机械制造中的工艺可靠性影响因素与评定

摘要：产品在设计过程中确定的可靠性指标，最终都需要在机械制造过程中予以保障和实现。通过对机械制造过程中的动态特性分析，结合国内外对机械制造中的可靠性研究现状，提出了机械产品制造中的产品孔位特征影响因素与可靠性指标及其之间关系的定量方法。

关键词：机械制造 可靠性 孔位特征

机械制造过程是指利用各种技术、工具和设备对原材料、半成品进行机械加工或处理，使之成为最终产品的制造过程。它是最常见和最普遍的制造过程，因而也是出现问题较多的制造过程。机械制造过程要在复杂的动态背景下保证产品的可靠性，面临巨大的挑战。

1. 机械制造过程的动态特性

机械制造过程是一个复杂的动态过程，包括加工设备、夹具、刀具、检测设备、加工对象及工艺操作控制人员等。其动态特性主要表现为：机械制造任务根据用户需求确定，生产资源、生产条件、原材料供应也因任务不同而异，特别是现在很多先进制造系统的任务都是小批量生产，可供分析的样本数量少；机械制造过程是物料流、能量流和信息流不断输入和产品不断输出的动态过程，每一种流的变化都可能影响到最终产品的可靠性的稳定；机械制造过程受到多种工艺因素的动态影响，如刀具的磨损、环境温度的波动、原材料性能的差异等，每一种因素都对具体的工艺有不同的影响而且这些因素之间也存在相互影响。

2. 国内外研究现状

国内外对产品设计过程中确保产品可靠性的研究已经卓有成效，但是仅仅研究设计过程中的可靠性问题是不够的，因为设计中确定的产品可靠性指标最终都需要通过制造过程来实现，即设计过程确定了产品可靠性的要求而制造过程决定了产品的可靠性水平，因此在机械制造过程中保障产品可靠性具有同等重要的实际意义。但是由于机械制造过程相对设计过程来说更为复杂，涉及人员、机器、材料、工艺、测量、环境等多种影响因素以及产品与制造过程之间的相互作用，而现有的研究都是针对某一种影响因素或者仅适用于某一类产品，研究比较分散。

3. 机械产品制造的可靠性分析

3.1产品孔位特征影响因素

由于产品的孔位特征是机械制造过程直接生成的对象，产品的可靠性指标就是在这些孔位特征的加工过程中形成的，因此可以认为这些孔位特征的加工过程最终决定了产品的可靠性指标。所以，机械制造过程保障产品的可靠性指标最终要落实到对孔位特征加工过程的控制上。过去在分析机械制造过程中影响因素对产品孔位特征的影响程度时，主要依赖于工程师的经验判断，这种完全凭个人经验的判断仅仅适用于影响因素和产品孔位特征均较少的情况。定性信息定量化分析的方法是一个比较适用的途径。但是现有的定性分析方法的量化计算过程过于复杂，难以直接应用于评价机械制造过程的影响因素，因此定量化评估影响因素对产品孔位特征影响效果的方法还有待深入研究。例如，刀具磨损是影响工件表面粗糙度的重要因素，但是却没有比较合适的量化刀具磨损对产品孔位特征影响程度的测度。因此，评价机械制造过程中的影响因素的关键在于准确地描述影响的程度。模糊方法是目前应用较广的定量描述定性信息的方法。通过专家判断影响因素对单个孔位特征加工的影响程度，然后通过模糊方法将其定量表示，用模糊矩阵方法来评估这些影响因素对机械制造过程中多个孔位特征的综合影响程度。

3.2工艺可靠性评定

机械制造工艺可靠性评定的目标是利用机械制造过程试运行过程中收集的数据和其他有关信息，对工艺可靠性及指标进行估计和验证。评定分为两个层次：系统层和指标层。系统层的工艺可靠性评定是针对整个机械制造过程，从保障产品可靠性的效果来评定其工艺可靠度，以判断机械制造的工艺可靠性是否达到要求；指标层的工艺可靠性评定是指对工艺可靠性的其他指标是否达到要求进行验证。对制造过程工艺可靠性指标验证是一项非常重要的工作，因为工艺可靠性指标只有在验证通过之后才能确保机械制造的工艺可靠性具备要求的水平，进而保障制造出来的产品的可靠性达到要求。

由于产品的可靠性是与使用时间相关的变量，不可能在产品加工完成后就能够获得其真实值。因此在产品交付用户之前，预计其可靠性水平成为了可靠性研究的重点内容之一。最准确的方法是通过产品实际使用中收集的故障数据来评定其可靠性，目前关于产品可靠性预计的大量研究和应用大都建立在对产品进行大样本试验的条件下。对于高可靠性的产品，在短时间和小样本的可靠性试验中很可能出现零失效的情况，因此上述研究难以在这种情况下应用。因此，研究小样本条件下的产品可靠性预计对于评定机械制造的工艺可靠性具有重要的实际意义。特别是在产品制造完成后，如何利用制造过程中收集的数据来预计其可靠性成为了评定工艺可靠性的重要内容。

3.3产品孔位特征与可靠性指标之间关系的定量方法

首先，组织一组评定专家来评估这些影响因素对产品孔位特征的影响程度。这组专家由非常熟悉该机械制造过程的几个工艺工程师或专家组成。专家一般习惯于使用语义信息（如“强”、“弱”等）或者模糊信息（如“非常强”、“比较弱”等）来表达他们的判断。假设需要保障的产品孔位特征共有n个，每个孔位特征都有相应的影响因素，将语义信息表示为模糊数是评估这些影响因素的必要步骤。一般来讲，专家组中的专家有各自的特长和经验，而经验相对丰富的专家在专家组的最终判断中应该起到更大的作用。因此，好的集成方法都会考虑到专家的这种相对重要性。得到专家组的集成判断，也即确定了相应的影响因素对产品孔位特征的影响程度。通过这种的集成方法，可以获得影响因素对机械制造过程加工产品单个孔位特征的影响程度的评价。由于考虑的是评价每个影响因素对n个孔位特征的综合影响程度，所以需要首先确定每个孔位特征的相对重要程度。确定这些孔位特征相对重要度的任务仍然由前面的专家组来完成，即由专家根据孔位特征对确定产品可靠性的作用大小来确定其重要度。需要强调的是，确定相对重要程度的过程非常重要，如果专家们只是简单地给出这些孔位特征的权重，很可能导致最后的评价结果偏离实际，难以用于指导生产实践。为了避免这种主观赋权的可能后果，同时也为了方便采纳专家意见，这里仍然使用模糊方法确定孔位特征的相对重要度。

尽管对于大多数产品的制造过程来讲，孔位特征一般都比较多，而且每个孔位特征的加工过程都有不止一个影响因素（包括既影响该孔位特征也影响其他孔位特征的因素），因此总的影响因素的数量比较多。应用上述计算的步骤看似比较繁琐，但是除开专家判断比较耗时之外，集成方法并不复杂，在计算机的辅助下可以很快获得评价结果。

4. 结束语

在产品制造完成交付用户之前，很难准确评价机械制造过程是否确实保障了产品的可靠性。根据类似产品的可靠性数据和关键孔位特征加工数据的比较，通过收缩预备检验估计量对批量产品的可靠性进行预计，进而算得产品可靠性指标的估计值，将其与目标值比较来评定制造过程是否能够保障产品可靠性。可以为设计和改进工艺路线、缩短开发周期、生产符合可靠性要求的产品提供有效参考。

参考文献

[1] 樊少华. 基于模糊理论的数控车床可靠性分配[D]. 吉林大学.2011

[2] 孙永全. 系统可靠性增长预测理论与方法研究[D]. 哈尔滨理工大学.2011 [3] 何俐萍. 基于可能性度量的机械系统可靠性分析和评价[D]. 大连理工大学.2010