【独家专栏】数控机床可靠性技术专题八：加工一致性技术（下）

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《制造技术与机床》杂志创刊于1951年，是我国机械工业科技期刊中创刊早、发行量大、影响面广的刊物之一，拥有广泛、专业的读者群体。本刊属中文核心期刊，中国科技论文统计用刊和《中国学术期刊文摘》摘录用期刊。

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加工一致性技术（下）

　　4 表面完整性控制

　　任何机械加工方法都不能获得理想的表面，它总会存在一定程度的微观不平度、加工中冷作硬化、表层残留应力和金相组织变化。要达到良好的加工一致性，实现零件高精度、低表面粗糙度值、低残余应力、低硬化层的表面高质量要求，是零件表面完整性控制的最终目的。

　　4.1 表面完整性的定义及评价

　　加工表面完整性用于评价由加工获得的零件表面几何的、物理的、化学的或其他工程性能状况与零件技术要求的符合程度。所表达的主要内容有两方面：表面纹理指标与表面层物理力学性能状态指标。

　　(1)表面纹理指标

　　表面纹理指标用于定义已加工表面的几何特征，主要包括表面粗糙度、波度、纹理方向及表面瑕疵等几部分，其中通常使用表面粗糙度来表示表面纹理。

　　(2)表面层物理力学性能指标

　　加工表面由于受到加工过程中物理、化学特性的影响，其力学特性、物理性能、化学性能均会发生变化，表面层物理力学性能指标则用于评价相关特性。其主要内容包括以下几方面：①表面层硬度，即加工后表层冷作硬化所引起的零件弹塑性变形;②表面层组织，即加工表面的金相组织变化;③表面层残余应力，即表面残余应力的大小、分布状态，表面的宏观及微观裂纹，如图7所示。

　　对于表面完整性的控制，主要包括对表面粗糙度、表层显微形貌、表层加工硬化、残余应力及金相组织变化等的控制，其中最常见的就是对表面粗糙度与残余应力的控制。

　　4.2 表面粗糙度控制

　　产生机械零件的表面粗糙度的主要原因包括残留面积(刀尖圆弧半径rε不合理)、金属材料塑性变形及工艺系统的振动。要从根本上控制加工表面粗糙度，需从这3个根本原因入手，在选择合理的刀剑圆弧与进给量的同时，增加工艺系统的刚度，避免积屑瘤的生成。而用于控制表面粗糙度的手段也可以是控制图。使用控制图对加工表面粗糙度进行加工过程中的控制，并作为实施控制措施的参考。以某型号卧式加工中心的某重要功能部件中大活塞与芯轴中心孔接触表面粗糙度Ra1为例，同样抽取15个样本，记为Ra1：

　　Ra1={0.31,0.29,0.28,0.26,0.22,0.31,0.25,0.33,0.27,0.28,0.34,0.26,0.21,0.3,0.32}

　　绘制其单值控制图，如图8所示。由该控制图可以看出，15个测量值处于受控状态，并没有异常点出现。

　　4.3 残余应力控制

　　金属工件在冷热加工过程中都会产生残余应力，它可能降低工件的实际强度、疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂，大大影响被加工零件的尺寸精度。降低或消除工件的残余应力十分必要，通常有几种方法可以达到控制残余应力的目的：自然失效方法与人工时效方法(热处理时效、敲击时效、振动时效、超声波冲击时效)。

　　自然失效方法是最古老的时效方法，适用于锻造铸造、机械加工及焊接的零件。它是把构件露天放置于室外，依靠大自然的力量，经过几个月至几年的风吹、日晒、雨淋和季节的温度变化，给构件多次造成反复的温度应力。再温度应力形成的过载下，促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。

　　热处理时效是传统的消除残余应力方法，同样适用于铸锻造过程、机械加工过程、焊接过程产生的残余应力。热处理工艺可分为3大类：

　　(1)一般热处理，即退火、正火、淬火与回火;

　　(2)表面热处理，如高频感应加热淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗;

　　(3)其他热处理，如可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理等。

　　根据不同工件材料、加工要求、性能要求等条件，合理选择消除残余应力的工艺方法，才能很好地控制残余应力。

　　5 一致性影响因素的分析控制措施

　　不同程度的不一致性伴随着不同影响因素的失控与变异出现。要分析加工过程不一致性，需详细分析影响因素，从而为控制各因素提供依据。可将众多影响因素归纳为6个方面：人员因素、设备因素、材料因素、方法因素、环境因素及测量因素，又称5M1E。从分析机械零件的几何精度控制及表面完整性控制后，从5M1E方面系统地对加工过程的一致性控制措施进行剖析。

　　5.1 加工人员因素控制措施

　　在机械产品制造过程中，可能导致不一致性现象出现的人员包括设计人员、加工技术人员、装配人员、检验人员等。考虑到研究加工一致性的影响因素，主要对加工人员提出控制措施。

　　现场的加工技术人员是零件各种性能体现的保证。他们是与零件直接接触的因素，是完成零件成形的主体，尤其在制造过程中更能体现加工人员对零件好坏的重要性。

　　(1)加强加工技术人员的操作技能能力、对图纸等现场文件的认识，对其进行统一培训，尽力减少因不同人对零件的不同认识程度导致的加工不一致性。

　　(2)增强加工人员对于加工工艺文件的严格遵守意识及其对企业规定的规章制度的严格遵守意识。

　　(3)严格量化控制加工过程的切削用量、走刀次数、零件定位次数等因素。

　　(4)强化加工人员对零件加工顺序的认知，尽量减少因加工人员加工顺序不同而引起的参数变异情况。

　　(5)通过工种间的人员调整、工作经验丰富化等方法，消除操作人员的厌烦情绪。

　　(6)测量时，需对测量工具、测量对象、测量意义等有很好的了解。

　　5.2 加工设备因素控制措施

　　作为机械加工过程的零部件结构成形的工作机，加工设备因素可能包括：加工时使用的工具、机床等各种设备。设备的突变、性能衰退都会直接影响到它所加工的零部件，在某种程度上最终映射在机械产品中，均会引起不同程度的不一致性。故对设备的控制是必要的：

　　(1)加强机床维护和保养，定期检测机床的关键精度和性能项目，避免机床功能能力下降引起的变异情况。

　　(2)定期检查刀具，避免刀具脆性破损、积屑瘤的产生、塑性破损等现象，保证刀具量在磨钝标准之外就停止使用。

　　(3)建立设备管理体系制度，对工序质量控制点的设备进行重点控制，如：操作者每周、每月、每半年进行检查维护;专业维修人员每季、每年检查维护。

　　5.3 材料因素控制措施

　　加工过程材料所指的是待加工零件、各种油液等材料。选用不同的材料、材料在不同情况下的变化均会对机械产品不一致性的产生造成影响。可见，控制制造过程材料因素也是控制产品一致性的方法之一。

　　(1)加工零件材料

　　①加强原材料的进厂检验和厂内自制零部件的工序和成品检验。

　　②按照零件性能要求(如强度、硬度、塑性、耐高温性、切削加工性能等)，合理选择加工零件材料，防止被加工表面加工硬化。

　　(2)刀具材料

　　①合理选用刀具材料，保证刀具前角、后角等主要角的度变化不足以引起被加工零件的参数变异。

　　②合理选择刀具几何参数(前角、后角、刃倾角、主偏角等)，使切削刃与刀尖具备较好的强度。

　　(3)油液

　　①定期检查系统液压油清洁度，按照规定定期对其进行过滤与更换。

　　②按照冷却、润滑作用强弱，加工性质(粗加工、精加工、深孔加工等)，刀具材料，工件材料等不同因素，合理选择切削液。

　　③定期检查切削液清洁度。

　　5.4 加工方法因素控制措施

　　制造过程的方法是可根据不同零部件、不同操作者、不同要求而改变的因素。它的选择并无唯一的标准，可以有不同达到要求的方法，但要在众多方法中选择最有效、最经济的方法也并非易事。对制造过程导致不一致性的方法因素进行控制必须是一项长期的探索工作。

　　(1)装夹方法

　　工件的装夹过程是定位过程与夹紧过程的综合。其中，定位过程是保证工件相对于机床占据一正确位置;而夹紧过程的目的是使工件保持原有定位位置不变。

　　①综合待加工零件结构、加工表面、工装结构信息，严格按照六点定位原理，制定零件进行正确的定位方案，避免过定位、欠定位。

　　②尽量使基准重合，避免因基准不重合造成的定位误差。

　　③确定夹具合理的夹紧力作用点、夹紧力作用方向及夹紧大小。

　　(2)加工方法

　　①根据零件切削加工性能、企业现有条件，合理选择加工工艺方法，制定加工工艺文件。

　　②合理拟订粗加工、半精加工、精加工工艺路线，合理选择粗基准和精基准。

　　③依据零件加工的生产类型与车间条件确定加工过程工序集中原则或工序分散原则。

　　④合理规划加工工艺顺序(先加工定位基面，再加工其他表面;先加工主要表面，再加工次要表面;先面后孔)。

　　(3)热处理方法

　　按照处理方式的不同，热处理工艺方法可分类为普通热处理(整体热处理)、表面热处理及其他热处理，它们的目的都是提升材料的力学性能或工艺性能。

　　①针对不同结构的零件在不同的性能要求下，确定合适的热处理方式(退火、正火、淬火、回火、化学热处理等);

　　②合理地将热处理工序安排在制造过程的不同位置;

　　(4)清洗方法

　　①在待加工零件、已加工零件、装配完成的零部件进入下一道工序前，需对其进行清洗，并根据不同的对象，选择不同的清洗方法。

　　②针对不同清洗对象，在选择合适的清洗油液同时保证清洗油液的清洁度。

　　③针对不同清洗表面特征(平面、通孔、盲孔、槽等)的待清洗零部件制定不同的清洁手段。

　　5.5 加工环境因素控制措施

　　制造过程所处的环境受到的不同程度的污染破坏显然会成为参数变异的隐患之一，所以对环境因素进行控制也是必然的。然而，由于环境因素很大程度上并非取决于车间操作者，也存在许多客观因素影响着制造环境。

　　(1)控制车间内适当的温度与湿度，避免已完成加工及待处理的零部件表面变质。

　　(2)建立制造环境现场管理规范，对制造车间环境进行有效管理。

　　5.6 加工测量因素控制措施

　　测量过程贯穿在机械制造过程的许多工序中，它是上一道工序加工、装配、处理完成后对下一道工序的保证，是工序之间的过渡过程。虽然测量并非影响制造过程参数变异的主导因素，但对它的控制也是必须执行的。只有良好的测量方法、测量结果才能保证机械产品最终的可靠性与质量。

　　(1)确保使用测量工具精度满足测量要求。

　　(2)根据测量结果，做出合理的处理判定。

　　(3)定期对测量工具进行精度检验。

　　结合加工一致性影响因素的分析控制系统与加工过程一致性影响因素控制措施体系，对整个加工过程进行适时适当的调整与控制，可使得零部件、产品具备更优的可靠性与质量。

　　6 结语

　　本文定义了机械加工一致性，对机械加工过程的工序能力进行分析，并通过对过程波动、不一致性的识别，找出需控制的影响因素。针对不同的影响因素，生成不同类别的控制图，并通过实例说明该系统的可行性。最终根据不同情况，提出加工过程一致性影响因素的控制措施。

作者：张根保 彭 露