数控机床可靠性方法论:8341 工程*

2014-04-24张根保李冬英

制造技术与机床 2014年4期

张根保李冬英②

(①重庆大学机械工程学院先进制造技术研究所，重庆 400030;②邵阳学院机械与能源工程系，湖南邵阳 422000)

1 机床可靠性概述

数控机床作为装备制造业“工作母机”，是振兴国家制造产业的关键设备。一个国家数控机床的产量和技术水平在很大程度上代表了其制造业技术水平和竞争力。目前国产数控机床的可靠性与国际水平相比尚有很大差距。可靠性低已成为国产数控机床，尤其是中高档数控机床市场占有率低的主要原因，已成为制约国内机床产业发展的瓶颈，引起了机床行业和学术界的高度关注［1-2］。

根据国家标准GB 6583 的定义，可靠性是指产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定任务的能力。数控机床的可靠性问题一般是以故障(失效)来表征的，故障是指产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态。可靠性高就意味着产品在使用过程中所发生的各种故障少，不容易出问题，机床的可用性高。数控机床属于可修复产品，一般采用平均故障间隔时间(mean time between failure，MTBF)来衡量其可靠性。

经过近20 年攻关，国产机床的可靠性得到较大的提高，2009 年启动的“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项，对机床可靠性给予高度重视，“十一五”的实施使得专项产品的可靠性从原来的不到500 h 普遍提升到900 h 以上，专项预期“十二五”期间的目标是整机达到1500 h，但距5000 h 的国际领先水平仍然存在较大的差距。

为了帮助企业提高国产数控机床的可靠性水平，笔者通过对多年从事可靠性工作的经验和教训进行全面的总结，在理论和技术方面进行提升，结合国内机床企业的实际，系统地提出了“8341”可靠性工程的概念，作为企业实施可靠性工作的方法论，可以指导企业开展可靠性工程，实现持续提升企业的可靠性增长能力和产品可靠性的目的。本文系统地介绍数控机床可靠性方法论(即“8341”工程)的体系架构、主要内容及实施流程。

2 可靠性方法论的体系架构

数控机床是个高度复杂的机电产品，产品的设计、制造和运行要涉及到机、电、液、控等多学科的知识，不仅涉及到设计阶段，同时还要涉及到制造和使用阶段;不仅涉及到主机，也涉及到功能部件和辅机;不仅涉及到工程技术，也涉及到企业管理。因此，提升机床产品的可靠性是个复杂的系统工程，需要从技术和管理方面去着手，在企业建立一套系统、完整、严谨的可靠性实施方法论，本文称为“8341”可靠性工程。“8341”可靠性工程以培育8 项核心理念为切入点，以实施3 个阶段的精细化控制为主线，以打造可靠性4 大保障能力为手段，以建立1 个可靠性管理体系为核心，其体系架构如图1 所示。

3 着力培育“8”大核心理念

在企业实施可靠性工程，首要任务是在领导和全体员工中牢固树立“可靠性第一”的观念和意识，要通过持续不断的培训和教育，在企业形成先进的可靠性文化。

(1)可靠性是企业发展的基石。一个企业的产品可靠性能否得到提升，要害是使企业领导和全体员工认识到可靠性的重要性。事实上，国产机床的外观造型、功能、精度与国外产品的差距都已经不大，最大的差距是可靠性，如果不下气力提高可靠性水平，产品的档次就不可能提高，企业的效益也得不到提升，企业的可持续发展就是一句空话。

(2)技术重要、管理更重要。毫无疑问，产品的可靠性与设计、制造密切相关，但更重要的是管理问题。如果没有建立科学的工作标准，员工不严格按照标准去操作，再好的技术也没用。根据我们的观察，很多企业基本上没有建立起系统完善的工作标准，员工操作的随意性很强，这样做出来的产品可靠性必然很差。因此，必须将技术和管理相结合，在企业打造可靠性文化，实现精心设计、精细制造、严格管理、合理使用，才能真正提升产品的可靠性水平。

(3)指标导向无助于提高可靠性。很多企业开展可靠性工作时，首先选定一个产品，确定一个可靠性指标，然后围绕这个指标采取特殊措施，尽管在一定程度上可以提高可靠性，但这样得到的可靠性是不“可靠”的，采取的特殊措施也是不可持续的。实践证明，提高可靠性必须“能力”导向，提高企业的可靠性增长能力，只有具备了能力，产品的可靠性才能得到持续增长。

(4)探索适合自己的可靠性模式。产品的外观可以模仿、功能可以拷贝、结构可以反求、技术可以购买，但唯独可靠性既无法模仿，也无法拷贝，更无法反求，也无法购买，只有通过企业自己的努力，结合自身的实际，探索适合自己的可靠性模式。一句话，可靠性技术可以是通用的，但可靠性管理必须是独有的。

(5)将早期故障消除在企业内部。国外的产品为什么可靠性高?主要原因之一就是在产品研发方面要花很大的气力，在研发阶段进行大量的分析和试验，发现并消除产品的潜在故障，只要有可靠性隐患的产品就坚决不出厂。反观国内企业，在产品研发方面投入的精力严重不足，只要有市场，即使有缺陷的产品也要推向用户，在用户处发现故障，然后花费大量的人力、物力和财力去进行用户服务，既给用户带来麻烦，也影响了制造企业的信誉。因此，为了提高可靠性，必须树立“将早期故障消除在企业内部”的思想，有故障隐患的产品坚决不出厂。

(6)尽量提高结构和工艺成熟度。大量实践表明，长期生产的产品，其可靠性就比较高。这说明，结构和工艺成熟度是影响产品可靠性的主要因素。国产机床的可靠性不高，在很大程度上是因为采用新结构时没有进行大量的分析和试验，也没有形成成熟稳定的制造工艺。目前机电产品的主要发展趋势是多品种、小批量、定制化，对提高结构和工艺的成熟度非常不利，企业可以采用模块化、标准化、通用化等设计技术，扩大零部件的批量，再结合大量的分析和试验来提高结构和工艺的成熟度。

(7)进行寿命周期的精细化控制。产品的可靠性首先是设计出来的，其次才是制造出来的，还要靠使用来体现。事实证明，国产机床的可靠性不高，首先是设计分析做的不够，往往是“照猫画虎”;其次，制造过程太粗放，只要组装在一起，精度达到要求就是合格产品;对用户而言，使用过程粗放，不按要求进行维护保养，也会造成大量的故障。因此，提高可靠性必须从产品的寿命周期入手，进行精细化设计、精细化制造和精细化使用。

(8)制定并严格执行可靠性标准。为了提升产品的可靠性，首先要制定全面细致的可靠性标准，包括设计标准、制造标准、工作标准等，标准的制定要科学合理，要具有可操作性，在制定各类标准时，必须进行试验验证。制定的标准能否在企业得到真正应用，还取决于执行标准的严格程度，提升企业的执行力，否则，所制定的标准就只是一堆文件而已。

4 全面实现“3”个精细控制

精细化作为现代化工业生产的一个管理理念，最早是由日本的企业在20 世纪50 年代提出的。“天下大事，必做于细。”到目前，精细化管理的理论已经被越来越多的企业管理者所接受，西方企业的产品之所以可靠性高，可以说精细化管理起到决定性的作用。机床产品要提高其可靠性必须从以下三个阶段进行全面的精细化控制:

(1)研发阶段的精细化预防控制

提高产品可靠性，研发是龙头，研发阶段的重点是站在预防的角度从小处着手解决可靠性问题。产品研发包括市场调研、研发决策、概念设计和分析、详细设计和分析、工艺设计、样机制造、设计改进、小批量制造、工艺改进、批量制造。在上述所有过程中均应充分考虑可靠性问题，例如:在机床的研发阶段应充分采用可靠性设计准则，在设计评审时要对可靠性设计准则的符合性进行检查，要利用FTA、FEMA 技术发现潜在故障，应考虑载荷、加工残余应力、热应力等应力不均现象造成的变形，显示表要便于观察，调整按钮要布置在便于调整的位置，螺栓的紧固扭矩要精确确定等。在样机制造阶段，应进行大量的试验，发现所有潜在的故障并消除之。

(2)制造阶段的精细化保障控制

研发阶段的可靠性确定之后，制造阶段的主要任务就是确保研发确定的可靠性得以实现，研发和制造两个阶段决定了产品的固有可靠性。制造阶段的精细化控制要求企业把握好产品质量的精品特性、处理好精品与零缺陷之间的关系，建立确保精品形成的体系架构，为企业形成核心竞争力和创建品牌奠定基础。制造阶段精细化内容主要包括精细化加工(主要是通过工序能力的分析和改进保证加工零件的一致性)、精细化采购(保证外购件的质量和可靠性)、面向可靠性的精细化装配等。例如国内机床企业以下现象随处可见:机床装配配钻时对直线导轨不加防护，使得细铁屑钻进直线导轨的滚动部件，加速直线导轨的磨损;钳工在刮研导轨安装基面时不按规定拧螺栓，造成刮研时的应力与装配时的应力不一致;操作工安装调试时直接站在导轨防护罩上，造成防护罩的变形;装配环境的清洁度不高，造成配合面的污染等等。这些都有悖于精细化生产的规范与要求。这些细小的环节往往导致了制造出来的产品达不到高可靠性的要求。

(3)运行阶段的精细化维护控制

统计数据显示，在机床的运行阶段造成的故障要占机床总故障率的20%以上。因此，在产品安装、调试和运行阶段要进行精细化控制。主要内容包括:严格控制机床的工作环境(温度、湿度、灰尘、振动等)，减少温度导致的变形、温度剧烈变化造成的露凝、灰尘过大造成的磨损;使机床的实际工作条件限定在设计规定的最大范围内，不要超负荷使用，造成故障增加;用户应按照规范认真进行日常维护保养及正常的维修，以充分发挥产品的固有可靠性。提高企业的维修技术和服务能力，在机床产品出现故障时，能够在最短的时间快速处理故障。企业应该建立机床运行状态(振动、温度、压力和流量等机械状态量)的实时监控系统和机床维护保养条件的监控系统，使得机床的固有可靠性得到最大限度的发挥。

5 倾力打造“4”大保障能力

为提高国产机床的可靠性，需要从打造企业的可靠性增长能力入手，增强企业自身的“可靠性”素质，才能确保制造出比国外更可靠的产品。企业的可靠性增长能力包括4 个方面:可靠性设计分析能力、制造可靠性控制能力、可靠性试验提升能力和可靠性管理保障能力。

(1)可靠性设计分析能力

可靠性首先是设计出来的，设计保证了产品的先天可靠性。国产机床的可靠性差，主要原因之一就是在产品设计时主要采用“类比”或“反求”技术，基本不进行可靠性设计和分析，造成产品可靠性的先天不足。造成这一现象的原因除了意识不足以外，很重要的原因就是缺乏可靠性设计分析手段。因此，企业为了提高产品质量，就必须在设计上狠下功夫，要害是打造可靠性设计分析能力。可靠性设计分析能力包括:故障树分析(FTA)、故障模式及影响分析(FMEA)、应力分析(载荷应力、热应力)、零部件整体匹配性分析、可靠性设计准则的建立和应用、可靠性分配和预计等。此外，还要有意识的积累可靠性基础数据。

(2)制造可靠性控制能力

设计的可靠性要求能否达到，完全靠制造过程来保证，设计和制造保证了产品的固有可靠性。根据笔者的观察，制造过程的精细化是影响产品可靠性的主要因素之一。同样的设计方案和设计图纸，国产机床的可靠性就是不如进口机床，这说明了两个问题:制造工艺的合理性和制造过程的精细性。为了使制造过程实现设计确定的可靠性，就必须解决制造工艺的合理性和制造过程的精细性这两大问题，这两个问题代表了制造可靠性控制能力。在制造工艺方面，要通过理论分析和试验确定最佳加工工艺和装配工艺，要计算分析并提升制造设备的工序能力，使得加工的零件一致性好。在装配工艺制定方面，要采用可靠性驱动的装配工艺方法，设计合理的工具和装配流程，使得装配过程不会产生附加应力。另外，还要严格控制外购件的质量和可靠性。在制造过程的精细化方面，要害是装配环境的控制(实现清洁装配)和工艺纪律的严格执行。由于国内企业的员工缺乏严格的训练，造成工作的随意性大，有规范也不严格执行，使得制造过程造成很多潜在的可靠性问题。

(3)可靠性试验提升能力

试验是发现故障、评估和提升产品可靠性的重要手段，可靠性试验贯穿于产品的寿命周期，包括研发阶段的可靠性增长试验、制造阶段的可靠性鉴定试验和验收试验、使用阶段的可靠性现场试验等。国外企业高度重视可靠性试验，通过试验发现产品存在的问题并及时纠正。国内企业对可靠性试验一直重视不够，缺乏实验手段和试验方法，也对试验获取的数据利用不够，这也是国产机床可靠性差的主要原因之一。因此，企业应该努力提升自身的可靠性试验能力。可靠性试验能力包括:试验台的研制、全套试验规范的制定、试验数据处理技术开发、可靠性增长技术体系(包括早期故障消除体系)的建立等。在建立可靠性试验提升能力时，既要包括功能部件和整机的试验，也要有外购件的试验;既要重视试验台硬件的研制，更要重视试验规范的制定，在制定试验规范时要进行大量的理论分析、计算和实验(特别是加速、加载条件和试验循环的确定)。由于试验数据是可靠性评估的主要依据，还要高度重视试验数据的分析、处理和评估算法。另外，可靠性试验的主要目的是激发潜在故障，并对故障进行早期消除作业，因此，建立闭环的可靠性增长技术体系也至关重要，要将主要故障都消除在制造企业内部。

(4)可靠性管理保障能力

多年的实践表明，可靠性是个技术问题，但更是个管理问题。由于国内企业的管理水平较低，造成工作质量不能保证，产品的可靠性问题频出。目前，很多企业将可靠性看做是个纯粹的技术问题，仅仅从技术上去攻关，而不是将技术与管理相结合，严重时完全忽略了管理问题，造成产品的质量和可靠性均很差，可靠性不能实现持续增长。因此，为了提高产品可靠性，企业必须下气力提升自己的管理水平，打造自身的可靠性管理保障能力。可靠性管理保障能力包括:可靠性管理体系的建立和有效运行、精细化设计和制造、管理标准和规范的建立、工作质量的提升、持续的教育和培训、激励和约束机制的建立、可靠性评估技术的建立等。可靠性管理能力的提升是个系统工程，要靠系统的整体规划、精细化的标准体系和严谨的工作态度来保障。

6 建立“1”个可靠性管理体系

可靠性管理能力的提升和可靠性工程的实施，其核心是建立一套结构合理且运行有效的管理体系，可靠性管理体系既要充分体现可靠性管理的特点，又要与企业的ISO9000 质量管理体系实现有效融合。另外，可靠性管理体系要覆盖产品的寿命周期。笔者结合国家科技重大专项项目，参照ISO9000 质量管理体系标准，已为国内多家机床制造企业建立了可靠性管理体系，体系结构如图2 所示。

7 “8341”工程实施流程

本文提出的“8341”工程是个系统工程，真正在企业落实并发挥实效，需要一套有效的实施流程。为此，根据笔者在若干机床制造企业的实践，提出“8341”工程的实施流程，如图3 所示。

(1)系统调研及分析系统调研是可靠性工程的基础，要顺利实施“8341”可靠性工程，首先要通过调研了解企业的可靠性现状及存在的问题，找出实施改进的关键环节。可靠性调研内容包括企业的管理水平、产品研发现状、制造能力、产品制造和试验过程的故障数据等，根据数据对故障部位、故障模式、故障原因等进行统计分析，并计算企业当前产品的可靠性水平(MTBF 计算)，系统调研结果是“8341”工程后续流程改进的重要基础依据。

(2)持续培训，建立可靠性文化国内机床制造企业对可靠性工作方面的意识普遍薄弱，要想提高机床产品的可靠性，必须采取多种方式对企业领导和员工进行可靠性理念和意识的培训，在企业上下形成可靠性非搞不可的局面，培训工作必须全方位的展开，既有理念和意识培训，也有可靠性应用技术的培训。另外，在培训的基础上在企业建立可靠性文化，为企业的可靠性增长打下坚实的基础。

(3)建立可靠性工作标准及管理体系为了实施可靠性工程，必须在企业建立全套可靠性标准与可靠性管理体系，为企业开展可靠性工程提供全面、系统、规范化的技术支持与管理方法。可靠性标准必须全面覆盖产品寿命周期的各个环节，既涉及到技术标准，也涉及到管理标准。所建立的可靠性管理体系必须与企业的ISO9000 质量管理体系实现融合。可靠性管理体系的概念如图4 所示。

(4)打造可靠性4 大能力如前所述，可靠性4大能力包括可靠性设计预防能力、制造可靠性保障能力、可靠性试验能力和可靠性管理能力。这四大能力是企业管理水平的具体体现，也是企业产品可靠性持续增长的基础条件。其中，可靠性管理能力的打造是主线、可靠性设计分析能力的打造是核心、制造可靠性能力的打造是要害、可靠性试验能力的打造是手段，只要这几大能力打造到位，企业的可靠性增长能力就可得到质的提升，产品可靠性的持续增长就有了保障。

(5)实施寿命周期精细化工程如前所述，寿命周期精细化工程包括研发阶段的精细化控制、制造阶段的精细化控制和运行阶段的精细化控制。研发阶段的工作重点是可靠性，既要保证所研发的新产品或新结构达到性能稳定、工艺成熟、没有潜在故障的要求。制造阶段的控制核心主要是质量，特别是工作质量，要保证研发阶段确定的可靠性目标能够实现。运行阶段可靠性控制的目的主要是使产品的固有可靠性得以体现，其要害是精细化的维护保养和有计划的维修。

(6)发现故障并持续改进不管可靠性工作再细致，在产品使用一段时间后也难免出现各种故障，可靠性工程的要害是将故障消灭在萌芽状态，将故障消灭在制造企业内部。这就需要建立起一套有效的早期故障消除体系，要对研发过程、制造过程、试验过程和产品运行过程出现的各种故障数据进行全面的收集，再利用FTA、FMEA 技术对数据进行认真的分析，找出故障发生的原因，采取纠正措施，实现故障归零，再根据纠正措施修改技术标准和工作标准，以实现可靠性的持续增长。

8 结语

鉴于国产数控机床的可靠性与国外产品的差距很大，已成为制约国产机床占领国内外市场的主要瓶颈，笔者结合多年帮助企业实施可靠性工程的经验和教训，提出“8341”可靠性工程的方法论，该方法论首先强调可靠性意识和理念的培育，在此基础上打造企业的可靠性文化，建立企业的可靠性管理体系。在技术方面特别强调在企业建立四大可靠性保障能力，在应用方面强调实现产品周期的精细化控制。为了保证“8341”工程的落实，本文还建立了可靠性工程的实施流程。笔者相信，企业按照这套方法论和实施流程去实施可靠性工程，只要脚踏实地的工作并长期坚持下去，企业的可靠性管理水平和产品可靠性必定能够得到持续不断的增长。

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