機(jī)械制造的工藝可靠性研究

魏令侯

摘 要：在當(dāng)前快速響應(yīng)制造的需求背景下，制造企業(yè)面臨研制時(shí)間短，技術(shù)上的不確定因素，技術(shù)改造的滯后，產(chǎn)品可靠性缺乏實(shí)踐考驗(yàn)，管理缺乏經(jīng)驗(yàn)等問(wèn) 題。深入研究和解決這些問(wèn)題，必須要貫徹以可靠性工程為重點(diǎn)，積極開(kāi)展工藝可靠性研究，強(qiáng)化技術(shù)基礎(chǔ)、加強(qiáng)管理，實(shí)施技術(shù)與管理的有機(jī)結(jié)合，使工藝可靠性 工作最終達(dá)到保障產(chǎn)品可靠性的目的。因此，論文以此需求為牽引，在總結(jié)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上提出了機(jī)械制造工藝可靠性的基本概念和分析方法，并建立相應(yīng)的模型 來(lái)指導(dǎo)對(duì)機(jī)械制造過(guò)程的有效控制，為機(jī)械制造過(guò)程保障產(chǎn)品可靠性的最終目標(biāo)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造;工藝;可靠性;刀具;數(shù)控機(jī)床

對(duì)機(jī)械制造工藝過(guò)程可靠性有兩種認(rèn)識(shí)一種認(rèn)為機(jī)械制造工藝過(guò)程可靠性是靠產(chǎn)品質(zhì)量檢臉就能保證另一種認(rèn)為質(zhì)量檢驗(yàn)是必要的， 但是， 單靠檢驗(yàn)是不能保證高可靠性的， 在機(jī)械制造中需要十分重視制造工藝對(duì)可靠性的影響。對(duì)于這兩種認(rèn)識(shí)， 大多數(shù)專家主要還是傾向于后一種的認(rèn)識(shí)因?yàn)椋?機(jī)械產(chǎn)品通過(guò)設(shè)計(jì)階段后， 其可靠性就已經(jīng)固定了， 只需要制造過(guò)程如何進(jìn)行保證機(jī)械產(chǎn)品在制造過(guò)程中， 一般是需要多種工藝的， 而每種工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響又是不相同的， 同時(shí)又受到工藝設(shè)備和工人技術(shù)水平的制約。實(shí)踐證明一機(jī)械制造時(shí)所采用的工藝方法、工序安排、設(shè)備、工作規(guī)范和檢較方法等均影響到零件的物理機(jī)械特性， 如耐磨性、耐蝕性、疲勞強(qiáng)度等， 并同時(shí)影響到這些性能的穩(wěn)定性， 因而也就影響了產(chǎn)品的可靠性我國(guó)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量水平上不去， 也主要是由于制造工藝水平低的緣故。因此， 研究制造工藝對(duì)可靠性的作用、工藝過(guò)程可靠性及其評(píng)定方法具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義

一、機(jī)械可靠性技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

可靠性技術(shù)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)20年代，在結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用始于20世紀(jì)柏年代?？煽啃约夹g(shù)最早應(yīng)用在二戰(zhàn)末期德國(guó)V一Ⅱ火箭的誘導(dǎo)裝置上。德國(guó)火箭研究機(jī)構(gòu)參加人之一R.Lusser首先提出了利用概率乘積法則，把一個(gè)系統(tǒng)的可靠度看成該系統(tǒng)的子系統(tǒng)可靠度的乘積。自從1946年Freuenthal在國(guó)際上發(fā)表“結(jié)構(gòu)的安全度”一文以來(lái)，可靠性問(wèn)題扦始引起學(xué)術(shù)界和工程界的普遍關(guān)注與重視。

我國(guó)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品可靠性研究起步較晚，20世紀(jì)80年代才得到較快發(fā)展，機(jī)械行業(yè)相繼成立了可靠性研究的相關(guān)協(xié)會(huì)，各有關(guān)院所和高校也開(kāi)展了機(jī)械產(chǎn)品可靠性研究，制定了一批可靠性標(biāo)準(zhǔn)，取得了較大的成果。但總的看來(lái)，理論研究多，實(shí)際應(yīng)用少，與西方國(guó)家差距大，有些成果尚不能完整地成熟地應(yīng)用在不同的機(jī)械系統(tǒng)中。

廣義可靠性包括：狹義可靠性與維修性，是指產(chǎn)品在其整個(gè)壽命期限內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。廣義可靠性亦稱隨即模糊可靠性，是同時(shí)考慮，不確定因素中隨機(jī)性和模糊性的總稱，廣義可靠性對(duì)于可能維修的產(chǎn)品和不可維修的產(chǎn)品有不同的意義，對(duì)于可能維修的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，除了要考慮提高其可靠性外，還應(yīng)考慮提高其維修性，而對(duì)不可維修的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，由于不存在維修問(wèn)題，只需考慮提高其可靠性。

二、刀具的可靠性研究

刀具是機(jī)床最為重要的零部件之一，其完好程度直接關(guān)系到機(jī)床的加工精度。在加工過(guò)程中，刀具在件表面上滑動(dòng)，相互之間存在著極大的摩擦力，故刀具也是機(jī)床中最容易發(fā)生失效的部件。

刀具可靠性的預(yù)測(cè)，可分為兩種方法，一種是有加工質(zhì)量來(lái)預(yù)測(cè)刀具可靠性，傳統(tǒng)的基于樣本壽命統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的可靠性分析方法得到的是設(shè)備整體可靠性估計(jì)，對(duì)于正在運(yùn)行的單臺(tái)或小批量設(shè)備，這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的意義不大，人們更關(guān)心的是當(dāng)前所用設(shè)備的壽命裕度可靠性。作為設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的一種退化信息，加工質(zhì)量能夠?qū)崟r(shí)反映設(shè)備的性能、精度，準(zhǔn)確判定設(shè)備的時(shí)間、動(dòng)態(tài)特性?；诠ぜ庸べ|(zhì)量信息而提出的的可靠性預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)所采用的工具是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)輸入為工件加工質(zhì)量向量，這些指標(biāo)能夠反映設(shè)備性能退化過(guò)程，具有明顯趨勢(shì)性變化和明確失效閾值定義。網(wǎng)絡(luò)輸出為設(shè)備運(yùn)行到某一時(shí)刻時(shí)不同指標(biāo)值所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)可靠度。其中瞬時(shí)可靠度的確定是預(yù)測(cè)結(jié)果正確與否的關(guān)鍵，本文結(jié)合Baves方法和KM評(píng)估器思想，以大于性能退化指標(biāo)觀測(cè)值的正常樣本數(shù)目和所有樣本數(shù)目比值連乘積作為設(shè)備的瞬時(shí)可靠度，這種算法簡(jiǎn)單高效，而且不需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行失效概率密度函數(shù)（PDF）估計(jì)，所以不會(huì)因樣本太少而引起大的估計(jì)誤差。通過(guò)對(duì)實(shí)際刀具可靠度的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了該方法的有效性。

Logistic回歸模型是二分類因變量進(jìn)行回歸分析時(shí)經(jīng)常使用的統(tǒng)計(jì)分析方法，由于充分考慮了內(nèi)稟增長(zhǎng)率和環(huán)境因素限制兩方面的因素，因此在生態(tài)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和流行病學(xué)等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。Logistic回歸模型可在一系列狀態(tài)特征參數(shù)表征下給出事件發(fā)生的概率，為決策者的結(jié)果分析和預(yù)測(cè)提供依據(jù)，這種做法與設(shè)備可靠性評(píng)估的思想是一致的。在機(jī)械設(shè)備性能評(píng)估和剩余有效壽命預(yù)測(cè)應(yīng)用研究方面，一些專家已經(jīng)做了一些有意義的探索性工作。相關(guān)學(xué)者基于歷史失效數(shù)據(jù)建立logistic，利用在線信號(hào)特征對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行評(píng)估，并采用ARMR模型估計(jì)設(shè)備有效剩余壽命。CAO等人采用logistic回歸模型建立起退化參數(shù)與失效概率間的映射關(guān)系，并采用SVR退化趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法估計(jì)設(shè)備剩余有效壽命。

三、數(shù)控機(jī)床整機(jī)及關(guān)鍵功能部件可靠性研究方案

1.數(shù)控機(jī)床整機(jī)可靠性研究領(lǐng)域及可行的研究方案為：

（1）確定數(shù)控機(jī)床整機(jī)的壽命分布模型，制定可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從而進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià);

（2）運(yùn)用故障分析方法進(jìn)行可靠性分析，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)等相關(guān)理論進(jìn)行故障分析，從而量化一些不確定因素;

（3）進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)策略研究。制定數(shù)控機(jī)床整機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，結(jié)合現(xiàn)有機(jī)床產(chǎn)品暴露的薄弱環(huán)節(jié)及故障原因，提出可靠性改進(jìn)措施。

2.數(shù)控機(jī)床功能部件可靠性研究方案：

（1）針對(duì)某種數(shù)控機(jī)床功能部件的特殊性，制定具體的可靠性試驗(yàn)規(guī)范，開(kāi)發(fā)面向產(chǎn)品壽命周期動(dòng)態(tài)過(guò)程和協(xié)同環(huán)境的可靠性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)新技術(shù);

（2）根據(jù)所制定的試驗(yàn)規(guī)范，進(jìn)行數(shù)控機(jī)床功能部件可靠性試驗(yàn)，獲得數(shù)控機(jī)床功能部件產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)故障數(shù)據(jù)，將故障數(shù)據(jù)整理后進(jìn)行可靠性分析（故障模式、影響及危害性分析）。根據(jù)可靠性分析結(jié)果得知該類數(shù)控機(jī)床功能部件產(chǎn)品的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，為新產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)方案的制定提供依據(jù);

（3）制定專門(mén)針對(duì)數(shù)控機(jī)床功能部件產(chǎn)品的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，準(zhǔn)確有效地評(píng)價(jià)其可靠性水平;

（4）通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床功能部件的可靠性分析與評(píng)估，提出數(shù)控機(jī)床功能部件的可靠性增長(zhǎng)新方法。

四、結(jié)語(yǔ)

對(duì)機(jī)械制造過(guò)程保障產(chǎn)品質(zhì)量的研究已有一些可供借鑒的成果，但是還缺乏系統(tǒng)的總結(jié)，而對(duì)機(jī)械制造過(guò)程保障產(chǎn)品可靠性的研究尚處于起步階段。機(jī) 械制造工藝可靠性的研究，立足于探索機(jī)械制造過(guò)程保障產(chǎn)品可靠性的理論和實(shí)踐方法，為設(shè)計(jì)和改進(jìn)工藝路線、縮短開(kāi)發(fā)周期、生產(chǎn)符合可靠性要求的產(chǎn)品提供有 效參考。因此，機(jī)械制造工藝可靠性的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義，必將引起廣泛的關(guān)注，取得越來(lái)越多的研究成果。

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