“数控机床可靠性技术”专题（八）加工一致性技术*

张根保 彭 露

(重庆大学机械工程学院先进制造技术研究所，重庆 400044)

1 引言

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[1-3]。保持数控机床具有良好的稳定性与可靠性有许多途径：通过精细化的分析与设计可以提高产品的固有优良特性；通过试验的方法可以激发并消除机床早期故障；改善装配质量也是一种有效途径。而针对数控机床加工过程，提高设计零部件的加工制造一致性是维持整机工作稳定性的必要条件，同时也是维持整机可靠性的重要前提。

2 加工一致性概述

2.1 加工一致性的概念

数控机床是由众多的零部件组装起来的，零部件质量的好坏直接影响到机床的性能稳定性、精度寿命和可靠性。就单个机械零件而言，它的质量特性包括尺寸精度、几何精度、表面粗糙度、表面硬度、材料均匀性、材料的残余应力（热处理残余应力、铸造残余应力、锻造残余应力、焊接残余应力、加工残余应力）等。对于现代机械产品而言，在装配时大都采用互换性装配技术，因此对于一批机械零件而言，为了保证最终产品之间性能一致性和质量的稳定性，就要求待装配的零部件之间的质量也要保证一致性，这样，通过互换性装配得到的产品整体才可能稳定性好、可靠性高。例如，加工一批具有配合关系的轴和孔类零件，由于加工过程存在人、机、料、法、环、测等方面的缺陷，使得同批零件的精度具有一定的变异性，尽管零件的误差都在公差范围内，但在采用互换性原理进行装配时，会存在“大轴”与“小孔”配合和“小轴”与“大孔”配合两种极限配合状态，由于这两种极限配合状态的配合间隙相差较大，尽管都满足设计要求，但得到的产品性能和可靠性肯定是不同的，这就会造成同一批产品的质量特性具有较大的差异。

2.2 加工一致性的定义

根据前面的论述，我们可以给出加工一致性的定义：批量生产的零部件其关键几何精度与物理性能在统计意义上与其数学期望（或者说设计理想值）的逼近程度，称为加工一致性（其分散程度用方差来表示），是评价产品制造质量的重要技术指标。数控机床的加工一致性主要是指加工出来的零部件之间表现出来的精度和性能的变异，其值越大，加工精度的波动性就越大，造成产品的质量与可靠性变差。提高数控机床的加工一致性是改善产品可靠性、稳定性和精度寿命的重要前提和技术保障。

3 几何精度变异性分析

几何精度通常包括构成机械零件几何形体的尺寸精度、几何形状精度、相互位置精度等[4-5]，它是指零件经过加工后得到的几何参数的实际值与设计要求理论值相符合的程度，二者之间的偏离程度则构成加工变异。

3.1 尺寸精度

尺寸变异的起因可能包括：加工人员的意识不一、加工人员责任心弱、加工机床及工具精度下降、测量工具不准确、加工工艺方法发生改变、切削过程中积屑瘤的产生、工艺系统热变形、切（磨）削加工过程中的切削热和切削力等。

3.2 形状精度

以孔类零件与轴为例，图2左图体现当轴为理想形状时，加工的孔可能出现的实际情况；右图为孔类零件形状处于理想状态时，轴类零件可能出现加工后的实际形状。显然地，若形状精度不合格，不仅可能导致相对运动的组件不能精确地完成规定运动；另一方面还可能导致磨损加剧，整机寿命下降。

加工机床能保证的形状精度不够（如机床主轴回转误差导致的径向跳动、轴向窜动、角度摆动；机床导轨直线度误差导致的加工工件在垂直面及水平面内的直线度误差）、工艺系统的静刚度与动刚度差、工件刚度差引起的弹性变形、机床及工具的形状精度下降、刀具磨损及刀具刚度下降等因素都可能引起形状变异。

3.3 位置精度

位置精度也是几何精度中极其重要的因素，它的衡量特征项目包括定向公差精度、定位公差精度及跳动，即平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度、位置度、圆跳动及全跳动等。图3为被标注表面位置度的标注及示意图。相对位置误差的累积可能导致存在相对运动的零部件间相对运动与理想相对运动存在偏差，同轴度误差过大会导致轴承出现安装误差、孔与轴间配合不好等。

位置精度的变异主要是由这些因素引起的：机床主轴轴线与导轨的平行度误差、定位误差、安装误差、对刀误差、零件不均匀的加热或冷却导致工件产生内应力、零件材料金相组织的转变等。

机械产品是由多种多样的具有各种几何误差的零部件组合而成的，这样的配合在一台机器里一般可能有几十个，甚至成千上万种，那么它们所引起的不一致性也是多种多样的。要对这些影响因素进行有效控制的前提是对重要加工过程进行分析与控制，而工序能力分析是保证加工一致性的重要技术。

3.4 过程工序能力分析

过程能力，又被称为工序能力，一般是指在稳定状态下过程波动范围的大小，或过程固有波动范围的大小[6-7]。加工过程中可能存在两种因素影响其能力，分别为随机因素和系统因素。前者是微小的、在技术上很难根本消除的或消除其影响需花费很高的经济成本代价的，它在过程中是被允许存在的；后者是在正常的过程中并不存在的，一旦存在则影响（一般具有倾向性或周期性）显著。若过程受到了系统因素的影响，我们就称之为失控状态或不稳定状态[8-10]。需要指出的是，这里所说的工序不仅包括切削加工过程，也包括热处理、铸造残余应力消除等过程。

在加工过程中，分布中心（对称轴）与公差的标称值往往是不重合的，如图4，过程2的分布中心与标称值重合，过程1与过程3的分布中心均不在标称值上。此时，过程能力的大小与公差范围不再是简单的比例关系。它满足：

式中：M为过程的目标值或公差中心；T为公差范围（公差上限与公差下限的差值），即T=TU=TL；σ为总体的标准差；ε为中心偏移量，ε=|M-x|；s为样本标准差，可作为总体标准差的估计值，记为σ^=s。

公式（1）也可表达为：

过程能力指数可用于评价过程能力，而过程能力等级主要分为6种。表1给出了过程能力的评定结果。

表1 过程能力等级评定表

3.5 加工不一致性的识别与控制

在使用过程能力指数判断过程是否能够维持稳定后，若过程能力指数处于(0,1.33]范围内，均需要对加工过程进行不同程度的控制与改进。针对不同变异程度的加工过程使用控制图对加工过程的不一致性进行识别与控制。

控制图（control chart）是对生产、制造、服务过程中的产品、服务质量状况进行统计分析和实时控制的统计图形工具，是描述过程输出质量特性波动状况的坐标图，是对过程统计受控状态的一种识别、检测与预测的工具[11]。判断加工不一致性的前提是根据不同的加工过程，确定不同的一致性允许范围，即超过某一规定值便为该加工过程一致性差；接着，将影响因素相关的质量特性样本值作为输入，以控制图作为输出，采取一定的判别标准对质量特性的一致性、波动等特征进行判定，从而找出因素质量特性的不一致性。

控制图中，横坐标是时间或样本序号，纵坐标标注关注的质量特性实测值或经过计算实测值的统计量。控制图中通常有3条平行于横坐标的参考线，从上到下他们依次是：控制上限UCL（upper control limit）、中心线CL（center line）及控制下限LCL（lower control limit）。

对于大多数质量特性来说，当过程处于稳定或受控时，这些波动主要是由人、机、料、法、环、测等变异造成的，故它们服从或近似服从正态分布，则一般均根据“小概率事件”原理选取中心值μ为中心线，并以中心线为基准分别向上与向下偏移三倍标准差得到控制上限与下限，即UCL=μ+3σ，LCL=μ-3σ。控制图的应用流程如图5所示。

过程能力的判断是识别过程不一致性的前提与基础，过程能力不足则需分析影响因素并消除其对质量特性的影响；波动过大、过程不稳定则应重新制定方案、收集数据，从而保证控制图的可用性。根据失控模式标准判断过程是否受控，若所有的统计点呈随机分布，则过程受控，反之，则过程失控。这里使用控制图来控制加工过程中工序的过程能力，若过程中的统计点超出规定的一致性界限或呈现非正常分布情况，则可判断出现问题的统计点即为不一致点。

首先，利用加工过程中各工序能力指数来评价反复进行的同一加工过程是否处于一致状态。由于过程能力指数的计算过程中包括了公差T的影响，也涵盖了加工时可能出现的误差偏移量ε，那么使用过程能力指数判断的加工一致性主要由处于公差范围内的零件各种质量特性的变异性表示。而当质量特性测量值超出公差范围，过程能力指数必会不满足要求。

然后，当过程能力指数不满足大于1的条件时，即过程能力不足或加工出现了不一致性的情况，需要对造成不一致性的变异点进行识别，这时利用控制图可以形象地判断出哪个测量值或从哪一个测量值开始，出现变异，一致性变差。

3.6 实例应用

以某型号卧式加工中心的某重要功能部件芯轴外圆圆度S作为研究对象，判定其加工过程中对应工序的工序能力，并对其工序进行控制图分析。

抽取300个芯轴外圆圆度测量值，将其分为20组，第一组记为样本值序列S1（μm）：

再根据样本值Si与样本平均值计算样本标准差s如下：

最后根据公式2.3得到过程能力指数Cpk：

首先，查询表1，由该过程能力指数Cpk=0.80ε(0.67,1]，可判断该过程的过程能力不足，存在较大的波动，应分析引起波动的变异原因并对其进行恰当控制。然后，利用计算出的30个过程能力指数，可绘制出该过程的控制图，如图6。由图可以看出，第12点至第20点的连续9个点逐渐下降，符合控制图失控判别规则中的“连续7点或更多点连续上升或下降”，即S这一过程不处于统计控制状态，说明该过程从第12点开始出现某种精度因素不停地下降，导致不一致性与不稳定性，需对该过程进行深入分析，将不一致性的原因映射到一致性影响因素（人、机、料、法、环、测，5M1E）上，并需针对不同的影响因素做出适当的改善与调整。

4 表面完整性控制

任何机械加工方法都不能获得理想的表面，它总会存在一定程度的微观不平度、加工中冷作硬化、表层残留应力和金相组织变化。要达到良好的加工一致性，实现零件高精度、低表面粗糙度值、低残余应力、低硬化层的表面高质量要求，是零件表面完整性控制的最终目的[12]。

4.1 表面完整性的定义及评价

加工表面完整性用于评价由加工获得的零件表面几何的、物理的、化学的或其他工程性能状况与零件技术要求的符合程度。所表达的主要内容有两方面：表面纹理指标与表面层物理力学性能状态指标。

（1）表面纹理指标

表面纹理指标用于定义已加工表面的几何特征，主要包括表面粗糙度、波度、纹理方向及表面瑕疵等几部分，其中通常使用表面粗糙度来表示表面纹理。

（2）表面层物理力学性能指标

加工表面由于受到加工过程中物理、化学特性的影响，其力学特性、物理性能、化学性能均会发生变化，表面层物理力学性能指标则用于评价相关特性。其主要内容包括以下几方面：①表面层硬度，即加工后表层冷作硬化所引起的零件弹塑性变形；②表面层组织，即加工表面的金相组织变化；③表面层残余应力，即表面残余应力的大小、分布状态，表面的宏观及微观裂纹，如图7所示。

对于表面完整性的控制，主要包括对表面粗糙度、表层显微形貌、表层加工硬化、残余应力及金相组织变化等的控制，其中最常见的就是对表面粗糙度与残余应力的控制。

4.2 表面粗糙度控制

产生机械零件的表面粗糙度的主要原因包括残留面积（刀尖圆弧半径rε不合理）、金属材料塑性变形及工艺系统的振动。要从根本上控制加工表面粗糙度，需从这3个根本原因入手，在选择合理的刀剑圆弧与进给量的同时，增加工艺系统的刚度，避免积屑瘤的生成。而用于控制表面粗糙度的手段也可以是控制图。使用控制图对加工表面粗糙度进行加工过程中的控制，并作为实施控制措施的参考。以某型号卧式加工中心的某重要功能部件中大活塞与芯轴中心孔接触表面粗糙度Ra1为例，同样抽取15个样本，记为Ra1：

Ra1={0.31,0.29,0.28,0.26,0.22,0.31,0.25,0.33,0.27,0.28,0.34,0.26,0.21,0.3,0.32}

绘制其单值控制图，如图8所示。由该控制图可以看出，15个测量值处于受控状态，并没有异常点出现。

4.3 残余应力控制

金属工件在冷热加工过程中都会产生残余应力，它可能降低工件的实际强度、疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂，大大影响被加工零件的尺寸精度。降低或消除工件的残余应力十分必要，通常有几种方法可以达到控制残余应力的目的：自然失效方法与人工时效方法（热处理时效、敲击时效、振动时效、超声波冲击时效）[15]。

自然失效方法是最古老的时效方法，适用于锻造铸造、机械加工及焊接的零件。它是把构件露天放置于室外，依靠大自然的力量，经过几个月至几年的风吹、日晒、雨淋和季节的温度变化，给构件多次造成反复的温度应力。再温度应力形成的过载下，促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。

热处理时效是传统的消除残余应力方法，同样适用于铸锻造过程、机械加工过程、焊接过程产生的残余应力。热处理工艺可分为3大类：

（1）一般热处理，即退火、正火、淬火与回火；

第三、明代以来国家赋税的征银制度与白银货币化，使得社会对白银需求大幅度增加，进而促成全社会狂热的拜银风潮。白银即财富，闽东白银大量开采，导致白银文化的形成，进而引起人们思想观念上的大波动，推动闽东乡村社会民俗的变迁，拜银思想融入人们的生产和生活之中，同时，又反过来指导人们的生产和生活，如推动该地文化的发展，促进海外贸易的发展，亦促进白银生产技术的提高等。

（2）表面热处理，如高频感应加热淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗；

（3）其他热处理，如可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理等。

根据不同工件材料、加工要求、性能要求等条件，合理选择消除残余应力的工艺方法，才能很好地控制残余应力。

5 一致性影响因素的分析控制措施

不同程度的不一致性伴随着不同影响因素的失控与变异出现。要分析加工过程不一致性，需详细分析影响因素，从而为控制各因素提供依据。可将众多影响因素归纳为6个方面：人员因素、设备因素、材料因素、方法因素、环境因素及测量因素，又称5M1E。从分析机械零件的几何精度控制及表面完整性控制后，从5M1E方面系统地对加工过程的一致性控制措施进行剖析。

5.1 加工人员因素控制措施

在机械产品制造过程中，可能导致不一致性现象出现的人员包括设计人员、加工技术人员、装配人员、检验人员等。考虑到研究加工一致性的影响因素，主要对加工人员提出控制措施。

现场的加工技术人员是零件各种性能体现的保证。他们是与零件直接接触的因素，是完成零件成形的主体，尤其在制造过程中更能体现加工人员对零件好坏的重要性。

（1）加强加工技术人员的操作技能能力、对图纸等现场文件的认识，对其进行统一培训，尽力减少因不同人对零件的不同认识程度导致的加工不一致性。

（2）增强加工人员对于加工工艺文件的严格遵守意识及其对企业规定的规章制度的严格遵守意识。

（3）严格量化控制加工过程的切削用量、走刀次数、零件定位次数等因素。

（5）通过工种间的人员调整、工作经验丰富化等方法，消除操作人员的厌烦情绪。

（6）测量时，需对测量工具、测量对象、测量意义等有很好的了解。

5.2 加工设备因素控制措施

作为机械加工过程的零部件结构成形的工作机，加工设备因素可能包括：加工时使用的工具、机床等各种设备。设备的突变、性能衰退都会直接影响到它所加工的零部件，在某种程度上最终映射在机械产品中，均会引起不同程度的不一致性。故对设备的控制是必要的：

（1）加强机床维护和保养，定期检测机床的关键精度和性能项目，避免机床功能能力下降引起的变异情况。

（2）定期检查刀具，避免刀具脆性破损、积屑瘤的产生、塑性破损等现象，保证刀具量在磨钝标准之外就停止使用。

（3）建立设备管理体系制度，对工序质量控制点的设备进行重点控制，如：操作者每周、每月、每半年进行检查维护；专业维修人员每季、每年检查维护。

5.3 材料因素控制措施

加工过程材料所指的是待加工零件、各种油液等材料。选用不同的材料、材料在不同情况下的变化均会对机械产品不一致性的产生造成影响。可见，控制制造过程材料因素也是控制产品一致性的方法之一。

（1）加工零件材料

①加强原材料的进厂检验和厂内自制零部件的工序和成品检验。

②按照零件性能要求（如强度、硬度、塑性、耐高温性、切削加工性能等），合理选择加工零件材料，防止被加工表面加工硬化。

（2）刀具材料

①合理选用刀具材料，保证刀具前角、后角等主要角的度变化不足以引起被加工零件的参数变异。

②合理选择刀具几何参数（前角、后角、刃倾角、主偏角等），使切削刃与刀尖具备较好的强度。

（3）油液

①定期检查系统液压油清洁度，按照规定定期对其进行过滤与更换。

②按照冷却、润滑作用强弱，加工性质（粗加工、精加工、深孔加工等），刀具材料，工件材料等不同因素，合理选择切削液。

③定期检查切削液清洁度。

5.4 加工方法因素控制措施

制造过程的方法是可根据不同零部件、不同操作者、不同要求而改变的因素。它的选择并无唯一的标准，可以有不同达到要求的方法，但要在众多方法中选择最有效、最经济的方法也并非易事。对制造过程导致不一致性的方法因素进行控制必须是一项长期的探索工作。

（1）装夹方法

工件的装夹过程是定位过程与夹紧过程的综合。其中，定位过程是保证工件相对于机床占据一正确位置；而夹紧过程的目的是使工件保持原有定位位置不变。

①综合待加工零件结构、加工表面、工装结构信息，严格按照六点定位原理，制定零件进行正确的定位方案，避免过定位、欠定位。

②尽量使基准重合，避免因基准不重合造成的定位误差。

③确定夹具合理的夹紧力作用点、夹紧力作用方向及夹紧大小。

（2）加工方法

①根据零件切削加工性能、企业现有条件，合理选择加工工艺方法，制定加工工艺文件。

②合理拟订粗加工、半精加工、精加工工艺路线，合理选择粗基准和精基准。

③依据零件加工的生产类型与车间条件确定加工过程工序集中原则或工序分散原则。

④合理规划加工工艺顺序（先加工定位基面，再加工其他表面；先加工主要表面，再加工次要表面；先面后孔）。

（3）热处理方法

按照处理方式的不同，热处理工艺方法可分类为普通热处理（整体热处理）、表面热处理及其他热处理，它们的目的都是提升材料的力学性能或工艺性能。

①针对不同结构的零件在不同的性能要求下，确定合适的热处理方式（退火、正火、淬火、回火、化学热处理等）；

②合理地将热处理工序安排在制造过程的不同位置；

（4）清洗方法

①在待加工零件、已加工零件、装配完成的零部件进入下一道工序前，需对其进行清洗，并根据不同的对象，选择不同的清洗方法。

②针对不同清洗对象，在选择合适的清洗油液同时保证清洗油液的清洁度。

③针对不同清洗表面特征（平面、通孔、盲孔、槽等）的待清洗零部件制定不同的清洁手段。

5.5 加工环境因素控制措施

制造过程所处的环境受到的不同程度的污染破坏显然会成为参数变异的隐患之一，所以对环境因素进行控制也是必然的。然而，由于环境因素很大程度上并非取决于车间操作者，也存在许多客观因素影响着制造环境。

（1）控制车间内适当的温度与湿度，避免已完成加工及待处理的零部件表面变质。

（2）建立制造环境现场管理规范，对制造车间环境进行有效管理。

5.6 加工测量因素控制措施

测量过程贯穿在机械制造过程的许多工序中，它是上一道工序加工、装配、处理完成后对下一道工序的保证，是工序之间的过渡过程。虽然测量并非影响制造过程参数变异的主导因素，但对它的控制也是必须执行的。只有良好的测量方法、测量结果才能保证机械产品最终的可靠性与质量。

（1）确保使用测量工具精度满足测量要求。

（2）根据测量结果，做出合理的处理判定。

（3）定期对测量工具进行精度检验。

结合加工一致性影响因素的分析控制系统与加工过程一致性影响因素控制措施体系，对整个加工过程进行适时适当的调整与控制，可使得零部件、产品具备更优的可靠性与质量。

6 结语

本文定义了机械加工一致性，对机械加工过程的工序能力进行分析，并通过对过程波动、不一致性的识别，找出需控制的影响因素。针对不同的影响因素，生成不同类别的控制图，并通过实例说明该系统的可行性。最终根据不同情况，提出加工过程一致性影响因素的控制措施。

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