机械制造的工艺可靠性研究

魏令侯

摘 要：在当前快速响应制造的需求背景下，制造企业面临研制时间短，技术上的不确定因素，技术改造的滞后，产品可靠性缺乏实践考验，管理缺乏经验等问 题。深入研究和解决这些问题，必须要贯彻以可靠性工程为重点，积极开展工艺可靠性研究，强化技术基础、加强管理，实施技术与管理的有机结合，使工艺可靠性 工作最终达到保障产品可靠性的目的。因此，论文以此需求为牵引，在总结相关研究的基础上提出了机械制造工艺可靠性的基本概念和分析方法，并建立相应的模型 来指导对机械制造过程的有效控制，为机械制造过程保障产品可靠性的最终目标提供技术支持。

关键词：机械制造;工艺;可靠性;刀具;数控机床

对机械制造工艺过程可靠性有两种认识一种认为机械制造工艺过程可靠性是靠产品质量检脸就能保证另一种认为质量检验是必要的， 但是， 单靠检验是不能保证高可靠性的， 在机械制造中需要十分重视制造工艺对可靠性的影响。对于这两种认识， 大多数专家主要还是倾向于后一种的认识因为， 机械产品通过设计阶段后， 其可靠性就已经固定了， 只需要制造过程如何进行保证机械产品在制造过程中， 一般是需要多种工艺的， 而每种工艺对产品质量的影响又是不相同的， 同时又受到工艺设备和工人技术水平的制约。实践证明一机械制造时所采用的工艺方法、工序安排、设备、工作规范和检较方法等均影响到零件的物理机械特性， 如耐磨性、耐蚀性、疲劳强度等， 并同时影响到这些性能的稳定性， 因而也就影响了产品的可靠性我国机械产品质量水平上不去， 也主要是由于制造工艺水平低的缘故。因此， 研究制造工艺对可靠性的作用、工艺过程可靠性及其评定方法具有十分重要的现实意义

一、机械可靠性技术的发展历程及现状

可靠性技术的研究开始于20世纪20年代，在结构工程设计中的应用始于20世纪柏年代。可靠性技术最早应用在二战末期德国V一Ⅱ火箭的诱导装置上。德国火箭研究机构参加人之一R.Lusser首先提出了利用概率乘积法则，把一个系统的可靠度看成该系统的子系统可靠度的乘积。自从1946年Freuenthal在国际上发表“结构的安全度”一文以来，可靠性问题扦始引起学术界和工程界的普遍关注与重视。

我国对机械产品可靠性研究起步较晚，20世纪80年代才得到较快发展，机械行业相继成立了可靠性研究的相关协会，各有关院所和高校也开展了机械产品可靠性研究，制定了一批可靠性标准，取得了较大的成果。但总的看来，理论研究多，实际应用少，与西方国家差距大，有些成果尚不能完整地成熟地应用在不同的机械系统中。

广义可靠性包括：狭义可靠性与维修性，是指产品在其整个寿命期限内完成规定功能的能力。广义可靠性亦称随即模糊可靠性，是同时考虑，不确定因素中随机性和模糊性的总称，广义可靠性对于可能维修的产品和不可维修的产品有不同的意义，对于可能维修的产品来说，除了要考虑提高其可靠性外，还应考虑提高其维修性，而对不可维修的产品来说，由于不存在维修问题，只需考虑提高其可靠性。

二、刀具的可靠性研究

刀具是机床最为重要的零部件之一，其完好程度直接关系到机床的加工精度。在加工过程中，刀具在件表面上滑动，相互之间存在着极大的摩擦力，故刀具也是机床中最容易发生失效的部件。

刀具可靠性的预测，可分为两种方法，一种是有加工质量来预测刀具可靠性，传统的基于样本寿命统计基础上的可靠性分析方法得到的是设备整体可靠性估计，对于正在运行的单台或小批量设备，这些统计数据的意义不大，人们更关心的是当前所用设备的寿命裕度可靠性。作为设备运行过程的一种退化信息，加工质量能够实时反映设备的性能、精度，准确判定设备的时间、动态特性。基于工件加工质量信息而提出的的可靠性预测方法，预测所采用的工具是BP神经网络，网络输入为工件加工质量向量，这些指标能够反映设备性能退化过程，具有明显趋势性变化和明确失效阈值定义。网络输出为设备运行到某一时刻时不同指标值所对应的瞬时可靠度。其中瞬时可靠度的确定是预测结果正确与否的关键，本文结合Baves方法和KM评估器思想，以大于性能退化指标观测值的正常样本数目和所有样本数目比值连乘积作为设备的瞬时可靠度，这种算法简单高效，而且不需要对设备进行失效概率密度函数（PDF）估计，所以不会因样本太少而引起大的估计误差。通过对实际刀具可靠度的准确预测，验证了该方法的有效性。

Logistic回归模型是二分类因变量进行回归分析时经常使用的统计分析方法，由于充分考虑了内禀增长率和环境因素限制两方面的因素，因此在生态学、临床医学和流行病学等方面获得了广泛的应用。Logistic回归模型可在一系列状态特征参数表征下给出事件发生的概率，为决策者的结果分析和预测提供依据，这种做法与设备可靠性评估的思想是一致的。在机械设备性能评估和剩余有效寿命预测应用研究方面，一些专家已经做了一些有意义的探索性工作。相关学者基于历史失效数据建立logistic，利用在线信号特征对设备性能进行评估，并采用ARMR模型估计设备有效剩余寿命。CAO等人采用logistic回归模型建立起退化参数与失效概率间的映射关系，并采用SVR退化趋势预测方法估计设备剩余有效寿命。

三、数控机床整机及关键功能部件可靠性研究方案

1.数控机床整机可靠性研究领域及可行的研究方案为：

（1）确定数控机床整机的寿命分布模型，制定可靠性评价指标体系，从而进行可靠性评价;

（2）运用故障分析方法进行可靠性分析，运用模糊数学等相关理论进行故障分析，从而量化一些不確定因素;

（3）进行可靠性增长策略研究。制定数控机床整机的可靠性设计准则，结合现有机床产品暴露的薄弱环节及故障原因，提出可靠性改进措施。

2.数控机床功能部件可靠性研究方案：

（1）针对某种数控机床功能部件的特殊性，制定具体的可靠性试验规范，开发面向产品寿命周期动态过程和协同环境的可靠性现场试验新技术;

（2）根据所制定的试验规范，进行数控机床功能部件可靠性试验，获得数控机床功能部件产品的现场试验故障数据，将故障数据整理后进行可靠性分析（故障模式、影响及危害性分析）。根据可靠性分析结果得知该类数控机床功能部件产品的可靠性薄弱环节，为新产品可靠性试验方案的制定提供依据;

（3）制定专门针对数控机床功能部件产品的可靠性评价指标体系，准确有效地评价其可靠性水平;

（4）通过对数控机床功能部件的可靠性分析与评估，提出数控机床功能部件的可靠性增长新方法。

四、结语

对机械制造过程保障产品质量的研究已有一些可供借鉴的成果，但是还缺乏系统的总结，而对机械制造过程保障产品可靠性的研究尚处于起步阶段。机 械制造工艺可靠性的研究，立足于探索机械制造过程保障产品可靠性的理论和实践方法，为设计和改进工艺路线、缩短开发周期、生产符合可靠性要求的产品提供有 效参考。因此，机械制造工艺可靠性的研究具有重要的理论和实践意义，必将引起广泛的关注，取得越来越多的研究成果。

参考文献：

[1]张学富。陈兆能.溢流闽可靠性增长试验分析Ⅱ].传动技术，1997，97（2）：41—47.

[2]周源泉，朱新伟.论加速可靠性增长试验新方向的提出Ⅱ].推进技术，2000，21（6）：6-9.