制的依據(jù)和前提，必須在程序編制之前完成，如果工藝方案考慮不周全，將可能造成數(shù)控加工的錯(cuò)誤; 工藝方案設(shè)計(jì)不優(yōu)化，將可能成倍地增加工作量，甚至做無(wú)用功; 數(shù)控加工工藝方案的質(zhì)量直接決定了數(shù)控程序的質(zhì)量，更是整個(gè)數(shù)控加工過程質(zhì)量水平高低的先決條件。

　　2.2 數(shù)控程序編制

　　數(shù)控程序指令代碼是數(shù)控編程工作輸出的結(jié)果，是數(shù)控加工工藝方案的體現(xiàn)，其準(zhǔn)確性體現(xiàn)在: 1) 對(duì)零件的數(shù)學(xué)模型處理力求準(zhǔn)確無(wú)誤，編程坐標(biāo)系準(zhǔn)確定義，對(duì)刀點(diǎn)和安全平面及數(shù)控機(jī)床屬性設(shè)置正確;2) 零件數(shù)控加工工序中各工步劃分與順序安排、刀具的幾何形狀、走刀路線和切削用量都必須正確選擇，并用符合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)語(yǔ)法格式的指令字母描述出來，切削參數(shù)的選擇充分考慮了零件材料的加工特性、刀具的切削特性、機(jī)床的切削特性和零件的加工余量等因素; 3) 整個(gè)刀具運(yùn)行軌跡不存在加工過程中數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)與被加工的零件、刀具與夾具之間有過切、欠切、碰撞和干涉等問題。

　　數(shù)控程序編制的先進(jìn)性是指: 根據(jù)數(shù)控加工的特點(diǎn)，正確選擇加工方法和內(nèi)容，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)的功能，獲得較高的數(shù)控設(shè)備程序運(yùn)行率( 即在確定度量時(shí)段內(nèi)，數(shù)控設(shè)備運(yùn)行數(shù)控程序時(shí)間 PRT對(duì)設(shè)備使用時(shí)間 EUT 之比率) 和設(shè)備加工績(jī)效( 即在確定度量時(shí)段內(nèi)，設(shè)備實(shí)際加工效率對(duì)設(shè)備理論加工效率或設(shè)備期望加工效率之比率，對(duì)應(yīng) 3 種生產(chǎn)應(yīng)用場(chǎng)合，有 3 種不同的度量方法: 基于零件材料切除量、基于設(shè)備主軸切削時(shí)間和加工零件數(shù)量，以及基于設(shè)備使用時(shí)間和加工零件數(shù)量)。

　　目前流行的 UGNX、MASTER CAM 和 CATIA 等數(shù)控加工輔助編程 CAD/CAM 應(yīng)用軟件，為數(shù)控程序編制的準(zhǔn)確性、先進(jìn)性提供了很好的技術(shù)保障，無(wú)論采用何種數(shù)控加工輔助編程應(yīng)用軟件，最終數(shù)控程序編制的準(zhǔn)確性和先進(jìn)性的標(biāo)準(zhǔn)是一致的。

　　2.3 數(shù)控加工過程仿真檢查

　　數(shù)控加工過程的仿真是虛擬制造的核心技術(shù)之一，仿真內(nèi)容主要分為幾何仿真和物理仿真。目前公司配備的 VERICUT 數(shù)控加工仿真軟件主要是幾何仿真檢查，軟件采用先進(jìn)的三維顯示及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)數(shù)控加工過程和機(jī)床運(yùn)行過程的幾何模擬達(dá)到極其逼真的程度，其作用主要是檢查數(shù)控程序刀具軌跡的正確性和機(jī)床運(yùn)動(dòng)幾何干涉碰撞問題，是數(shù)控加工過程準(zhǔn)確性、安全性檢查的重要環(huán)節(jié)，能有效避免不必要的損失。而要進(jìn)行更精確的仿真則必須對(duì)加工過程中的物理現(xiàn)象進(jìn)行研究，即進(jìn)行物理仿真。目前在應(yīng)用物理仿真技術(shù)較先進(jìn)的企業(yè)中，有的引進(jìn)了北航開發(fā)的一套銑削加工動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化系統(tǒng) SIM-CUT 軟件，實(shí)現(xiàn)銑削過程的力學(xué)仿真及切削參數(shù)的優(yōu)化選擇; 還有的以有限元分析技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)整體復(fù)雜飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件的數(shù)控切削過程進(jìn)行物理仿真，通過合理的有限元加工模型，來正確地模擬零件數(shù)控加工物理過程，包括材料物理特性、加工系統(tǒng)邊界條件、刀具軌跡載荷變化和材料內(nèi)部應(yīng)力初始狀態(tài)等，從而研究零件特征結(jié)構(gòu)、加工工藝方法和數(shù)控編程策略對(duì)零件加工變形的影響規(guī)律，有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜大型零件加工變形控制。

　　2.4 質(zhì)量控制方法和工具技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用

　　數(shù)控加工過程質(zhì)量控制就是把工序質(zhì)量波動(dòng)限制在要求的界限內(nèi)所進(jìn)行的活動(dòng)，其主要內(nèi)容首先是依據(jù)質(zhì)量體系文件和工序加工流程進(jìn)行質(zhì)量策劃，確定應(yīng)控制的工序質(zhì)量指標(biāo)特性值和質(zhì)量控制點(diǎn)。其次是進(jìn)行工序能力調(diào)查，分析工序因素，確定主導(dǎo)工序因素，編制工序質(zhì)量表和工序管理點(diǎn)的控制文件，實(shí)施數(shù)控過程質(zhì)量控制; 通過實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和全面地收集數(shù)控加工工序動(dòng)態(tài)過程中的質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)，應(yīng)用質(zhì)量控制方法進(jìn)行整理分析、評(píng)價(jià)，得出有價(jià)值的工序質(zhì)量狀況結(jié)論，對(duì)工序質(zhì)量波動(dòng)的主導(dǎo)因素進(jìn)行控制干預(yù)，最終達(dá)到過程質(zhì)量控制的目標(biāo)。

　　數(shù)控加工工序質(zhì)量策劃方法即是前面所提到的數(shù)控加工工藝方案設(shè)計(jì)、數(shù)控程序編制和數(shù)控加工仿真檢查的內(nèi)容; 數(shù)控加工工序能力調(diào)查分析的重要內(nèi)容即是計(jì)算和分析評(píng)價(jià)工序能力指數(shù)，而工序能力指數(shù)就是將工序能力和實(shí)際的質(zhì)量控制要求聯(lián)系起來，以評(píng)定工序能力是否能夠滿足質(zhì)量控制的實(shí)際要求以及滿足程度的參數(shù)，當(dāng)然工序能力指數(shù)計(jì)算的前提條件是工序處于穩(wěn)定的受控狀態(tài)下，按照統(tǒng)計(jì)學(xué)的原則，樣本推斷總體的正確程度取決于抽樣方法、樣本大小和樣本與樣本之間的差異等3 個(gè)方面，樣本越大，推斷的正確程度越高。

　　數(shù)控加工過程質(zhì)量控制方法包括調(diào)查表、分層法、因果圖、排列圖、直方圖、相關(guān)圖和控制圖等7 種統(tǒng)計(jì)方法以及關(guān)聯(lián)圖法、親緣圖法、系統(tǒng)圖法、矩陣圖法、矩陣數(shù)據(jù)分析法、過程決策程序法及箭頭圖法等等 7 種以定性分析為主的思考性方法。實(shí)際中需要根據(jù)數(shù)控加工工序生產(chǎn)過程質(zhì)量數(shù)據(jù)信息，綜合考慮操作工人和質(zhì)量控制人員的技能水平，以方便、高效和靈活為原則，合理選擇不同的質(zhì)量控制方法，以達(dá)到對(duì)零件數(shù)控加工工序?qū)嵨镔|(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行控制的目的。過程質(zhì)量控制方法和工具技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用是2008 版 ISO9001 族質(zhì)量管理體系明確的 8 項(xiàng)質(zhì)量管理原則之一，更是實(shí)現(xiàn)期望的數(shù)控加工過程效果的充分保證。

　　2.5 高素質(zhì)數(shù)控技術(shù)人員隊(duì)伍的建立

　　數(shù)控加工流程中的任一環(huán)節(jié)離不開生產(chǎn)計(jì)劃員、數(shù)控程序編制工藝員、數(shù)控刀具準(zhǔn)備預(yù)調(diào)員、數(shù)控機(jī)床操作工和檢驗(yàn)人員的協(xié)同工作以及緊密配合。所有數(shù)控加工流程參與人員的質(zhì)量意識(shí)、工作責(zé)任心和技能水平的高低對(duì)數(shù)控加工過程的質(zhì)量及效率有直接影響。

　　目前，該公司的數(shù)控程序編制主要由工藝技術(shù)人員負(fù)責(zé)，數(shù)控刀具準(zhǔn)備預(yù)調(diào)主要由數(shù)控機(jī)床準(zhǔn)備工人負(fù)責(zé)。工藝技術(shù)員的主要工作包括主管產(chǎn)品零件新產(chǎn)品工藝規(guī)程資料的編制、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程中技術(shù)問題的協(xié)調(diào)處理、定型工藝規(guī)程資料細(xì)化優(yōu)化改進(jìn)及數(shù)控程序編制等，工作量大，真正潛心鉆研優(yōu)化數(shù)控編程的精力有限; 數(shù)控機(jī)床操作工人用在數(shù)控刀具切削性能提升鉆研方面的能力受個(gè)人技術(shù)水平、文化程度和身體素質(zhì)的限制，為了適應(yīng)先進(jìn)數(shù)字化制造廠房的生產(chǎn)模式，建立高技能專業(yè)化的數(shù)控技術(shù)人員隊(duì)伍是必然趨勢(shì)，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工生產(chǎn)管理流程有效實(shí)施的基礎(chǔ)。

3 實(shí)踐應(yīng)用

　應(yīng)用 CATIA V5 R18 軟件對(duì)該公司專業(yè)產(chǎn)品中具有典型代表性的零件某液壓助力器殼體進(jìn)行的工藝方案設(shè)計(jì)，其中包括建立零件數(shù)字化加工模型、確定工藝流程方案和優(yōu)化刀具路徑加工軌跡。數(shù)控加工過程仿真檢查界面。數(shù)控加工過程仿真檢查中運(yùn)用 VERICUT 7． 1 軟件進(jìn)行數(shù)控加工試切仿真驗(yàn)證，改進(jìn)前工藝流程為195 道工序，改進(jìn)后工藝流程僅有 21 道工序，零件周轉(zhuǎn)次數(shù)從 43 次降低到 15 次; 并利用兩種進(jìn)口刀具(大昭和、單德瑞) 進(jìn)行了切削參數(shù)試切優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，確定了高效實(shí)用的切削加工工藝參數(shù)。

　 所示工序風(fēng)險(xiǎn)控制表對(duì)加工過程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別和管控; 工序 40 即 52． 17 外圓圓柱度 0． 008，進(jìn)行質(zhì)量改進(jìn)過程階段控制，最終改進(jìn)后驗(yàn)證批零件 52． 17 外圓圓柱度 0． 008 單值的控制下限 UCL 為 0． 005 29，控制上限 LCL 為 0． 004 2，均值X為0 ． 003 17 ，保證了圓柱度0 ． 008 的加工質(zhì)量 ，縮短了加工周期，保證了零件加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率近 3 倍  DM 表示定義、測(cè)量階段，A 表示分析階段，IC 表示改進(jìn)和控制階段。移動(dòng)極差平均值MR為 0． 001 03，移動(dòng)極差控制上限為 0． 003 38，控制下限為 0。

　　零件數(shù)控加工過程質(zhì)量控制體系的應(yīng)用推廣到生產(chǎn)管理流程的改進(jìn)優(yōu)化提升環(huán)節(jié)，如某主機(jī)備件關(guān)鍵任務(wù)的配套瓶頸零件殼體，正常加工周期為4 ～ 5 個(gè)月，經(jīng)過數(shù)控加工過程優(yōu)化改進(jìn)實(shí)踐，突破了 4件殼體共計(jì) 24d 加工完成的突擊任務(wù)。取得效果的關(guān)鍵措施如下。

　　1) 制定周密的工藝改進(jìn)方案，建立以 COBAR65數(shù)車、DMC60U 立臥轉(zhuǎn)換加工中心、數(shù)控鉆和 ROBO-FORM2000 電火花機(jī)床 4 臺(tái)設(shè)備為核心的小單元，進(jìn)行流水作業(yè)。

　　2) 生產(chǎn)準(zhǔn)備是本次突擊成功的基礎(chǔ)。前期針對(duì)技術(shù)改進(jìn)方案已提前訂購(gòu)特殊的復(fù)合刀具，為工藝改進(jìn)方案的實(shí)施打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。生產(chǎn)準(zhǔn)備組在零件突擊過程中同樣發(fā)揮了很大的作用。

　　3) 新的檢驗(yàn)配合方式起到了關(guān)鍵作用。工序檢驗(yàn)在檢驗(yàn)中以全參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全過程跟蹤并記錄實(shí)值，檢驗(yàn)與零件加工進(jìn)行流水作業(yè)，總檢提前參與到工序檢驗(yàn)中，從而大大縮短了總檢時(shí)間( 2 次總檢僅用 2d) 。

4 結(jié)語(yǔ)

　　本文結(jié)合某公司數(shù)控轉(zhuǎn)型生產(chǎn)背景，提出了數(shù)控加工過程質(zhì)量控制模型結(jié)構(gòu)和實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過典型零件數(shù)控加工過程實(shí)踐效果驗(yàn)證了策劃-分析-診斷-改進(jìn)的質(zhì)量控制體系模型的有效性和可行性，為同類制造過程效能地改進(jìn)優(yōu)化提供了借鑒和思路。