0 引言

　　數控技術是航空制造業現代化的重要基礎和關鍵技術，應用數控加工不僅能夠有效解決復雜、精密和小批多變零件的機械加工問題，而且能夠穩定零件加工質量，縮短加工周期，增加生產柔性，提高生產效率，加快企業新產品的研制開發和更新換代，有效提升企業對市場的適應能力和綜合經濟效益。現今，產品質量水平已成為影響企業競爭力和經濟效益的關鍵因素，在產品質量的形成過程中，工序質量是形成產品質量最基本的環節，制造過程中質量控制的核心即是加工工序過程的質量控制，因此，研究數控加工過程質量控制問題對提升企業核心競爭力有著重要的現實意義。

　　本文針對某公司數控加工制造過程現狀，結合現有的數控加工軟、硬件基礎，研究了數字化制造環境下的零件數控加工過程質量控制體系結構，探討了高效數控加工過程質量控制系統實現的關鍵環節。

1 數控加工過程質量控制體系結構

　　1.1 質量控制體系結構的現狀及存在的問題

　　2008 年某公司提出由傳統機械加工方式向數控化制造方式轉變的發展戰略，其主要機械加工分廠原有的普通車床、銑床和鉆床等逐步被相應的數控機床所替代，數控機床的數量日漸增多，截止到 2012 年底已擁有各類數控加工機床 246 臺，機械加工機床設備數控化率已達 48%。

　　該公司目前正處于數控化轉型時期，主要機械加工分廠的5 個專業化車間按照所承擔零件結構特點分為筒體大件車間、閥類回轉體車間、殼體車間、齒輪件車間和異形結構件車間，所生產零件的品種近 3 000 種; 零件數控加工過程質量控制方面主要存在以下問題。

　　1) 傳統工藝流程大部分安排普通機床設備加工，工序分散，零件周轉環節較多，多次重復定位、重復裝夾致使零件變形較大，形位公差不易保證，零件質量穩定性差。

　　2) 傳統工藝方案編制粗放，沒有考慮現在新型刀具的應用效果，工藝規程中沒有經過實踐驗證的高效加工切削參數，操作工人僅憑經驗值加工零件，加工質量受操作工人的技能水平影響較大，零件實際加工效率很低，質量隱患多。

　　3) 工藝技術人員數量嚴重不足，現有工藝技術人員技術水平高低不一，編制的新產品工藝規程資料質量良莠不齊，涉及到的數控加工工序卡片內容簡單，缺乏必要的數控工藝信息，無法有效地指導操作工人進行高效率的生產，數控程序的編制效率低下，工裝、夾具、刀具和量具輔助準備時間較長，嚴重影響數控機床使用效率的提高。

　　4) 數控加工過程質量控制的先進方法、工具技術的運用較為欠缺，針對專業化生產車間的數控加工工序質量控制模型還未建立，嚴重制約著零件加工質量和數控機床使用效率的提高，直接影響著生產任務的順利完成。

　　1.2 數控加工工序運行流程模型

　　圖 1 所示為目前公司數控加工工序運行流程模型，按照工序質量控制理論和方法，數控加工工序質量可用來反映數控加工過程輸出結果符合設計、工藝及生產運營要求的程度，用零件加工一次交檢合格率、廢品率、返工率、質量損失率、生產計劃按期完成率和產品準時交付率等過程指標來監視與測量。

　　數控加工過程質量控制就是將工序過程指標的波動限制在要求界限內所進行的質量控制活動，過程控制的關鍵環節即體現在過程指標的輸出點上，數控加工工序流程環節，能夠識別出數控加工過程質量控制關鍵環節主要體現在機床( Machine) 、人員( Man) 、方法( Method) 、信息( Information) 、材料( Material) 和測量( Measure) 等 6 大因素方面，與數控加工流程環節緊密相關。

　　1.3 數控加工過程質量控制體系結構

　　數控加工過程質量控制首先應進行質量策劃，將設計、工藝和生產運營所要求的過程指標需求轉化為具體數控加工工序的質量特征，進而根據質量特征形成關鍵工序的質量控制目標，分解形成關鍵工序的質量控制規范和過程控制參數; 在數控加工工序動態生產過程中，實時測量和收集生產系統的質量特性數據; 借助質量統計分析工具和控制方法，與關鍵工序的質量控制目標進行比較分析、質量評價和質量決策，不斷將質量評價和決策信息反饋到數控加工工序生產的各個階段，實施質量改進，對數控加工生產過程進行反饋式質量控制。

2 數控加工過程質量控制的關鍵環節

　　數控加工過程質量控制的關鍵環節分為 5 個部分: 數控加工工藝方案設計、數控程序編制、數控加工過程仿真檢查、質量控制方法與工具技術系統應用，以及高素質數控技術人員隊伍建立。

　　2.1 數控加工工藝方案設計

　　數控加工工藝方案設計的內容包括: 確定零件數控加工的內容、零件圖樣數控加工工藝性分析、數控加工工藝路線的確定、數控加工工序內容的確定和數控加工刀具的選擇等。

　　數控加工與通用機床加工相比較，在許多方面遵循的原則基本一致，但由于數控機床本身自動化程度較高，控制方式不同，設備成本費用較高，使數控加工工藝突現出工藝內容十分具體、工藝設計非常嚴密和注重數控加工的適應性等非常鮮明的特點。數控加工工藝方案的合理性也主要體現在上述3 個特點的優劣程度上，是數控程序編制的依據和前提，必須在程序編制之前完成，如果工藝方案考慮不周全，將可能造成數控加工的錯誤; 工藝方案設計不優化，將可能成倍地增加工作量，甚至做無用功; 數控加工工藝方案的質量直接決定了數控程序的質量，更是整個數控加工過程質量水平高低的先決條件。

　　2.2 數控程序編制

　　數控程序指令代碼是數控編程工作輸出的結果，是數控加工工藝方案的體現，其準確性體現在: 1) 對零件的數學模型處理力求準確無誤，編程坐標系準確定義，對刀點和安全平面及數控機床屬性設置正確;2) 零件數控加工工序中各工步劃分與順序安排、刀具的幾何形狀、走刀路線和切削用量都必須正確選擇，并用符合機床數控系統語法格式的指令字母描述出來，切削參數的選擇充分考慮了零件材料的加工特性、刀具的切削特性、機床的切削特性和零件的加工余量等因素; 3) 整個刀具運行軌跡不存在加工過程中數控機床工作臺與被加工的零件、刀具與夾具之間有過切、欠切、碰撞和干涉等問題。

　　數控程序編制的先進性是指: 根據數控加工的特點，正確選擇加工方法和內容，充分發揮數控機床、數控系統的功能，獲得較高的數控設備程序運行率( 即在確定度量時段內，數控設備運行數控程序時間 PRT對設備使用時間 EUT 之比率) 和設備加工績效( 即在確定度量時段內，設備實際加工效率對設備理論加工效率或設備期望加工效率之比率，對應 3 種生產應用場合，有 3 種不同的度量方法: 基于零件材料切除量、基于設備主軸切削時間和加工零件數量，以及基于設備使用時間和加工零件數量)。

　　目前流行的 UGNX、MASTER CAM 和 CATIA 等數控加工輔助編程 CAD/CAM 應用軟件，為數控程序編制的準確性、先進性提供了很好的技術保障，無論采用何種數控加工輔助編程應用軟件，最終數控程序編制的準確性和先進性的標準是一致的。

　　2.3 數控加工過程仿真檢查

　　數控加工過程的仿真是虛擬制造的核心技術之一，仿真內容主要分為幾何仿真和物理仿真。目前公司配備的 VERICUT 數控加工仿真軟件主要是幾何仿真檢查，軟件采用先進的三維顯示及虛擬現實技術，對數控加工過程和機床運行過程的幾何模擬達到極其逼真的程度，其作用主要是檢查數控程序刀具軌跡的正確性和機床運動幾何干涉碰撞問題，是數控加工過程準確性、安全性檢查的重要環節，能有效避免不必要的損失。而要進行更精確的仿真則必須對加工過程中的物理現象進行研究，即進行物理仿真。目前在應用物理仿真技術較先進的企業中，有的引進了北航開發的一套銑削加工動力學仿真優化系統 SIM-CUT 軟件，實現銑削過程的力學仿真及切削參數的優化選擇; 還有的以有限元分析技術為基礎，對整體復雜飛機結構零件的數控切削過程進行物理仿真，通過合理的有限元加工模型，來正確地模擬零件數控加工物理過程，包括材料物理特性、加工系統邊界條件、刀具軌跡載荷變化和材料內部應力初始狀態等，從而研究零件特征結構、加工工藝方法和數控編程策略對零件加工變形的影響規律，有效實現復雜大型零件加工變形控制。

　　2.4 質量控制方法和工具技術的系統應用

　　數控加工過程質量控制就是把工序質量波動限制在要求的界限內所進行的活動，其主要內容首先是依據質量體系文件和工序加工流程進行質量策劃，確定應控制的工序質量指標特性值和質量控制點。其次是進行工序能力調查，分析工序因素，確定主導工序因素，編制工序質量表和工序管理點的控制文件，實施數控過程質量控制; 通過實時、準確和全面地收集數控加工工序動態過程中的質量指標數據，應用質量控制方法進行整理分析、評價，得出有價值的工序質量狀況結論，對工序質量波動的主導因素進行控制干預，最終達到過程質量控制的目標。

　　數控加工工序質量策劃方法即是前面所提到的數控加工工藝方案設計、數控程序編制和數控加工仿真檢查的內容; 數控加工工序能力調查分析的重要內容即是計算和分析評價工序能力指數，而工序能力指數就是將工序能力和實際的質量控制要求聯系起來，以評定工序能力是否能夠滿足質量控制的實際要求以及滿足程度的參數，當然工序能力指數計算的前提條件是工序處于穩定的受控狀態下，按照統計學的原則，樣本推斷總體的正確程度取決于抽樣方法、樣本大小和樣本與樣本之間的差異等3 個方面，樣本越大，推斷的正確程度越高。

　　數控加工過程質量控制方法包括調查表、分層法、因果圖、排列圖、直方圖、相關圖和控制圖等7 種統計方法以及關聯圖法、親緣圖法、系統圖法、矩陣圖法、矩陣數據分析法、過程決策程序法及箭頭圖法等等 7 種以定性分析為主的思考性方法。實際中需要根據數控加工工序生產過程質量數據信息，綜合考慮操作工人和質量控制人員的技能水平，以方便、高效和靈活為原則，合理選擇不同的質量控制方法，以達到對零件數控加工工序實物質量狀態進行控制的目的。過程質量控制方法和工具技術的系統應用是2008 版 ISO9001 族質量管理體系明確的 8 項質量管理原則之一，更是實現期望的數控加工過程效果的充分保證。

　　2.5 高素質數控技術人員隊伍的建立

　　數控加工流程中的任一環節離不開生產計劃員、數控程序編制工藝員、數控刀具準備預調員、數控機床操作工和檢驗人員的協同工作以及緊密配合。所有數控加工流程參與人員的質量意識、工作責任心和技能水平的高低對數控加工過程的質量及效率有直接影響。

　　目前，該公司的數控程序編制主要由工藝技術人員負責，數控刀具準備預調主要由數控機床準備工人負責。工藝技術員的主要工作包括主管產品零件新產品工藝規程資料的編制、現場生產過程中技術問題的協調處理、定型工藝規程資料細化優化改進及數控程序編制等，工作量大，真正潛心鉆研優化數控編程的精力有限; 數控機床操作工人用在數控刀具切削性能提升鉆研方面的能力受個人技術水平、文化程度和身體素質的限制，為了適應先進數字化制造廠房的生產模式，建立高技能專業化的數控技術人員隊伍是必然趨勢，也是實現數控加工生產管理流程有效實施的基礎。

3 實踐應用

　應用 CATIA V5 R18 軟件對該公司專業產品中具有典型代表性的零件某液壓助力器殼體進行的工藝方案設計，其中包括建立零件數字化加工模型、確定工藝流程方案和優化刀具路徑加工軌跡。數控加工過程仿真檢查界面。數控加工過程仿真檢查中運用 VERICUT 7． 1 軟件進行數控加工試切仿真驗證，改進前工藝流程為195 道工序，改進后工藝流程僅有 21 道工序，零件周轉次數從 43 次降低到 15 次; 并利用兩種進口刀具(大昭和、單德瑞) 進行了切削參數試切優化實驗，確定了高效實用的切削加工工藝參數。

　 所示工序風險控制表對加工過程中的風險進行識別和管控; 工序 40 即 52． 17 外圓圓柱度 0． 008，進行質量改進過程階段控制，最終改進后驗證批零件 52． 17 外圓圓柱度 0． 008 單值的控制下限 UCL 為 0． 005 29，控制上限 LCL 為 0． 004 2，均值X為0 ． 003 17 ，保證了圓柱度0 ． 008 的加工質量 ，縮短了加工周期，保證了零件加工質量，提高生產效率近 3 倍  DM 表示定義、測量階段，A 表示分析階段，IC 表示改進和控制階段。移動極差平均值MR為 0． 001 03，移動極差控制上限為 0． 003 38，控制下限為 0。

　　零件數控加工過程質量控制體系的應用推廣到生產管理流程的改進優化提升環節，如某主機備件關鍵任務的配套瓶頸零件殼體，正常加工周期為4 ～ 5 個月，經過數控加工過程優化改進實踐，突破了 4件殼體共計 24d 加工完成的突擊任務。取得效果的關鍵措施如下。

　　1) 制定周密的工藝改進方案，建立以 COBAR65數車、DMC60U 立臥轉換加工中心、數控鉆和 ROBO-FORM2000 電火花機床 4 臺設備為核心的小單元，進行流水作業。

　　2) 生產準備是本次突擊成功的基礎。前期針對技術改進方案已提前訂購特殊的復合刀具，為工藝改進方案的實施打下了堅實基礎。生產準備組在零件突擊過程中同樣發揮了很大的作用。

　　3) 新的檢驗配合方式起到了關鍵作用。工序檢驗在檢驗中以全參數的標準進行全過程跟蹤并記錄實值，檢驗與零件加工進行流水作業，總檢提前參與到工序檢驗中，從而大大縮短了總檢時間( 2 次總檢僅用 2d) 。

4 結語

　　本文結合某公司數控轉型生產背景，提出了數控加工過程質量控制模型結構和實施的關鍵環節，通過典型零件數控加工過程實踐效果驗證了策劃-分析-診斷-改進的質量控制體系模型的有效性和可行性，為同類制造過程效能地改進優化提供了借鑒和思路。