加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法的研究（上）
2017-6-30 來源：吉林大學(xué) 作者：譚壯
摘要 ：產(chǎn)品的可靠性是由設(shè)計(jì)、制造、裝配、管理等多個(gè)因素決定的。目前以加工中心為代表的數(shù)控機(jī)床可靠性研究主要集中在可靠性設(shè)計(jì)、可靠性建模、可 靠性試驗(yàn)以及故障分析等方面，尚未涉及到數(shù)控機(jī)床零部件制造工藝可靠性的研究。主軸箱體是加工中心關(guān)鍵零部件之一，研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法，不僅有利于減少加工中心主軸箱體制造工藝故障的發(fā)生，而且能夠保障加工中心整機(jī)的可靠性水平，并為研究其它類型數(shù)控機(jī)床零部件的制造工藝可靠性保障方法提供參考。 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?jī)?nèi)容，給出了加工中心主軸箱體制造工藝可靠性定義及其評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用工藝 FMECA 方法針對(duì)可能發(fā)生的工藝故障制定改進(jìn)措施，應(yīng)用控制圖分析方法發(fā)現(xiàn)制造過程中的異常因素并將其排除，從而預(yù)防工藝故障的發(fā)生，建立關(guān)鍵工序質(zhì)量控制點(diǎn)預(yù)防制造過程異常因素的發(fā)生。本文主要研究?jī)?nèi)容如下：
1.分析了加工中心主軸箱體的結(jié)構(gòu)及其在加工中心整機(jī)中的作用，說明了不同型號(hào)加工中心主軸箱體在制造工藝上的相似性。給出了加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的定義以及用于評(píng)價(jià)加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的指標(biāo)體系，并詳細(xì)描述了各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的含義與計(jì)算方法。
2. 應(yīng)用工藝 FMECA 方法對(duì)加工中心主軸箱體制造過程進(jìn)行分析，為了解決數(shù)據(jù)不足的問題，本文將風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)定為評(píng)判原則對(duì)以故障原因?yàn)閱挝坏墓に嚬收夏Ｊ綉?yīng)用梯形模糊數(shù)評(píng)判方法，得出各工藝故障模式的風(fēng)險(xiǎn)程度排序，并將排序較高的工序確定為薄弱工序，對(duì)加工中心主軸箱體整個(gè)制造工藝系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)判，確定出系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為是否有必要實(shí)施改進(jìn)措施提供依據(jù)。
從而預(yù)防工藝故障的發(fā)生，再將異常樣本數(shù)據(jù)排除從而生成控制用控制圖，用于監(jiān)測(cè)加工中心主軸箱體后續(xù)制造過程的波動(dòng)情況。
4. 對(duì)加工中心主軸箱體制造過程中的薄弱工序或某些特殊關(guān)鍵工序建立關(guān)鍵工序質(zhì)量控制點(diǎn)，提出了加工中心主軸箱體制造過程一般關(guān)鍵工序和特殊關(guān)鍵工序的定義以及確定關(guān)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(guān)的 5M1E 因素，并針對(duì)各個(gè)因素制定了相應(yīng)的控制文件，描述了建立及管理關(guān)鍵工序質(zhì)量控制點(diǎn)的方法與流程。
本文從多個(gè)角度逐層加深的對(duì)加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法進(jìn)行了研究，因而能夠適應(yīng)機(jī)床制造企業(yè)的生產(chǎn)需求，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 加工中心主軸箱體，制造工藝可靠性，工藝 FMECA，模糊評(píng)判，控制圖分析，MATLAB-GUI，關(guān)鍵工序質(zhì)量控制點(diǎn)
第 1 章 緒論
1.1 研究背景
機(jī)械制造業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，為航空航天、航海、電力運(yùn)輸、高速鐵路、汽車生產(chǎn)等多個(gè)行業(yè)提供了儀器儀表和生產(chǎn)設(shè)備等工具[1]。機(jī)械制造業(yè)是“中國制造 2025”興國戰(zhàn)略中的關(guān)鍵領(lǐng)域，其發(fā)展?fàn)顩r直接決定中國能否從制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國。機(jī)械制造裝備的先進(jìn)程度是機(jī)械制造業(yè)發(fā)展水平的決定性因素，數(shù)控機(jī)床作為制造裝備中的典型代表，在過去的幾十年中得到了很大的展，我國也連續(xù)多年位居世界機(jī)床產(chǎn)量的榜首，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了重大的貢獻(xiàn)[2-3]。 即便近年來國內(nèi)經(jīng)濟(jì)增速放緩，我國機(jī)床產(chǎn)值仍然高于世界上其他國家，同時(shí)機(jī)床消費(fèi)值占世界機(jī)床總消費(fèi)值的比例很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它發(fā)達(dá)國家。如圖 1.1、圖 1.2 所示，2014 年中國機(jī)床產(chǎn)值只是稍稍領(lǐng)先日本與德國，但是消費(fèi)值以及進(jìn)口值則與其余四個(gè)國家的總和相當(dāng)，其中機(jī)床消費(fèi)值占世界總消費(fèi)值的 31%，雖然機(jī)床出口值增幅高達(dá) 18.1%，但是出口總量相比日本、德國等發(fā)達(dá)國家差距依然很大[4-6]。我國機(jī)床進(jìn)口值連續(xù)多年占機(jī)床消費(fèi)值的 40%左右，并且國內(nèi)中高端數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)長(zhǎng)期由國外進(jìn)口機(jī)床所霸占，這也說明我國機(jī)床產(chǎn)業(yè)當(dāng)前依然處于大而不強(qiáng)的境地[7]。
加工中心是一種具有使用范圍廣、技術(shù)先進(jìn)以及發(fā)展速度快等特點(diǎn)的數(shù)控機(jī)床，其總產(chǎn)值占世界機(jī)床產(chǎn)值的 1/6 左右并將逐年高速增長(zhǎng)[8]。雖然以加工中心為代表的數(shù)控機(jī)床在國家科技攻關(guān)計(jì)劃以及國家科技重大專項(xiàng)等政策的支持下得到了發(fā)展，尤其是在多軸聯(lián)動(dòng)化、高精度化、高速化、柔性化等方面取得了很大的進(jìn)步，但是與日本、德國等發(fā)達(dá)國家的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品相比依然存在差距[9-10]。尤其是在機(jī)床可靠性及功能、性能維持能力方面，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床相比國際知名品牌機(jī)床產(chǎn)品落后明顯，這也成為了制約國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展以及占有更多市場(chǎng)的關(guān)鍵因素[11]。因此為了提高包括加工中心在內(nèi)的國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可靠性，縮短與國際機(jī)床產(chǎn)品的性能差距，應(yīng)當(dāng)從設(shè)計(jì)、制造、裝配、使用以及維護(hù)保養(yǎng)等方面進(jìn)行研究，從而提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)占有率，實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的目標(biāo)[12]。
圖 1.1 2014 年主要國家機(jī)床消值及進(jìn)出口值
圖 1.2 2014 年主要國家機(jī)床消費(fèi)比例
1.2 課題來源
本文所研究的課題來源于“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項(xiàng)課題“千臺(tái)國產(chǎn)加工中心可靠性提升工程”（2013ZX04011-012）和“重型機(jī)床可靠性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法研究（2014ZX04014-011）。
1.3 論文研究目的和意義
加工中心在國內(nèi)多個(gè)制造領(lǐng)域需求量很大，但由于國產(chǎn)加工中心可靠性低，企業(yè)通常只在不重要的中低端制造環(huán)節(jié)使用國產(chǎn)加工中心，而關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)通常采用進(jìn)口產(chǎn)品。然而很多發(fā)達(dá)國家在我國進(jìn)口高檔加工中心時(shí)附加了各種限制條件，如限定購買數(shù)量、限定使用維修地點(diǎn)和人員等等，這些條件不僅增加了企業(yè)的采購成本也影響了企業(yè)的生產(chǎn)節(jié)拍。目前我國民用、軍用行業(yè)對(duì)國外高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的依賴度很高，嚴(yán)重制約了我國在國際上擁有更多的話語權(quán)，因此提升包括加工中心在內(nèi)的國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性迫在眉睫。 加工中心由主軸箱體、主軸、床身、刀庫、工作臺(tái)、立柱等零部件和液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等組成，各零部件的設(shè)計(jì)、制造、裝配水平將直接影響到加工中心整機(jī)的可靠性。目前國內(nèi)外對(duì)加工中心可靠性的研究主要集中在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、維修等階段，但制造是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程，也是直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，所以研究零部件制造工藝可靠性保障方法對(duì)于保障加工中心整機(jī)可靠性具有重要的意義。鑒于主軸箱體是承載主軸的關(guān)鍵件，其制造水平將直接影響到加工中心的可靠性、精度及精度維持能力，在加工中心零部件中具有一定的特殊地位，因此研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法，不僅有利于減少加工中心主軸箱體制造工藝故障的發(fā)生，降低企業(yè)在制造過程中的經(jīng)濟(jì)損失，保障加工中心整機(jī)可靠性水平，而且能夠?yàn)檠芯科渌愋蛿?shù)控機(jī)床零部件的制造工藝可靠性保障技術(shù)提供參考。
1.4 國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀
1.4.1 加工中心國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1.4.1.1 加工中心國外發(fā)展現(xiàn)狀
上個(gè)世紀(jì)四十年代初至五十年代末，在成功研制出數(shù)控銑床并將其應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際的基礎(chǔ)上，美國研發(fā)出了世界上第一臺(tái)加工中心[13-14]。德國、日本等國家也在這個(gè)時(shí)間段相繼研制出了自己的第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，也成為了他們后續(xù)壟斷高檔數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的基礎(chǔ)。上個(gè)世紀(jì)七十年代，加工中心在國外多個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用并受到了越來越多的重視，其技術(shù)也得到了廣泛的普及。得益于近些年電子、計(jì)算機(jī)、造型設(shè)計(jì)等技術(shù)的快速發(fā)展，加工中心在制造精度、切削速度、人機(jī)交互、外觀造型等方面取得了很大的進(jìn)步。目前以德國、日本、美國等發(fā)達(dá)國家的高檔產(chǎn)品為代表，加工中心已經(jīng)演變成了具有觀賞性外觀同時(shí)又涉及機(jī)械、電子、液壓等多方面技術(shù)的高度自動(dòng)化機(jī)電液產(chǎn)品（如圖 1.3 所示德國 DMG 機(jī)床集團(tuán)生產(chǎn)的加工中心）。
圖 1.3 德國 DMG 機(jī)床集團(tuán)生產(chǎn)的加工中心
1.4.1.2 加工中心國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
我國研究數(shù)控機(jī)床技術(shù)的時(shí)間較早，在上個(gè)世紀(jì)五十年代末開始研發(fā)數(shù)控銑床，并于六十年代初成功研制出屬于自己的第一臺(tái)加工中心[15]。然而國內(nèi)研發(fā)水平低下、制造能力不足以及國外的技術(shù)封鎖等原因，造成了包括加工中心在內(nèi)的國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在 1979 年之前近乎沒有得到任何大的發(fā)展。從國家的“六五”規(guī)劃開始，通過引進(jìn)和吸收國外發(fā)達(dá)國家先進(jìn)機(jī)床技術(shù)，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床技術(shù)取得了一定的進(jìn)步并開始受到重視。經(jīng)過國家改革開放政策后，制造業(yè)得到了飛速的發(fā)展同時(shí)促進(jìn)了國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床技術(shù)取得了更大的進(jìn)步，并在國內(nèi)各行各業(yè)中應(yīng)用的更加廣泛。雖然目前國產(chǎn)加工中心年產(chǎn)量已經(jīng)超過 4 萬臺(tái)，并保持著高速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，但是市場(chǎng)占有率卻僅為 30%左右，在高端機(jī)床市場(chǎng)幾乎得不到市場(chǎng)的認(rèn)可。因此為了提高數(shù)控機(jī)床可靠性縮短與國外產(chǎn)品的差距，我國將包括加工中心在內(nèi)的數(shù)控機(jī)床可靠性研究定為重點(diǎn)攻關(guān)領(lǐng)域，并提出在“十三五”規(guī)劃結(jié)束時(shí)包括加工中心在內(nèi)的數(shù)控機(jī)床平均故障間隔時(shí)間（MTBF）達(dá)到 2000 小時(shí)的戰(zhàn)略目標(biāo)。
1.4.2 加工中心可靠性國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.4.2.1加工中心可靠性國外研究現(xiàn)狀
可靠性理論發(fā)展于上個(gè)世紀(jì)三十年代末，指的是產(chǎn)品在規(guī)定條件下及規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，通常用可靠度衡量產(chǎn)品的可靠性水平[16-17]。加工中心可靠性理論是伴隨著數(shù)控機(jī)床可靠性理論的發(fā)展而發(fā)展[13]。 國外不僅研制數(shù)控機(jī)床的時(shí)間較早，而且將可靠性理論應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床包括加工中心的時(shí)間也早于我國。1963 年，Milton C. Shaw[18]研究了能夠使機(jī)床壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最高的優(yōu)化算法。1967 年，W.A. Knight[19]在文獻(xiàn)中對(duì)機(jī)床因切削工件而產(chǎn)生的振動(dòng)性能開展了研究，提出了評(píng)估和預(yù)算機(jī)床穩(wěn)定性的方法。以上學(xué)者雖然沒有直接提出機(jī)床可靠性的研究術(shù)語，但是他們所研究的內(nèi)容都與可靠性密切相關(guān)。1975 年，T.S Sankar[20]評(píng)估了主軸系統(tǒng)在隨機(jī)切削載荷下的可靠性水平，是早期直接與數(shù)控機(jī)床可靠性理論相關(guān)的研究成果之一。1982 年，A.Z. Kelle[21]等研究學(xué)者采用威布爾分布以及對(duì)數(shù)正態(tài)分布理論對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性和維修性進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。雖然早期學(xué)者對(duì)數(shù)控機(jī)床包括加工中心的可靠性進(jìn)行了相關(guān)研究，但沒有形成理論體系。蘇聯(lián)在 20 世紀(jì) 70 年代對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性理論開展了專門的研究，并出版了相關(guān)學(xué)術(shù)專著，是后期建立包括加工中心在內(nèi)的數(shù)控機(jī)床可靠性理論體系的重要基礎(chǔ)[22]。由于國外機(jī)床企業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的高度重視，數(shù)控機(jī)床包括加工中心的可靠性問題通常由企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行解決并作為商業(yè)機(jī)密，因此專門的科研機(jī)構(gòu)對(duì)于數(shù)控機(jī)床可靠性的研究較少，這也是難以查閱國外相關(guān)先進(jìn)研究成果的重要原因。 目前，國外關(guān)于數(shù)控機(jī)床包括加工中心的可靠性研究多數(shù)集中在可靠性建模以及維修性等方面。數(shù)控機(jī)床壽命分布模型的建立方法主要是采用威布爾分布模型、指數(shù)分布模型以及正態(tài)分布模型等。S. Tanaka[23]在考慮到尺度參數(shù)與形狀參數(shù)存在關(guān)聯(lián)性的情況下，研究出威布爾分布尺度參數(shù)的快速估計(jì)方法。此外，D.M. Brkich Stephen Shifley 等[24-25]也對(duì)威布爾分布模型進(jìn)行了研究擴(kuò)展，使其在可靠性研究領(lǐng)域中應(yīng)用更加廣泛。除了威布爾分布模型之外，離散事件樹方法、蒙特卡洛方法、Petri 網(wǎng)建模方法等也廣泛應(yīng)用在可靠性建模理論中。然而目前國外關(guān)于數(shù)控機(jī)床零部件制造工藝可靠性的研究成果幾乎沒有。
1.4.2.2 加工中心可靠性國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)可靠性理論研究時(shí)間相比國外較晚。直到 20 世紀(jì) 80 年代，我國才開始研究加工中心可靠性理論。從“八五”規(guī)劃開始，數(shù)控機(jī)床包括加工中心的可靠性研究得到了國家的重視，并在“九五”規(guī)劃結(jié)束時(shí)將其平均故障間隔時(shí)間（MTBF）提高了 2 倍達(dá)到 500-600 小時(shí)。吉林大學(xué)是國內(nèi)較早開展數(shù)控機(jī)床包括加工中心可靠性研究的單位，隨著國家科技重大專項(xiàng)對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性支持力度的加大，越來越多的企業(yè)和科研院所開始對(duì)數(shù)控機(jī)床可靠性進(jìn)行研究。 目前，國內(nèi)對(duì)包括加工中心在內(nèi)的數(shù)控機(jī)床可靠性理論的研究已經(jīng)取得了很多成果。許彬彬[26]考慮不同維修程度對(duì)數(shù)控機(jī)床的影響建立了數(shù)控機(jī)床整機(jī)及子系統(tǒng)的可靠性模型。申桂香等[27]運(yùn)用了熵權(quán)法對(duì)加工中心可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括平均故障間隔時(shí)間（MTBF）、平均首次故障時(shí)間（MTTFF）、當(dāng)量故障率 D 分配權(quán)重，從而得到加工中心可靠性的客觀評(píng)價(jià)結(jié)果。邵娜等[28]利用物元可拓模型對(duì)數(shù)控機(jī)床的子系統(tǒng)包括液壓、電氣等進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。張根保等[29]研究了對(duì)數(shù)線性比例強(qiáng)度理論模型，并運(yùn)用該理論對(duì)數(shù)控機(jī)床在不完全維修情況下的可靠性進(jìn)行了評(píng)估。李小兵[13]提出了針對(duì)故障發(fā)生時(shí)間的加工中心可靠性建模方法，并且對(duì)加工中心在受到切削負(fù)荷影響時(shí)的可靠性水平進(jìn)行了評(píng)估。魏領(lǐng)會(huì)等[30]利用Petri 網(wǎng)模型和蒙特卡洛仿真分析理論對(duì)數(shù)控機(jī)床可用度進(jìn)行建模與仿真分析。以上學(xué)者的研究成果主要集中在加工中心可靠性建模及評(píng)價(jià)方面，具有一定的研究深度。 除了可靠性建模及評(píng)價(jià)之外，國內(nèi)學(xué)者在可靠性試驗(yàn)、故障分析等方面同樣取得了很多研究成果。肖俊等[31]將模糊理論應(yīng)用到了數(shù)控機(jī)床可靠性分配模型中，并綜合考慮了可靠性分配準(zhǔn)則，為數(shù)控機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)研究提供了參考。蔣敬仁[32]對(duì)加工中心盤式刀庫的可靠性試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，對(duì)企業(yè)以及科研院所制定加工中心盤式刀庫可靠性試驗(yàn)規(guī)范具有一定參考價(jià)值。方杰[33]對(duì)加工中心的載荷譜進(jìn)行了研究，依據(jù)加工中心切削載荷編制出了相應(yīng)的速度譜、切削力譜以及切削扭矩譜，對(duì)加工中心可靠性試驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。上述研究成果主要集中在機(jī)床可靠性試驗(yàn)方面，也是目前機(jī)床可靠性研究中最為常見的試驗(yàn)方法。段煒[34]對(duì)加工中心盤式刀庫換刀系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)故障預(yù)警方法。李加明[35]研究了加工中心鏈?zhǔn)降稁旌蜋C(jī)械手的模塊化可靠性分配方法，并對(duì)鏈?zhǔn)降稁旌蜋C(jī)械手的傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用了動(dòng)作可靠性設(shè)計(jì)。程曉民等[36]分析了加工中心發(fā)生的早期故障，并建立了加工中心早期故障間隔時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，為加工中心可靠性改進(jìn)提供了重要的依據(jù)。這些研究成果主要集中在加工中心可靠性設(shè)計(jì)、故障分析以及可靠性評(píng)估方面。 通過總結(jié)上述研究成果，可以發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)學(xué)者在數(shù)控機(jī)床可靠性設(shè)計(jì)、可靠性建模、可靠性試驗(yàn)以及故障分析等方面已經(jīng)取得了很多研究成果，但同樣是尚未涉及數(shù)控機(jī)床零部件制造工藝可靠性的研究。
1.4.3 制造工藝可靠性國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.4.3.1制造工藝可靠性國外研究現(xiàn)狀
目前國外對(duì)于制造工藝可靠性已經(jīng)進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果但尚未涉及數(shù)控機(jī)床類的產(chǎn)品。Bruno Bosacchi[37]將模糊邏輯理論應(yīng)用到了微電子質(zhì)量控制系統(tǒng)中，并提出三種保障產(chǎn)品可靠性的方法，分別是優(yōu)化產(chǎn)品部件質(zhì)量、提高生產(chǎn)過程成品率以及盡早考慮產(chǎn)品可能發(fā)生的可靠性問題。William Q. Meeker等[38]將多種統(tǒng)計(jì)方法，如六西格瑪設(shè)計(jì)等應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)制造階段的可靠性分析中。上述研究都是從宏觀角度提出一些解決問題的措施，而并沒有具體落實(shí)到某個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中。Kanchan Kumar Das[39]認(rèn)為整個(gè)制造系統(tǒng)受到制造設(shè)備可靠性的影響很大，并以生產(chǎn)費(fèi)用為約束對(duì)制造系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了優(yōu)化，但并未從保障所生產(chǎn)的產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)要求的角度進(jìn)行研究。
此外，許多學(xué)者都是從提高產(chǎn)品可靠性的角度保障制造過程可靠性，而單獨(dú)針對(duì)制造過程可靠性研究的理論較少。Michael Pecht 等[40]認(rèn)為物理失效模型的研究理論與成果可以用于產(chǎn)品的制造過程中，從而達(dá)到提高產(chǎn)品可靠性的目的。Taeho Kim 和 Way Kuo[41-42]建立了半導(dǎo)體生產(chǎn)線成品率與產(chǎn)品可靠性的關(guān)系模型，并認(rèn)為與設(shè)計(jì)過程、制造過程以及操作過程相關(guān)的參數(shù)是影響產(chǎn)品成品率與可靠性的主要因素。這些學(xué)者的研究主要是對(duì)產(chǎn)品的物理失效機(jī)理進(jìn)行分析，研究領(lǐng)域也是主要集中在半導(dǎo)體等電子器件領(lǐng)域。Angus Jeang 等[43]研究了產(chǎn)品使用時(shí)間與制造方法以及制造誤差之間的關(guān)系，并建立了產(chǎn)品壽命周期經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化模型。Biren Prasad[44]從提高產(chǎn)品壽命周期經(jīng)濟(jì)性的角度對(duì)制造企業(yè)的管理進(jìn)行了優(yōu)化。Om Prakash Yadav[45]將 Bayes 方法與模糊理論相結(jié)合，利用產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中的定性信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品可靠性的預(yù)計(jì)。Carlos Adrino Rigo Teixeira[46]將客戶評(píng)價(jià)結(jié)果、故障樹分析結(jié)果以及一些定性方法應(yīng)用于產(chǎn)品可靠性提升中，并在汽車離合器的生產(chǎn)中運(yùn)用了相關(guān)理論。這些學(xué)者雖然分析了制造過程與產(chǎn)品壽命周期或者產(chǎn)品可靠性的關(guān)系，說明了制造過程的重要性，但并未針對(duì)具體產(chǎn)品的制造過程進(jìn)行研究。Seiichi Nakajima[47]在日本工業(yè)界推行全員生產(chǎn)維護(hù)的概念，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中取得了很好的效果并得到了業(yè)界內(nèi)的認(rèn)可。B. M. Hsu[48]在無法得到產(chǎn)品精確的加工尺寸時(shí),運(yùn)用模糊方法對(duì)產(chǎn)品制造工序能力指數(shù)進(jìn)行了評(píng)估。上述研究成果雖然是以產(chǎn)品制造過程為研究對(duì)象，但是研究角度較為單一。
1.4.3.2制造工藝可靠性國內(nèi)研究現(xiàn)狀
目前國內(nèi)對(duì)于制造工藝可靠性的研究同樣取得了一定的成果但也均未針對(duì)數(shù)控機(jī)床類產(chǎn)品進(jìn)行專門的研究。趙天旭等[49]研究了集成電路可靠性與制造成品率之間的關(guān)系，并認(rèn)為集成電路的失效由多種原因引起，這些原因包括溫度、化學(xué)過程、電路以及機(jī)械制造等，并說明了機(jī)械制造過程對(duì)集成電路可靠性的影響。孫繼文等[50]認(rèn)為制造系統(tǒng)可靠性受產(chǎn)品質(zhì)量的影響，并利用產(chǎn)品特征測(cè)量值、系統(tǒng)故障要素與性能衰退的相互影響建立了相關(guān)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)制造系統(tǒng)可靠性定量分析的目的。范文貴[51]分析了小批量生產(chǎn)中存在的數(shù)據(jù)信息不足的問題，并運(yùn)用貝葉斯理論對(duì)小批量生產(chǎn)建立質(zhì)量控制模型，從而減少建模對(duì)數(shù)據(jù)量的依賴。余忠華等[52]運(yùn)用貝葉斯理論對(duì)產(chǎn)品工序質(zhì)量建立了動(dòng)態(tài)控制模型，并將其應(yīng)用到汽輪機(jī)的葉片制造工序中，證明了該方法的應(yīng)用價(jià)值。上述研究成果主要針對(duì)的是質(zhì)量控制模型的建立，但是未提出保障產(chǎn)品制造過程符合設(shè)計(jì)要求的具體措施。王麗穎等[53]提出了對(duì)影響生產(chǎn)工序的因素進(jìn)行柔性編碼的方法，從而能夠適應(yīng)生產(chǎn)中靈活性與標(biāo)準(zhǔn)性的需要，并運(yùn)用了相似制造論對(duì)相似工序分組，從而解決小批量生產(chǎn)中數(shù)據(jù)不足的問題。
許多學(xué)者將統(tǒng)計(jì)過程控制與診斷技術(shù)應(yīng)用到了產(chǎn)品制造過程的質(zhì)量控制中。劉春雷等[54]將多品種小批量生產(chǎn)中結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品建立分組，運(yùn)用正態(tài)分布等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法解決了樣本數(shù)據(jù)不足的問題，并利用動(dòng)態(tài)控制圖監(jiān)測(cè)加工過程是否存在異常情況。樂清洪[55]研究了人工智能技術(shù)在產(chǎn)品工序質(zhì)量控制中的應(yīng)用，分析了智能統(tǒng)計(jì)過程控制和質(zhì)量預(yù)測(cè)控制存在的主要問題及解決方案。陳志強(qiáng)等[56]對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中定性質(zhì)量指標(biāo)運(yùn)用模糊理論，從而能夠?qū)ζ浣⒖刂茍D進(jìn)行生產(chǎn)過程質(zhì)量監(jiān)測(cè)，并擴(kuò)展了控制圖的應(yīng)用領(lǐng)域。劉艷永等[57]將兩種質(zhì)量診斷理論與多元累積和控制圖相結(jié)合，并運(yùn)用實(shí)例對(duì)其研究成果進(jìn)行了說明。上述研究成果主要是對(duì)控制圖分析進(jìn)行了研究，并提出了解決小批量生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)不足的方法。
此外一些學(xué)者研究了關(guān)鍵工序的確定方法以及降低制造工藝故障發(fā)生率等相關(guān)理論。楊承先等[58]采用層次分析法（AHP）確定出關(guān)鍵工序質(zhì)量控制點(diǎn)，并將其理論應(yīng)用到液壓挖掘機(jī)的生產(chǎn)過程中。周東君等[59]對(duì)傳統(tǒng)多層次分析法進(jìn)行了改進(jìn)，并將其應(yīng)用到軍械器材關(guān)鍵工序質(zhì)量控制點(diǎn)的監(jiān)控上。張曼[60]對(duì)小批量產(chǎn)品試制過程建立了有向圖模型，確定出關(guān)鍵工序節(jié)點(diǎn)，并利用分析軟件 NWA繪制了移動(dòng)極差控制圖，進(jìn)一步檢測(cè)了關(guān)鍵工序的穩(wěn)定性。上述研究成果針對(duì)制造過程關(guān)鍵工序的確定方法進(jìn)行了研究，從而能夠針對(duì)性的實(shí)施相關(guān)的保障性措施，但并未針對(duì)具體的保障措施開展研究。孫靜[61]分析了接近零不合格過程概念的發(fā)展歷程，并提出了實(shí)現(xiàn)這一概念的理論體系，但是研究方法較為宏觀且過于理論，還需要進(jìn)一步細(xì)化研究。蔣平[62]提出了制造工藝可靠性的定義以及評(píng)價(jià)指標(biāo)，并將產(chǎn)品的孔位特征作為制造工藝可靠性的主要考察對(duì)象，對(duì)工藝可靠性的主要影響因素進(jìn)行了分析判別，提出了工藝可靠性的建模與評(píng)定方法。但是以產(chǎn)品孔位特征作為產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的決定性因素值得商榷，其研究方法不能適用于所有機(jī)械制造產(chǎn)品，而且其理論較為復(fù)雜，對(duì)于企業(yè)而言具有較大的實(shí)施難度。
雖然目前國內(nèi)外制造工藝可靠性的研究成果并未針對(duì)數(shù)控機(jī)床零部件且存在某些方面的局限性，但可以為加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法的研究提供一定的參考。加工中心主軸箱體的生產(chǎn)分為單件小批量生產(chǎn)和大批量生產(chǎn)兩種，單一的制造工藝可靠性保障理論并不一定能夠適用，此外理論結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜則不利于機(jī)床企業(yè)開展具體的實(shí)施工作，因此在研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到上述情況。
1.5 論文主要研究?jī)?nèi)容
本文結(jié)合“千臺(tái)國產(chǎn)加工中心可靠性提升工程” （2013ZX04011-012）和“重型機(jī)床可靠性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法研究”（2014ZX04014-011）國家科技重大專項(xiàng)課題的研究?jī)?nèi)容及長(zhǎng)期在機(jī)床制造企業(yè)的實(shí)踐經(jīng)歷，以便于企業(yè)實(shí)施為重要原則，從多個(gè)角度并逐層加深的對(duì)加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法進(jìn)行研究，本文研究?jī)?nèi)容的邏輯結(jié)構(gòu)如圖 1.4 所示，本文主要研究?jī)?nèi)容如下：
第 1 章 緒論。了解目前國內(nèi)外加工中心發(fā)展現(xiàn)狀和加工中心可靠性的研究現(xiàn)狀，得出目前加工中心零部件制造工藝可靠性的研究尚處于起步階段。總結(jié)國內(nèi)外其他產(chǎn)品的制造工藝可靠性研究現(xiàn)狀及其不足，提出加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法的研究思路和主要內(nèi)容，并說明其研究意義。
第 2 章 加工中心主軸箱體制造工藝可靠性定義及評(píng)價(jià)指標(biāo)。分析加工中心主軸箱體的結(jié)構(gòu)及其在加工中心整機(jī)中的作用，說明不同型號(hào)加工中心主軸箱體在制造工藝上的相似性。提出加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的定義，同時(shí)提出用于評(píng)價(jià)加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的指標(biāo)體系，并詳細(xì)描述各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的含義與計(jì)算方法。
第 3 章 基于模糊評(píng)判的加工中心主軸箱體制造工藝 FMECA。介紹加工中心主軸箱體制造工藝 FMECA 實(shí)施流程，為了解決數(shù)據(jù)不足的問題，本文將風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)定為評(píng)判原則，對(duì)以故障原因?yàn)閱挝坏墓に嚬收夏Ｊ綉?yīng)用梯形模糊數(shù)評(píng)判方法，從而得出各工藝故障模式的風(fēng)險(xiǎn)程度排序，再對(duì)加工中心主軸箱體整個(gè)工藝系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)判，確定出系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為是否實(shí)施改進(jìn)措施提供依據(jù)。
第 4 章 加工中心主軸箱體制造過程控制圖分析及軟件編制。介紹控制圖分析方法的原理以及加工中心主軸箱體制造過程控制圖分析流程，利用 MATLAB-GUI（圖形用戶界面）編制加工中心主軸箱體制造過程 x ?s 控制圖分析軟件，該軟件能夠準(zhǔn)確快速計(jì)算樣本數(shù)據(jù)、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(duì)異常因素和異常樣本數(shù)據(jù)的排除可以生成相應(yīng)的控制用控制圖，用于監(jiān)測(cè)加工中心主軸箱體制造過程的波動(dòng)情況。
第 5 章 加工中心主軸箱體制造過程關(guān)鍵工序質(zhì)量控制點(diǎn)。提出了加工中心主軸箱體制造過程一般關(guān)鍵工序和特殊關(guān)鍵工序的定義，以及確定關(guān)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(guān)鍵工序質(zhì)量控制點(diǎn)的內(nèi)容，分析了與加工中心主軸箱體制造過程密切相關(guān)的 5M1E 因素，并針對(duì)各個(gè)因素制定相應(yīng)的控制文件，描述了建立以及管理關(guān)鍵工序質(zhì)量控制點(diǎn)的方法。
第 6 章 總結(jié)與展望。對(duì)本文的主要工作進(jìn)行總結(jié)并對(duì)課題的未來研究方向進(jìn)行展望。
圖1.4 論文的邏輯結(jié)構(gòu)
第 2 章 加工中心主軸箱體制造工藝可靠性定義及評(píng)價(jià)指標(biāo)
為了便于研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的保障方法，本文對(duì)加工中心主軸箱體制造工藝可靠性進(jìn)行了定義并提出相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在 2.1 節(jié)中介紹了加工中心主軸箱體的結(jié)構(gòu)及其在加工中心整機(jī)中的作用，結(jié)合企業(yè)的加工實(shí)例介紹了加工中心主軸箱體制造工藝流程，在 2.2 節(jié)中提出了加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的定義，在 2.3 節(jié)中提出了加工中心主軸箱體的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，并描述了各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的含義與計(jì)算方法。建立的指標(biāo)體系能夠全面評(píng)價(jià)加工中心主軸箱體制造工藝可靠性，為是否需要實(shí)施制造工藝可靠性保障方法提供決策依據(jù)，也為驗(yàn)證制造工藝可靠性保障方法的有效性提供考核依據(jù)。 2.1 加工中心主軸箱體結(jié)構(gòu)及其制造工藝
2.1.1 加工中心主軸箱體結(jié)構(gòu)
加工中心是一種具有兩種或者兩種以上加工方式并能自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床[63]。根據(jù)主軸空間布置形式的不同可以分為臥式加工中心和立式加工中心（如圖2.1、圖 2.2 所示），臥式加工中心的主軸平行于工作臺(tái)，而立式加工中心的主軸垂直于工作臺(tái)。在對(duì)加工中心進(jìn)行可靠性研究時(shí)，通常將其劃分為基礎(chǔ)部件、機(jī)床附件、主軸系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等子系統(tǒng)，其中主軸系統(tǒng)包括了主軸箱體、主軸、主軸軸承、電機(jī)等。
圖 2.1 臥式加工中心
圖2.2 立式加工中心
加工中心主軸箱體是承載主軸的關(guān)鍵零件，同時(shí)與立柱的滾珠絲杠裝配連接。主軸箱體的制造質(zhì)量將會(huì)直接影響到其與主軸、電機(jī)、軸承等的裝配質(zhì)量，從而影響到整機(jī)的可靠性水平。加工中心主軸箱體的結(jié)構(gòu)與多種因素相關(guān)，包括主軸的傳動(dòng)形式、絲杠傳動(dòng)數(shù)量、主軸尺寸等。如果主軸傳動(dòng)形式為齒輪傳動(dòng)，則主軸箱體上需要有相應(yīng)的電機(jī)孔、傳動(dòng)軸孔以及主軸孔；如果主軸傳動(dòng)形式為帶傳動(dòng)，則主軸箱體上不需要傳動(dòng)軸孔；如果主軸為電主軸，則主軸箱體上不需要具有電機(jī)孔及傳動(dòng)軸孔。根據(jù)絲杠傳動(dòng)數(shù)量的不同，主軸箱體上相應(yīng)的布有不同數(shù)量的絲杠連接孔。此外，主軸箱體上還會(huì)布有潤(rùn)滑管路連接孔、導(dǎo)軌面等。圖 2.3所示為某型號(hào)臥式加工中心主軸箱體，圖 2.4 所示為某型號(hào)立式加工中心主軸箱體。
圖 2.3 某型號(hào)臥式加工中心主軸箱體
圖 2.4 某型號(hào)立式加工中心主軸箱體
2.1.2 加工中心主軸箱體制造工藝
雖然不同形式的加工中心主軸箱體在主軸孔、傳動(dòng)軸孔、電機(jī)孔、絲杠連接孔的相對(duì)位置關(guān)系上存在一定不同，但是從制造工藝的角度分析，臥式加工中心主軸箱體與立式加工中心主軸箱體均可看作是需要進(jìn)行面孔加工的箱體類零件，工藝過程具有較大的相似性。
工藝過程指的是直接改變生產(chǎn)對(duì)象相關(guān)性能的過程，這些性能包括了物理性能、化學(xué)性能、尺寸、形狀以及相對(duì)位置關(guān)系等，某些工作如裝夾、測(cè)量等雖然不是直接改變生產(chǎn)對(duì)象的物理性能、化學(xué)性能、尺寸、形狀以及位置關(guān)系，但是這些工作與加工過程密切相關(guān)而且無法割離，因此這些工作也歸屬到工藝過程的范疇中；工藝過程的種類較多，包括機(jī)械加工、沖壓、熱處理等工藝過程；工序是組成產(chǎn)品制造工藝過程的基本部分，也是企業(yè)制定生產(chǎn)計(jì)劃及核算生產(chǎn)成本的基本單元[64]。因此本文將工序定為研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法的基本單元。
在制定加工工序的順序時(shí)，通常有如下原則：先進(jìn)行定位基面的加工，后進(jìn)行其他表面加工；先進(jìn)行粗加工，后進(jìn)行精加工；先進(jìn)行主要表面加工，后進(jìn)行次要表面加工；先進(jìn)行平面加工，后進(jìn)行孔的加工。但是工序順序的制定在考慮到上述原則時(shí)也需要綜合考慮企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的安放位置、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)調(diào)度等其他因素，從而才能制定出符合企業(yè)自身情況的合理工序順序。 加工中心主軸箱體的毛坯為鑄件，制造精度尤其是主軸孔的制造精度要求較高，有些型號(hào)加工中心主軸箱體體積較大，裝夾費(fèi)時(shí)費(fèi)力（如圖 2.5 所示），運(yùn)輸困難，存在一定的加工難度。本文以某機(jī)床企業(yè)的主軸箱體為例（見圖 2.6）介紹其制造工藝流程（見表 2.1，只保留加工內(nèi)容），為了便于理解各工序的作用，本文將該型號(hào)加工中心主軸箱體的工序按加工位置不同或者功能不同進(jìn)行了分類（見表 2.2）。因涉及企業(yè)機(jī)密，圖 2.6 中未注明尺寸參數(shù)，表 2.1 中工序內(nèi)容除技術(shù)要求外，其余尺寸均為零件圖尺寸，但經(jīng)過處理并非企業(yè)完整的真實(shí)數(shù)據(jù)。
圖 2.5 某型號(hào)主軸箱體生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)
圖 2.6 某型號(hào)主軸箱體示意圖
表 2.1 某型號(hào)加工中心主軸箱體制造工藝流程
表 2.2 工序分類
2.2 加工中心主軸箱體制造工藝可靠性定義
為了研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法，在對(duì)加工中心主軸箱體結(jié)構(gòu)及其制造工藝進(jìn)行了解后，需要明確加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的定義。國家標(biāo)準(zhǔn) GJB451A-2005 對(duì)可靠性的定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)以及規(guī)定的條件下，完成規(guī)定功能的能力[65]。雖然可靠性的定義是統(tǒng)一的，但是由于產(chǎn)品的差異，對(duì)各種產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行定義時(shí)也應(yīng)存在區(qū)別。目前國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者雖然從多種角度提出了制造工藝可靠性的定義，但并沒有一個(gè)得到了廣泛的認(rèn)同[62]。對(duì)于加工中心主軸箱體制造工藝可靠性而言，可靠性定義中的產(chǎn)品指的是加工中心主軸箱體制造工藝，可靠性定義中的功能指的是制造完成的加工中心主軸箱體應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。
綜合考慮可靠性的定義以及目前國內(nèi)外學(xué)者提出的制造工藝可靠性定義，結(jié)合加工中心主軸箱體制造過程的特點(diǎn)，本文從制造過程符合規(guī)定要求能力的角度，對(duì)加工中心主軸箱體制造工藝可靠性定義如下：在規(guī)定的制造時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的制造條件下，加工中心主軸箱體制造工藝過程符合規(guī)定生產(chǎn)要求的能力。定義中規(guī)定的制造時(shí)間指的是生產(chǎn)前所指定的任務(wù)完成時(shí)間，其可以是加工前規(guī)定的某個(gè)工序完成時(shí)間也可以是整個(gè)工藝流程完成時(shí)間，或者是其他某個(gè)任務(wù)所需要的完成時(shí)間；規(guī)定的制造條件指的是加工中心主軸箱體加工過程中所涉及到的因素包括生產(chǎn)環(huán)境、工件材料、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)人員、工藝方法、測(cè)量等；規(guī)定生產(chǎn)要求指的是加工所依據(jù)的技術(shù)要求，包括設(shè)計(jì)圖紙、制定的工藝要求等。本文提出的加工中心主軸箱體制造工藝可靠性定義強(qiáng)調(diào)了整個(gè)工藝過程要符合規(guī)定要求，即制造完成的加工中心主軸箱體不僅符合設(shè)計(jì)圖紙的要求，而且制造過程中每道工序也應(yīng)符合工藝要求，即制造過程中每個(gè)操作均應(yīng)符合工藝要求中的所有內(nèi)容。
2.3 加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)
2.3.1 加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定
為了便于評(píng)價(jià)加工中心主軸箱體制造工藝可靠性，需要制定相應(yīng)的制造工藝可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)。薄弱工序指的是評(píng)價(jià)指標(biāo)不符合規(guī)定要求或者具有不符合規(guī)定要求的風(fēng)險(xiǎn)較大的制造工序，因此根據(jù)制造工藝可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果可以確定出加工中心主軸箱體制造過程中的薄弱工序，從而可以有針對(duì)性的采取制造工藝可靠性保障方法。目前國內(nèi)外不僅沒有被一致認(rèn)可的制造工藝可靠性定義，而且也沒有被一致認(rèn)可的制造工藝可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)。數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)有平均故障間隔時(shí)間 MTBF、平均首次故障間隔時(shí)間 MTTFF、平均修復(fù)時(shí)間 MTTR等[66]；蔣平[62]提出制造工藝可靠性指標(biāo)體系包括工藝穩(wěn)定性、工藝自修正性、工藝遺傳性、工藝故障平均維修時(shí)間等。為了制定出合理的加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文參考了數(shù)控機(jī)床可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)以及目前相關(guān)學(xué)者的研究成果，同時(shí)綜合考慮了加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的定義。
加工中心主軸箱體制造工藝可靠性與多種因素相關(guān)，包括生產(chǎn)環(huán)境、工件材料、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)人員、工藝方法、測(cè)量等，而這些影響因素對(duì)制造工藝可靠性的影響可以通過工序或者工件完成的時(shí)間、工藝故障發(fā)生的概率、工藝穩(wěn)定程度等體現(xiàn)出來，此外制定的加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)具有可計(jì)算性、適用性、完備性等要求[67]。根據(jù)上述情況的討論，本文提出的加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖 2.7 所示，具體的指標(biāo)有工藝可靠度、工藝故障風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)、工藝穩(wěn)定性、平均工藝故障間隔時(shí)間、平均工藝故障修復(fù)時(shí)間、合格工序平均完成時(shí)間、單個(gè)合格工件平均完成時(shí)間及其他指標(biāo)。
圖 2.7 加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)
2.2.3 加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法
2.2.3.1 工藝可靠度
工藝可靠度是衡量加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的總體指標(biāo)，是對(duì)加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的概率度量，也是研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性模型的重要指標(biāo)。工藝可靠度 R(t) 可以用式 2.1 表示。
2.2.3.2工藝故障風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)
工藝故障風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)用 RPN 表示，從工藝故障嚴(yán)酷度 S 、工藝故障發(fā)生概率O 、工藝故障被檢測(cè)難度 D 三個(gè)角度對(duì)制造工序發(fā)生的工藝故障模式進(jìn)行評(píng)價(jià)，S 、O 、D 的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)可參考相應(yīng)的國家軍用標(biāo)準(zhǔn)，具體內(nèi)容參見本文的第三章，RPN 的計(jì)算方法為
2.2.3.3 工藝穩(wěn)定性
表 2.3工序能力指數(shù)
2.2.3.4 平均工藝故障間隔時(shí)間
平均工藝故障間隔時(shí)間（ PFMTBF 或CBFT）應(yīng)用于工藝故障可修復(fù)的加工中心主軸箱體制造工藝過程中，工藝故障是指產(chǎn)品制造過程中因未按規(guī)定要求而引起的故障。在規(guī)定時(shí)間和條件下，加工中心主軸箱體制造過程中發(fā)生 N 次工藝故障，每次經(jīng)過修復(fù)便可繼續(xù)生產(chǎn)作業(yè)，假設(shè)連續(xù)按照規(guī)定要求進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)的時(shí)間為1t ， 2t ，......， Nt ，則平均工藝故障間隔時(shí)間為
式 2.5 中T 表示加工中心主軸箱體按照規(guī)定要求進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)的總時(shí)間。
2.2.3.5 平均工藝故障修復(fù)時(shí)間
平均工藝故障修復(fù)時(shí)間（ PFMTTR 或CCTT）指的是將加工中心主軸箱體制造過程中發(fā)生的工藝故障修復(fù)到正常狀態(tài)下所需要的平均時(shí)間。假設(shè)在規(guī)定時(shí)間和
式 2.6 中T 表示加工中心主軸箱體發(fā)生工藝故障總的修復(fù)時(shí)間。
2.2.3.6 合格工序平均完成時(shí)間
合格工序平均完成時(shí)間（ MQPCT 或PCTT）指的是某個(gè)加工中心主軸箱體制造工序最終完成合格的加工作業(yè)所需要的平均時(shí)間，是衡量該工序加工作業(yè)效率的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是綜合評(píng)價(jià)加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的重要指標(biāo)之一。MQPCT 不僅包括了工藝故障修復(fù)時(shí)間，還包括加工過程涉及到的其它時(shí)間如加工設(shè)備的維修保養(yǎng)時(shí)間、操作人員的誤工時(shí)間、正常加工作業(yè)所需要的時(shí)間等。假設(shè)在規(guī)定時(shí)間和條件下，某工序最終完成合格加工作業(yè)的加工中心主軸箱體數(shù)量為 N ，每個(gè)加工中心主軸箱體最終合格完成該工序所用的加工作業(yè)時(shí)間為1t ，2t ，......， Nt ，則合格工序平均完成時(shí)間為
2.2.3.7 單個(gè)合格工件平均完成時(shí)間
單個(gè)合格工件平均完成時(shí)間（ MQWCT 或WCTT）指的是整個(gè)制造工藝流程完成單個(gè)合格加工中心主軸箱體所需要的平均時(shí)間，是衡量整個(gè)工藝流程生產(chǎn)效率的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是綜合評(píng)價(jià)加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的重要指標(biāo)之一。MQWCT 指標(biāo)可以與成品率綜合使用，為考核整個(gè)制造工藝流程是否達(dá)到企業(yè)要求提供參考。假設(shè)在規(guī)定時(shí)間和條件下，完成合格的加工中心主軸箱體數(shù)量為 N ，合格完成每個(gè)加工中心主軸箱體零件所用的時(shí)間為1t ， 2t ，......， Nt ，則單個(gè)合格工件平均完成時(shí)間為
需要說明的是：只有在樣本數(shù)量比較大的情況下（通常要求樣本數(shù)量大于30），上述計(jì)算方法（2.5）、（2.6）、（2.7）、（2.8）的計(jì)算結(jié)果才能較為準(zhǔn)確的反映實(shí)際情況。對(duì)于多品種小批量的加工中心主軸箱體，可以采用相似工序或零件成組的方法進(jìn)行樣本數(shù)量的擴(kuò)充，并將采集到的質(zhì)量特性值進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換[54]，從而保證相關(guān)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果能較為準(zhǔn)確的反映實(shí)際情況。
2.3 本章小結(jié)
本章分析了加工中心主軸箱體的結(jié)構(gòu)及其在加工中心整機(jī)中的作用，說明了不同型號(hào)加工中心主軸箱體在制造工藝上的相似性，并結(jié)合實(shí)例介紹了加工中心主軸箱體的制造工藝流程。根據(jù)可靠性的定義以及國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究成果，結(jié)合加工中心主軸箱體制造過程的特點(diǎn)，本文從制造過程符合規(guī)定要求能力的角度，提出了加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的定義。本章提出了可定量計(jì)算的加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括工藝可靠度、工藝故障風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)、工藝穩(wěn)定性、平均工藝故障間隔時(shí)間、平均工藝故障修復(fù)時(shí)間、合格工序平均完成時(shí)間、單個(gè)合格工件平均完成時(shí)間等，并描述了各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的含義與計(jì)算方法，從而能夠全面評(píng)價(jià)加工中心主軸箱體制造工藝可靠性，為是否需要實(shí)施制造工藝可靠性保障技術(shù)提供依據(jù)，也為驗(yàn)證制造工藝可靠性保障技術(shù)的有效性提供了考核依據(jù)。本章內(nèi)容是后續(xù)章節(jié)能夠針對(duì)性研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法的重要基礎(chǔ)。
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