数控加工过程质量控制的关键环节研究

　　1.3 数控加工过程质量控制体系结构

　　数控加工过程质量控制首先应进行质量策划，将设计、工艺和生产运营所要求的过程指标需求转化为具体数控加工工序的质量特征，进而根据质量特征形成关键工序的质量控制目标，分解形成关键工序的质量控制规范和过程控制参数; 在数控加工工序动态生产过程中，实时测量和收集生产系统的质量特性数据; 借助质量统计分析工具和控制方法，与关键工序的质量控制目标进行比较分析、质量评价和质量决策，不断将质量评价和决策信息反馈到数控加工工序生产的各个阶段，实施质量改进，对数控加工生产过程进行反馈式质量控制。

　　数控加工过程质量控制体系结构框架如图 2所示。

图 2 数控加工过程质量控制体系结构框架

2 数控加工过程质量控制的关键环节

　　数控加工过程质量控制的关键环节分为 5 个部分: 数控加工工艺方案设计、数控程序编制、数控加工过程仿真检查、质量控制方法与工具技术系统应用，以及高素质数控技术人员队伍建立。

　　2.1 数控加工工艺方案设计

　　数控加工工艺方案设计的内容包括: 确定零件数控加工的内容、零件图样数控加工工艺性分析、数控加工工艺路线的确定、数控加工工序内容的确定和数控加工刀具的选择等。

　　数控加工与通用机床加工相比较，在许多方面遵循的原则基本一致，但由于数控机床本身自动化程度较高，控制方式不同，设备成本费用较高，使数控加工工艺突现出工艺内容十分具体、工艺设计非常严密和注重数控加工的适应性等非常鲜明的特点。数控加工工艺方案的合理性也主要体现在上述3 个特点的优劣程度上，是数控程序编制的依据和前提，必须在程序编制之前完成，如果工艺方案考虑不周全，将可能造成数控加工的错误; 工艺方案设计不优化，将可能成倍地增加工作量，甚至做无用功; 数控加工工艺方案的质量直接决定了数控程序的质量，更是整个数控加工过程质量水平高低的先决条件。

　　2.2 数控程序编制

　　数控程序指令代码是数控编程工作输出的结果，是数控加工工艺方案的体现，其准确性体现在: 1) 对零件的数学模型处理力求准确无误，编程坐标系准确定义，对刀点和安全平面及数控机床属性设置正确;2) 零件数控加工工序中各工步划分与顺序安排、刀具的几何形状、走刀路线和切削用量都必须正确选择，并用符合机床数控系统语法格式的指令字母描述出来，切削参数的选择充分考虑了零件材料的加工特性、刀具的切削特性、机床的切削特性和零件的加工余量等因素; 3) 整个刀具运行轨迹不存在加工过程中数控机床工作台与被加工的零件、刀具与夹具之间有过切、欠切、碰撞和干涉等问题。

　　数控程序编制的先进性是指: 根据数控加工的特点，正确选择加工方法和内容，充分发挥数控机床、数控系统的功能，获得较高的数控设备程序运行率( 即在确定度量时段内，数控设备运行数控程序时间 PRT对设备使用时间 EUT 之比率) 和设备加工绩效( 即在确定度量时段内，设备实际加工效率对设备理论加工效率或设备期望加工效率之比率，对应 3 种生产应用场合，有 3 种不同的度量方法: 基于零件材料切除量、基于设备主轴切削时间和加工零件数量，以及基于设备使用时间和加工零件数量)。

　　目前流行的 UGNX、MASTER CAM 和 CATIA 等数控加工辅助编程 CAD/CAM 应用软件，为数控程序编制的准确性、先进性提供了很好的技术保障，无论采用何种数控加工辅助编程应用软件，最终数控程序编制的准确性和先进性的标准是一致的。

　　2.3 数控加工过程仿真检查

　　数控加工过程的仿真是虚拟制造的核心技术之一，仿真内容主要分为几何仿真和物理仿真。目前公司配备的 VERICUT 数控加工仿真软件主要是几何仿真检查，软件采用先进的三维显示及虚拟现实技术，对数控加工过程和机床运行过程的几何模拟达到极其逼真的程度，其作用主要是检查数控程序刀具轨迹的正确性和机床运动几何干涉碰撞问题，是数控加工过程准确性、安全性检查的重要环节，能有效避免不必要的损失。而要进行更精确的仿真则必须对加工过程中的物理现象进行研究，即进行物理仿真。目前在应用物理仿真技术较先进的企业中，有的引进了北航开发的一套铣削加工动力学仿真优化系统 SIM-CUT 软件，实现铣削过程的力学仿真及切削参数的优化选择; 还有的以有限元分析技术为基础，对整体复杂飞机结构零件的数控切削过程进行物理仿真，通过合理的有限元加工模型，来正确地模拟零件数控加工物理过程，包括材料物理特性、加工系统边界条件、刀具轨迹载荷变化和材料内部应力初始状态等，从而研究零件特征结构、加工工艺方法和数控编程策略对零件加工变形的影响规律，有效实现复杂大型零件加工变形控制。

　　2.4 质量控制方法和工具技术的系统应用

　　数控加工过程质量控制就是把工序质量波动限制在要求的界限内所进行的活动，其主要内容首先是依据质量体系文件和工序加工流程进行质量策划，确定应控制的工序质量指标特性值和质量控制点。其次是进行工序能力调查，分析工序因素，确定主导工序因素，编制工序质量表和工序管理点的控制文件，实施数控过程质量控制; 通过实时、准确和全面地收集数控加工工序动态过程中的质量指标数据，应用质量控制方法进行整理分析、评价，得出有价值的工序质量状况结论，对工序质量波动的主导因素进行控制干预，最终达到过程质量控制的目标。

　　数控加工工序质量策划方法即是前面所提到的数控加工工艺方案设计、数控程序编制和数控加工仿真检查的内容; 数控加工工序能力调查分析的重要内容即是计算和分析评价工序能力指数，而工序能力指数就是将工序能力和实际的质量控制要求联系起来，以评定工序能力是否能够满足质量控制的实际要求以及满足程度的参数，当然工序能力指数计算的前提条件是工序处于稳定的受控状态下，按照统计学的原则，样本推断总体的正确程度取决于抽样方法、样本大小和样本与样本之间的差异等3 个方面，样本越大，推断的正确程度越高。

　　数控加工过程质量控制方法包括调查表、分层法、因果图、排列图、直方图、相关图和控制图等7 种统计方法以及关联图法、亲缘图法、系统图法、矩阵图法、矩阵数据分析法、过程决策程序法及箭头图法等等 7 种以定性分析为主的思考性方法。实际中需要根据数控加工工序生产过程质量数据信息，综合考虑操作工人和质量控制人员的技能水平，以方便、高效和灵活为原则，合理选择不同的质量控制方法，以达到对零件数控加工工序实物质量状态进行控制的目的。过程质量控制方法和工具技术的系统应用是2008 版 ISO9001 族质量管理体系明确的 8 项质量管理原则之一，更是实现期望的数控加工过程效果的充分保证。

　　2.5 高素质数控技术人员队伍的建立

　　数控加工流程中的任一环节离不开生产计划员、数控程序编制工艺员、数控刀具准备预调员、数控机床操作工和检验人员的协同工作以及紧密配合。所有数控加工流程参与人员的质量意识、工作责任心和技能水平的高低对数控加工过程的质量及效率有直接影响。

　　目前，该公司的数控程序编制主要由工艺技术人员负责，数控刀具准备预调主要由数控机床准备工人负责。工艺技术员的主要工作包括主管产品零件新产品工艺规程资料的编制、现场生产过程中技术问题的协调处理、定型工艺规程资料细化优化改进及数控程序编制等，工作量大，真正潜心钻研优化数控编程的精力有限; 数控机床操作工人用在数控刀具切削性能提升钻研方面的能力受个人技术水平、文化程度和身体素质的限制，为了适应先进数字化制造厂房的生产模式，建立高技能专业化的数控技术人员队伍是必然趋势，也是实现数控加工生产管理流程有效实施的基础。