机械制造工艺可靠性的研究进展

 
摘  要：系统总结了国内外机械制造工艺可靠性的理论和方法，提出了机械制造工艺可靠性的基本概念，为全面评价机械制造的工艺可靠性，提出了实用的评价指标体系，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。
关键词：机械制造；工艺；可靠性；控制与评定
 
机械制造过程是指利用各种技术、工具和设备对原材料、半成品进行机械加工或处理，使之成为最终产品的制造过程。它是最常见和最普遍的制造过程，因而也是出现问题较多的制造过程。机械制造过程具有如下动态特性：
1）制造任务根据用户需求确定，生产资源、生产条件、原材料供应也因任务不同而异，特别是现在很多先进制造系统的任务都是小批量生产，可供分析的样本数量少；
2）机械制造过程是物料流、能量流和信息流不断输入和产品不断输出的动态过程，每一种流的变化都可能影响到最终产品的可靠性的稳定；
3）机械制造过程受到多种工艺因素的动态影响，如刀具的磨损、环境温度的波动、原材料性能的差异等，每一种因素都对具体的工艺有不同的影响，而且这些因素之间也存在相互影响。
机械制造过程在加工产品时采用的工艺方法和规范甚至工序安排会直接影响到产品的加工精度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性和耐热性以及其他物理机械特性，并同时影响这些性能的稳定程度．从而影响到产品的可靠性。
国内外对产品设计过程中确保产品可靠性的研究已经卓有成效，但是仅仅研究设计过程中的可靠性问题是不够的，因为设计中确定的产品可靠性指标最终都需要通过制造过程来实现，即设计过程确定了产品可靠性的要求而制造过程决定了产品的可靠性水平，因此在机械制造过程中保障产品可靠性具有同等重要的实际意义。但是由于机械制造过程相对设计过程来说更为复杂，涉及人员、机器、材料、工艺、测量、环境等多种影响因素以及产品与制造过程之间的相互作用，而现有的研究都是针对某一种影响因素或者仅适用于某一类产品，研究比较分散。

1  工艺可靠性的研究现状

由于产品的孔位特征是机械制造过程直接生成的对象，产品的可靠性指标就是在这些孔位特征的加工过程中形成的，因此可以认为这些孔位特征的加工过程最终决定了产品的可靠性指标。所以，机械制造过程保障产品的可靠性指标最终要落实到对孔位特征加工过程的控制上。
（1）基于机械制造过程可靠性的研究现状
在产品的机械制造过程中，对其可靠性的保障研究已经有一些初步的成果。Bosacchi指出，产品的可靠性受到设计、部件质量和机械制造过程成品率的影响，并相应地提出了三种措施来确保其可靠性：一是优化部件质量；二是通过更好的过程控制来提高成品率；三是尽早考虑可靠性问题，即在设计阶段就充分考虑产品的测试性和可靠性。Meeker 和 Escobar也针对产品研制过程中的可靠性保障问题提出了一些措施，如通过六西格玛设计实现鲁棒设计、融合多源信息，并根据不同的工程背景将多种统计手段应用于可靠性分析等。但是这些研究所提出的都是一些宏观上的措施，如何落实到具体机械制造过程的分析还缺乏深入研究。
最初的动机是针对加工设备或系统的工作状态评定其可靠性，如通过工作和故障时间来评定设备的可用性，后续的研究主要是从分析加工设备的可靠性对加工精度影响的角度开展研究。例如，普罗尼科夫围绕加工设备工作能力的耗损系统地介绍了产品制造过程中的可靠性问题，以机械制造过程的加工过程控制为目标，提出了加工设备输出参数的可靠性储备量、工艺过程的可靠性指标等，并说明了工艺的稳定性、遗传性、可靠度储备与工艺可靠性的关系，指出了一些提高工艺可靠性的技术途径。Das强调了制造设备的可靠性在制造系统性能表现中的重要作用，并建立了在费用约束下的数学规划模型来优化制造系统的可靠性。这些研究的目标是将加工设备作为硬件设备来分析其可靠性，但它们不是以保障产品的可靠性作为研究的最终对象，但是上述研究的成果从机械制造过程自身硬件设备的可靠性角度，为系统地开展机械制造的工艺可靠性研究奠定了一定的理论基础。
（2）基于失效机理的可靠性研究现状
现在对产品可靠性的研究有一种趋势，即热衷于用抽象的数学公式来表示产品的可靠性而忽略探寻其故障的物理原因，这往往使得研究的结果偏离事实、难以应用于实践。因此，基于产品物理失效机理的可靠性研究具有重要的理论和实践意义。赵天旭等给出了集成电路产品的失效率与加工成品率之间的定量关系，并在区分缺陷和故障两个概念的基础上，将缺陷分为成品率缺陷、可靠性缺陷和良性缺陷，给出了精度较高的集成电路产品成品率预测模型。Pecht 和 Dasgupta总结了物理失效模型的研究成果，指出它们不仅仅适用于产品的设计，在制造过程中对于提高产品可靠性也是一种经济有效的手段。Kuo 和 Kim通过分析生产线的成品率对半导体产品可靠性的影响，建立了它们之间的关系模型，将影响半导体产品的成品率和可靠性的参数归纳为三类：与设计有关的参数、与制造过程相关的参数以及与操作相关的参数。上述模型基本上都是针对集成电路产品的特点建立的，它们的成功应用是建立在准确描述具体产品的物理失效机理的基础上的。
因此，如果要建立解析模型来准确描述产品可靠性和制造过程各种变量之间的复杂关系，必须要掌握它们内部以及相互之间的物理作用。对具体产品物理失效机理的研究，需要依靠研究人员的经验积累和对大量历史数据的分析，是一个长期的反复修正的过程。

2  产品加工过程的控制和评价

在机械制造过程中，产品的可靠性指标是在制造过程中随着机械加工逐步实现的，因此产品加工过程影响并决定了产品的可靠性，所以只有有效控制孔位特征的加工过程才可能实现保障产品可靠性的目标。本文主要从机械制造过程加工过程角度来概述产品孔位特征的加工精度（包括尺寸精度、形状精度和位置精度）和加工波动的已有的研究。
（1）统计过程控制
统计过程控制主要应用于工业生产包括机械制造、装配、化工合成等多个领域的质量控制，是目前机械制造过程应用最为广泛的过程控制技术。它应用统计分析技术对机械制造过程进行监控，科学地区分出机械制造过程的随机波动与异常波动，从而对机械制造过程的异常变化提出预警，以便生产管理人员及时采取措施，消除异常，恢复过程的稳定，达到提高和控制产品质量的目的。胡兴才和叶文华等人将小批量机械制造过程加工过程控制的方法归纳为以下几类：① 利用成组技术，根据相似零件的加工采用相似的工艺控制；② CUSUM累计和控制图、EWMA 指数加权移动平均控制图等；③ 采用动态控制限方法来减少误警；④ 建立机械制造过程的动态模型，如 Bayes 预测理论的动态质量控制方法，基于概率积分变换理论的控制过程均值、方差的改进标准控制图方法等，对加工过程进行预测和控制。
（2）工序能力评价
工序能力指数用于评价机械制造过程中的工序对加工过程的保障能力（即该工序对产品孔位特征加工要求的满足程度）。工序能力指数作为反映成批产品的孔位特征离散程度以及与标称值接近程度的指标，能够在一定程度上评价机械制造过程控制产品加工过程的能力，因此在制造业获得了广泛的应用。在工程实践中，当需要根据多个孔位特征的加工效果来综合表示工序能力时，可以通过多元工序能力指数来综合评定工序的工艺水平。
尽管工序能力指数在制造业获得了广泛的应用，但是其使用的前提是必须满足一些假设条件。目前制造企业常常需要面对小批量的生产，而且机械制造过程一般都是由多道工序组成的，因此在小批量条件下如何评定工序能力，以及对多道工序组成的机械制造过程如何将各工序的工序能力综合起来，评价机械制造过程对产品孔位特征加工过程的整体控制能力，还有待进一步研究。
（3）考虑工序与产品孔位特征相互作用的研究
对于由多道工序组成的机械制造过程，产品在完成一次加工后测量出来的加工误差，实际是受到上一工序加工传播过来的误差和本次加工新形成的误差的共同影响。因此，Huang和Zhou等学者认为，最终的加工误差是多道工序的加工误差传播和累计的结果。这类模型构建过程非常复杂，当工序数量较多时面临计算困难问题。但是它们在分析和控制产品孔位特征的变化时考虑到了机械制造过程多道工序的影响，因而为分析机械制造的工艺可靠性提供了另一种参考途径。
另一些学者考虑到产品在加工时与加工设备之间的相互作用，将产品孔位特征加工数据中提取的信息与加工设备的可靠性相结合来评定制造系统的可靠性。例如，Chen和Jin、Sun等基于产品在制造系统中进行加工时与加工设备之间存在相互作用的原理，提出了质量可靠性链模型，将制造系统的部件可靠性信息与产品的加工过程相结合，评价制造系统的可靠性。孙继文等基于产品加工过程对制造系统可靠性的显著影响，建立了加工过程可靠性集成模型，以定量分析制造系统的可靠性。这类模型构造复杂，随着加工设备的数量增加同样面临着计算困难，因此并未受到关注，应用实例不多，但是他们提出，建立这种产品加工过程与设备可靠性之间相互作用的关系的思路，也为评定机械制造的工艺可靠性提供了另一种研究的视角。
（4）考虑费用的机械制造过程保障产品孔位特征的研究
在分析评价机械制造过程对产品加工过程的保障能力的时候，考虑到产品寿命周期费用的约束，通过将产品的孔位特征信息与制造相关的其他因素相结合来进行分析。例如，Jeang和Chung提出了一种考虑寿命周期费用的优化模型，通过该模型将产品的使用时间与制造工艺规定的孔位特征的均值和公差建立关系，确保产品在使用过程中出现性能退化的现象时仍然具有可接受的可靠性水平，从而使得总费用最小。Prasad也从节省寿命周期费用的角度提出了一种基于启发式算法的优化模型，用于优化制造企业的管理。他还指出：实践证明满意的加工过程并不一定需要高投入，特别是在制造开始之前投入用于保障产品的高质量的成本可以使寿命周期后期的投入更少，反而节省了成本。Li和Meerkov讨论了由机器故障、用户需求变动等原因造成的生产波动的建模，他们还指出，较长的生产线可以缓解机械制造过程中产品加工过程的波动，使加工出来的产品孔位特征保持相对稳定。这类模型以保障产品孔位特征为中心，同时考虑到节省费用的要求，结合加工中多种因素的影响来分析和评定机械制造过程的工艺水平，能够提出一些提高工艺水平的具体建议，对机械制造的工艺可靠性研究有重要的借鉴意义。
（5）考虑维修的机械制造过程生产效率研究
在机械加工的运行过程中，难免出现故障，从而造成经济损失或影响加工任务的完成，因此需要通过维修来排除故障，或者通过预防维修避免故障的发生。所以，为了使机械制造过程达到最高的生产效率，需要考虑采取多种维修措施并通过相应的制度来保证措施的有效执行。Nakajima提出了全员生产维护TPM的概念并首先在日本工业界推广，获得了很好的效果。TPM 充分考虑生产设备的全寿命周期，通过建立一种为所有员工接受并参与的生产-维护体系来实现设备效率的最大化。TPM通过全员参与的维护、管理工作来保证设备的整体生产效率，而效率的体现就是在规定时间内加工完成的产品质量符合要求。这里对机械制造过程生产效率的研究同样没有考虑产品的可靠性问题。

3  总结

本文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，概述了国内外机械制造过程保障产品质量相关研究，分析了工艺可靠性研究的必要性，并提出了工艺可靠性的概念。以期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。

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