构建新一代大锻件工艺与质量控制系统

吕亚臣 任运来 齐作玉

(上海重型机器厂有限公司，上海200240)

1 问题的提出

目前，我国大型锻件的生产设备和生产能力已经达到世界先进水平。国内100 MN以上的液压机已经达到16台，仅三大重机厂的100 MN以上液压机就有6台，上重的新液压机最高能力达到了165 MN。几乎所有新的液压机都实现了计算机控制，原来的液压机也正在实现计算机数字化控制。各大重机厂与大锻件生产配套的炼钢热处理设备也都有了巨大的变化。这说明，国内大锻件的生产设备(硬件)已然更新换代。在硬件条件已经非常好的情况下，我们应该研究如何从软件方面提高大锻件的质量水平。

全面质量管理理论中五个影响产品质量的主要因素是人员、机器、原料、方法和环境。而最能把这五个因素联系在一起的关键技术是生产工艺。生产工艺决定着大锻件产品的质量及其控制能力。

为了稳定大锻件产品的质量，从根本上解决大锻件的质量问题，上重集团公司领导明确提出了细化工艺和加强过程记录的要求。

从质量管理和控制的角度，强调细化工艺和加强过程记录也就是解决质量不稳定的基本方法，是稳定控制大锻件产品质量的必由之路。它是上重集团公司领导为从根本上解决大锻件质量问题而提出的战略决策和重要任务。

然而，完成这个战略任务并不容易。对于如何细化大锻件工艺的方法，目前尚缺少具体、完整和充分有效的方案。的确，细化工艺有很大难度，进展也比较缓慢，效果还没得到足够的显现。

传统大锻件生产工艺和质量控制之所以会存在质量不稳定的问题，除了有客户对产品的质量要求不断提高外，主要原因是大锻件生产无法摆脱两个方面的限制：

其一，大锻件生产过程中许多工序都属于特殊工序。特殊工序的加工质量不易或不能通过其后的检验和试验充分得到验证。因此，特殊工序的工序能力通常比较低，难以稳定生产出质量好、可靠性高的产品。

其二，大锻件产品属于单件小批量生产，每种产品都有各自的特征，其具体生产过程也都有所不同。其它行业的一些先进的质量控制和改进方法、科学的统计学分析技术和精密控制装置等在大锻件生产领域里也统统遇到了应用上的障碍。

正是以上两方面的限制，导致国内大锻件生产企业在稳定大锻件产品质量的道路上始终步履艰难。这些困难和问题也为我们构建新一代大锻件工艺与质量控制系统的战略提供了可能和机遇。

2 创新的精益工艺

传统上，大锻件的工艺要求比较宽松和粗略。这种宽松和粗略主要表现在三个方面：(1)大锻件的工艺人员编制的工艺只是基于产品规范和客户的要求。为此，在编制工艺上通常选择的是与产品规范和客户要求相一致的计量值控制区间范围，以满足一个范围为目标。即使在工艺上必须表示一个单一数值时，也通常是在允许范围内按工艺人员各自的经验选择一个可行的。(2)由于大锻件生产系特殊工序的缘故，大锻件工艺文件通常不予或不能详细规定具体生产过程操作的细节，否则会出现很多工艺文件与实际操作不符合的矛盾。(3)操作人员在执行工艺方面，也通常是以满足工艺要求的上下限值的范围为操作目标。

这种宽松粗略的工艺方式已经不能满足大锻件质量要求和大锻件质量成本的要求。

为此，我们将考虑在新一代大锻件工艺与质量控制系统中推行精益工艺的概念和应用，让宽松粗略的工艺方式在新一代的大锻件生产工艺中成为过去。

精益工艺将是在满足质量规范的基础上，以更加严格的最佳目标值为内部生产工艺控制目标，要求实现严格细致的记录过程、充分分析所记录到的数据。管理上也将按对于目标值的偏差来考核操作人员、工艺人员、管理人员和设备条件。内部偏差允许范围必须要在成本较低的条件下实现更加严格的控制水平。必要时，将应用价值工程的方法来对最佳目标值控制加以分析。当然，最佳目标值和内部检验允许范围则是相对动态和可更新的，只要经过科学研究和分析验证所得出的结果更加准确。

精益工艺的实现需要先从转变科技人员、管理人员和操作人员的意识入手，再通过科学研究和标准化方法的实施来实现。

精益工艺将与实际作业标准、具体操作过程紧密结合。为此，工艺编制人员需要利用先进的动态的管理信息系统，及时掌握操作人员、设备工装、原料坯料、测量方法、 现场环境的状态，借助于工艺系统和管理系统的智能结合来实现。

TIMKEN钢包精炼钢的洁净度之所以能够达到或超过我国电渣钢水平，可以说是它在炼钢方面做到了精益工艺，它所取得的质量成果主要靠的是：(a)在工艺控制上和质量管理上以最佳目标值为方向，就像射击手在射击时以靶心为目标，而不是以靶心到外圆的范围为目标；(b)准确细致的质量记录、科学统计学的应用和高标准的科学研究，以及宝贵的历史性记录的积累。

我们实现创新的大锻件精益工艺所采用的主要方法策略应包括但不局限于如下几点：

(1)在工艺控制上和质量管理上以最佳目标值为方向，制定管理策略、技术规范和标准操作程序来支持精益工艺的实施，尤其是要建立统一的工艺体系，保证在生产前和生产过程中完全控制五个影响产品质量的主要因素；

(2)参照大锻件工艺参数化方法对工艺参数进行精确推导和选用[2]，保证工艺参数的选择有严密依据，是最优化的；

(3)借助集体智慧和积累经验，给出阶段性、可计量的工艺参数的确定或选择；

(4)引入新的工艺参数系统集成和新的工艺参数测量装置与数据的集成和信息反馈，改变现有过程质量记录方法和模式，让所有记录数据和资料能够参与各种工艺参数有效性验证的统计学分析，在经过统计学分析和处理后进行工艺参数的选择或调整，保证质量持续改进，工艺精益求精；

(5)将传统特殊工序的不可测量逐步通过计量值、计数值和等级分类的方法进行研究，实现具体工艺和操作的计量化，实现内在本质的可测量和可控制。

精益工艺的实质是精益求精的系统，该系统除了保留原有传统工艺技术的精华，还将综合运用现代运营管理技术、标准化技术、信息技术、数学数值方法、最优化方法、统计学方法和运筹学方法等等，通过一个高效的系统产生精益工艺。

3 创新的信息化工艺过程记录系统

3.1 现有或传统工艺记录体系的不足：

(1)记录及时性和可靠性难以保证，完全可以人为后补记录而难以监督；

(2)一些重要的生产工艺过程数据记录无法做到精细和完整；

(3)查询不方便，除了手写资料阅读不便外，一个锻件的信息还常常需要跑多个地点查询；

(4)数据处理不方便，难以进行科学统计学处理和分析，再利用价值不高；

(5)质量责任受主观因素影响过大而难以落实；

(6)难以快速传递、及时共享和获得自动的智能报告，不能自动的提示、通知和提供决策支持。

3.2 采取的主要措施将包括：

(1)将所有关键信息点连成网络；(2)组建专门的项目团队并制订实施计划；

(3)添加专用服务器及其软件；

(4)开发大锻件工艺过程记录应用和管理系统；

(5)集成工业控制计算机与管理系统；

(6)引入新的工艺测量装置；

(7)项目实施运行。

人类已经进入信息技术时代，网络技术和数据库技术已经相当成熟。快速开发和建立一个质量记录系统用于替代传统手工记录已经是非常容易的事情，而且不需要很高的成本和代价。有了这样一个系统，我们传统工艺记录体系中的许多不足都可以自然解决。但是，为了与我们建立新一代大锻件工艺与质量控制系统相适应，我们将发展创新的信息化工艺过程记录系统。

3.3 主要创新点：

(1)根据工艺研究和质量控制的现有成果和理论，重新筛选和建立支撑与新工艺优化直接相关的过程记录要点，建立新的、方便的关键记录点和周期性动态启用机制。

(2)引入新的用于工艺细化控制的工艺测量装置：如意大利MERMEC[3]开发的锻造过程中尺寸的二维三维测量和控制系统，它可以在锻造过程中在线测量大锻件的尺寸，对保证成形质量与节能节材起到了很好的作用；又比如，德国IMPAC的双色法非接触金属测温装置，它能排除传统测温装置受到大锻件氧化皮影响，解决传统红外线存在测温不准的问题，新测温装置可用于锻件锻造温度的精确控制。

(3)引入新的控制技术与管理信息系统的集成技术来获取关键、细化和完整的分析数据。将现有的数据控制中人为无法记录的重要参数和数据进行集中存储，再将新的工艺测量装置的数字测量结果进行集成，我们就能获得细化、真实和关键的过程数据记录，为质量控制和精益工艺的分析和提高奠定充分的数据基础。

(4)自动的NCR(不合格记录项)传递、通知、跟踪提醒和超时行为记录。系统中不仅有NCR还将有观察项(未使用最佳方法)的提出，自动提供防止质量问题再发生措施的决策建议，实现质量问题的及时预防和快速处理。

(5)通过统计学处理和标准化处理，建立新的、非主观的质量责任科学自动分配，实现质量管理的升级和防止再发生。

4 创新的大锻件统计学方法

质量管理学科中已经证实必须借助统计学方法实现质量稳定、技术创新。统计学作为一种重要的科学方法，在防止大锻件报废，保证大锻件生产良性发展和质量持续稳定方面将是不可缺少的。

我们正在研究创新的大锻件统计学方法，主要内容特征包括：

(1)创新的大锻件统计资料或变量定义；

(2)如何用数量、数值和分等级来对传统无法定量描述的大锻件工艺过程进行描述；

(3)按参数化方法对同质大锻件变量进行分类；

(4)大锻件小样本统计的显著性检验研究。

目前，大锻件统计学的研究已经取得初步突破。利用信息技术、系统集成方法、统计学原理和先进的工艺成果以及新一代大锻件工艺与质量控制系统，我们能快速评价和准确分析所有细化工艺的合理性，科学分析出质量问题的原因，逐步建立起一定的大锻件生产工序能力，进而优化和细化大锻件生产的工艺和过程，从而实现稳定大锻件产品质量的目标。

5 智能集成系统

新一代大锻件工艺与质量控制系统的构建以工艺技术、质量控制方法、同步制造理论、信息技术、统计学和最优化理论等综合技术为基础。它不仅能从根本上解决大锻件质量问题，确保实现大锻件质量的持续稳定控制，实现大锻件生产企业高质量的快速发展，同时也将实现工艺更新换代、质量改进升级和信息系统创新。

新一代大锻件工艺与质量控制系统将与生产系统相集成，在工艺设计、生产作业方面都将有先进智能的体现。

在工艺文件设计方面，我们未来的计算机编制的大锻件生产工艺不再是个性化的工艺，而是满足所有主要约束条件的最优化的工艺或外行人也能成为“专家”的“傻瓜”工艺[5]。

在关键生产作业方面，比如针对100 MN以上液压机与操作机的锻造联动过程，我们会开发或引进新的软件系统，将自动测量系统与设备控制系统实现联动，确保最优化的和自动的生产过程。

在综合生产作业方面，我们的系统将根据生产设备的可用能力状态、实际能力状态、所有作业任务状态，按照同步制造约束理论、精益生产的运筹学和数学优化，以工艺质量最优为目标，以生产任务准时完成、节能降耗和最高设备利用率等为约束条件，建立一个动态显示的信息看板，或传递给关键人员作业指令，形成一个节能降耗、高效运行的最优化的作业运行系统。

我们将通过新一代大锻件工艺与质量控制系统，对工艺技术、质量控制、生产管理和经营管理提供高效的决策支持。

[1] 朱延果. 洁净钢技术.中国国际自由锻会议2010，成都，2010. 北京：中国锻压协会，2010.

[2] 齐作玉. 大锻件锻压工艺参数化的研究. 大型铸锻件. 2010(1)：9-29.

[3] Eddy Libralesso，等. 锻造中尺寸的控制：2D和3D激光测量系统的创新.中国国际自由锻会议2010，成都，2010. 北京：中国锻压协会，2010.

[4] 聂微编著. 2002版ISO TS16949实施指南. 1版. 广州: 广东经济出版社，2003：134-138.

[5] 齐作玉，等. 大锻件锻压工艺傻瓜软件的研究. 大型铸锻件，1996(2)：1-3.