機械制造的工藝可靠性研究

魏令侯

摘 要：在當前快速響應制造的需求背景下，制造企業面臨研制時間短，技術上的不確定因素，技術改造的滯后，產品可靠性缺乏實踐考驗，管理缺乏經驗等問 題。深入研究和解決這些問題，必須要貫徹以可靠性工程為重點，積極開展工藝可靠性研究，強化技術基礎、加強管理，實施技術與管理的有機結合，使工藝可靠性 工作最終達到保障產品可靠性的目的。因此，論文以此需求為牽引，在總結相關研究的基礎上提出了機械制造工藝可靠性的基本概念和分析方法，并建立相應的模型 來指導對機械制造過程的有效控制，為機械制造過程保障產品可靠性的最終目標提供技術支持。

關鍵詞：機械制造;工藝;可靠性;刀具;數控機床

對機械制造工藝過程可靠性有兩種認識一種認為機械制造工藝過程可靠性是靠產品質量檢臉就能保證另一種認為質量檢驗是必要的， 但是， 單靠檢驗是不能保證高可靠性的， 在機械制造中需要十分重視制造工藝對可靠性的影響。對于這兩種認識， 大多數專家主要還是傾向于后一種的認識因為， 機械產品通過設計階段后， 其可靠性就已經固定了， 只需要制造過程如何進行保證機械產品在制造過程中， 一般是需要多種工藝的， 而每種工藝對產品質量的影響又是不相同的， 同時又受到工藝設備和工人技術水平的制約。實踐證明一機械制造時所采用的工藝方法、工序安排、設備、工作規范和檢較方法等均影響到零件的物理機械特性， 如耐磨性、耐蝕性、疲勞強度等， 并同時影響到這些性能的穩定性， 因而也就影響了產品的可靠性我國機械產品質量水平上不去， 也主要是由于制造工藝水平低的緣故。因此， 研究制造工藝對可靠性的作用、工藝過程可靠性及其評定方法具有十分重要的現實意義

一、機械可靠性技術的發展歷程及現狀

可靠性技術的研究開始于20世紀20年代，在結構工程設計中的應用始于20世紀柏年代。可靠性技術最早應用在二戰末期德國V一Ⅱ火箭的誘導裝置上。德國火箭研究機構參加人之一R.Lusser首先提出了利用概率乘積法則，把一個系統的可靠度看成該系統的子系統可靠度的乘積。自從1946年Freuenthal在國際上發表“結構的安全度”一文以來，可靠性問題扦始引起學術界和工程界的普遍關注與重視。

我國對機械產品可靠性研究起步較晚，20世紀80年代才得到較快發展，機械行業相繼成立了可靠性研究的相關協會，各有關院所和高校也開展了機械產品可靠性研究，制定了一批可靠性標準，取得了較大的成果。但總的看來，理論研究多，實際應用少，與西方國家差距大，有些成果尚不能完整地成熟地應用在不同的機械系統中。

廣義可靠性包括：狹義可靠性與維修性，是指產品在其整個壽命期限內完成規定功能的能力。廣義可靠性亦稱隨即模糊可靠性，是同時考慮，不確定因素中隨機性和模糊性的總稱，廣義可靠性對于可能維修的產品和不可維修的產品有不同的意義，對于可能維修的產品來說，除了要考慮提高其可靠性外，還應考慮提高其維修性，而對不可維修的產品來說，由于不存在維修問題，只需考慮提高其可靠性。

二、刀具的可靠性研究

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

刀具可靠性的預測，可分為兩種方法，一種是有加工質量來預測刀具可靠性，傳統的基于樣本壽命統計基礎上的可靠性分析方法得到的是設備整體可靠性估計，對于正在運行的單臺或小批量設備，這些統計數據的意義不大，人們更關心的是當前所用設備的壽命裕度可靠性。作為設備運行過程的一種退化信息，加工質量能夠實時反映設備的性能、精度，準確判定設備的時間、動態特性。基于工件加工質量信息而提出的的可靠性預測方法，預測所采用的工具是BP神經網絡，網絡輸入為工件加工質量向量，這些指標能夠反映設備性能退化過程，具有明顯趨勢性變化和明確失效閾值定義。網絡輸出為設備運行到某一時刻時不同指標值所對應的瞬時可靠度。其中瞬時可靠度的確定是預測結果正確與否的關鍵，本文結合Baves方法和KM評估器思想，以大于性能退化指標觀測值的正常樣本數目和所有樣本數目比值連乘積作為設備的瞬時可靠度，這種算法簡單高效，而且不需要對設備進行失效概率密度函數（PDF）估計，所以不會因樣本太少而引起大的估計誤差。通過對實際刀具可靠度的準確預測，驗證了該方法的有效性。

Logistic回歸模型是二分類因變量進行回歸分析時經常使用的統計分析方法，由于充分考慮了內稟增長率和環境因素限制兩方面的因素，因此在生態學、臨床醫學和流行病學等方面獲得了廣泛的應用。Logistic回歸模型可在一系列狀態特征參數表征下給出事件發生的概率，為決策者的結果分析和預測提供依據，這種做法與設備可靠性評估的思想是一致的。在機械設備性能評估和剩余有效壽命預測應用研究方面，一些專家已經做了一些有意義的探索性工作。相關學者基于歷史失效數據建立logistic，利用在線信號特征對設備性能進行評估，并采用ARMR模型估計設備有效剩余壽命。CAO等人采用logistic回歸模型建立起退化參數與失效概率間的映射關系，并采用SVR退化趨勢預測方法估計設備剩余有效壽命。

三、數控機床整機及關鍵功能部件可靠性研究方案

1.數控機床整機可靠性研究領域及可行的研究方案為：

（1）確定數控機床整機的壽命分布模型，制定可靠性評價指標體系，從而進行可靠性評價;

（2）運用故障分析方法進行可靠性分析，運用模糊數學等相關理論進行故障分析，從而量化一些不確定因素;

（3）進行可靠性增長策略研究。制定數控機床整機的可靠性設計準則，結合現有機床產品暴露的薄弱環節及故障原因，提出可靠性改進措施。

2.數控機床功能部件可靠性研究方案：

（1）針對某種數控機床功能部件的特殊性，制定具體的可靠性試驗規范，開發面向產品壽命周期動態過程和協同環境的可靠性現場試驗新技術;

（2）根據所制定的試驗規范，進行數控機床功能部件可靠性試驗，獲得數控機床功能部件產品的現場試驗故障數據，將故障數據整理后進行可靠性分析（故障模式、影響及危害性分析）。根據可靠性分析結果得知該類數控機床功能部件產品的可靠性薄弱環節，為新產品可靠性試驗方案的制定提供依據;

（3）制定專門針對數控機床功能部件產品的可靠性評價指標體系，準確有效地評價其可靠性水平;

（4）通過對數控機床功能部件的可靠性分析與評估，提出數控機床功能部件的可靠性增長新方法。

四、結語

對機械制造過程保障產品質量的研究已有一些可供借鑒的成果，但是還缺乏系統的總結，而對機械制造過程保障產品可靠性的研究尚處于起步階段。機 械制造工藝可靠性的研究，立足于探索機械制造過程保障產品可靠性的理論和實踐方法，為設計和改進工藝路線、縮短開發周期、生產符合可靠性要求的產品提供有 效參考。因此，機械制造工藝可靠性的研究具有重要的理論和實踐意義，必將引起廣泛的關注，取得越來越多的研究成果。

參考文獻：

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