張勝文，朱玉龍，張健

(江蘇科技大學現(xiàn)代制造技術(shù)研究所，江蘇鎮(zhèn)江212003)

質(zhì)量是企業(yè)永恒的主題，是企業(yè)實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展、在未來競爭中取得勝利的法寶［1］。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加客戶滿意度，就要進行質(zhì)量管理。在各種質(zhì)量管理方式中，工序過程質(zhì)量管理有著舉足輕重的地位，加工工藝直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。工序質(zhì)量在產(chǎn)品生產(chǎn)中的作用如圖1 所示。

圖1 工序質(zhì)量在產(chǎn)品生產(chǎn)中的地位

然而，目前的質(zhì)量活動主要追蹤離線狀態(tài)下的產(chǎn)品全生命周期的質(zhì)量數(shù)據(jù)，如文獻［2 －4］。這些質(zhì)量數(shù)據(jù)雖然覆蓋了所有的質(zhì)量活動，但不特定針對產(chǎn)品加工工藝，聯(lián)系工藝設(shè)計過程的數(shù)據(jù)分析手段比較落后。也沒有一種將質(zhì)量管理方法專門用于產(chǎn)品工藝設(shè)計優(yōu)化的技術(shù)。

作者從工序質(zhì)量分析入手，研究了一種基于工序質(zhì)量信息的切削參數(shù)優(yōu)化技術(shù)。通過采用兩種工序質(zhì)量分析方法，找出存在異常的工序和產(chǎn)生工序異常的支配性因素，為切削參數(shù)的優(yōu)化提供對象和范圍。

1 工序質(zhì)量分析方法

產(chǎn)品質(zhì)量受到人 (Man)、機 (Machine)、料(Material)、法 (Methods)、環(huán) (Environment)、測(Measurement)6 個因素 (5M1E)的影響［5］。為了對產(chǎn)品切削參數(shù)進行優(yōu)化，就必須將人、機、料、環(huán)、測對工序質(zhì)量的影響消除掉，只考慮切削參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。為了解決這一問題，作者提出兩種工序質(zhì)量分析的方法:橫向工序質(zhì)量分析法和縱向工序能力分析法。

1.1 橫向工序質(zhì)量分析法

橫向工序質(zhì)量分析法就是通過控制圖分析質(zhì)量特性值，找到質(zhì)量波動異常的工序，然后通過檢索工藝庫，查找與異常工序加工機床、材料、工藝內(nèi)容大致相同，而切削參數(shù)部分相同、部分不同的工序，對二者進行方差分析，查看差異切削參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響水平。如果影響效果是顯著的，則需要對不相同的這部分切削參數(shù)進行優(yōu)化，如果影響效果不顯著，則需要對相同的這部分切削參數(shù)進行優(yōu)化。

方差分析包括單因素方差分析和多因素方差分析［6］，由于多因素方差分析需要多個水平分別組合條件下的實驗數(shù)據(jù)，實際加工過程中往往比較難查找全。因此，文中采用單因素方差分析，不論有幾個切削參數(shù)不同，都將其合起來看作一個因素。例如，對于工序A1、工序A2，二者切削速度v、每齒進給量fz不同，而軸向切深ap和徑向切深ae相同，方差分析時將v、fz合起來看作因素A。

1.2 縱向工序能力分析法

縱向工序能力分析是指對形成同一最終質(zhì)量的各個工序進行工序能力分析，查看工序能力是否處于同一水平上，并且呈現(xiàn)穩(wěn)步增長趨勢。通常情況下，某一產(chǎn)品尺寸是由多道工序共同完成的，例如外圓加工要經(jīng)過粗車、半精車、精車等工序，這些工序的工序能力應大致處于同一水平上，并且精度要求高的工序其工序能力應比精度要求低的工序略高，否則會使得質(zhì)量穩(wěn)定性降低、質(zhì)量損失增大。因此，對形成同一質(zhì)量特性的多個工序進行工序能力分析，可以找出工序能力異常的工序，并通過經(jīng)驗分析找出需要改進的切削參數(shù)，為工藝優(yōu)化提供支持。

2 切削參數(shù)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化數(shù)學模型

進行工藝優(yōu)化時，需要綜合考慮生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量等因素，與切削參數(shù)密切相關(guān)的優(yōu)化目標包括切削時間、加工成本、加工質(zhì)量等。而根據(jù)切削時間可以確定加工成本，因此優(yōu)化目標可以由切削時間和加工質(zhì)量兩部分組成。實際加工中，切削參數(shù)也受到多種條件的限制，上述的過程質(zhì)量分析技術(shù)也會給切削參數(shù)優(yōu)化的方向提供一些約束，因此，切削參數(shù)優(yōu)化是多目標約束優(yōu)化［7］。上述過程質(zhì)量信息分析技術(shù)為優(yōu)化模型提供了設(shè)計變量和部分約束條件，下面以v、fz為設(shè)計變量具體講解銑削切削參數(shù)優(yōu)化模型。

式中:T(x)表示切削時間函數(shù)，R(x)表示粗糙度函數(shù)，F(xiàn)Z表示切削力，P 表示機床額定功率，η 表示機床傳動效率，n 表示主軸轉(zhuǎn)速，Z 表示銑刀齒數(shù)，F(xiàn)y表示徑向力，Lw是工件在兩支承間的長度，τ 表示變形量，T 表示刀具壽命。

2.2 優(yōu)化方法

采用適應性權(quán)重遺傳算法對優(yōu)化模型進行優(yōu)化，其流程圖如圖2 所示。

圖2 適應性權(quán)重遺傳算法流程圖

適應性權(quán)重方法［7］根據(jù)新種群中個體的適應值大小來調(diào)整權(quán)重值，以獲得朝向正理想點的搜索壓力。優(yōu)化模型中各個目標函數(shù)的權(quán)重值計算過程如下:

式中:Fmkax和Fmkin分別是當前種群中第k 個目標的最大值和最小值。

根據(jù)權(quán)重確定目標函數(shù)后，還需要根據(jù)約束條件確定適應性罰函數(shù)［8］:

3實 例分析

選取分析對象:船用柴油機連桿小端面銑削工藝。選取12 組加工記錄，繪制ˉX － R 控制圖如圖3所示。

圖3 － R 控制圖

觀察控制圖可以發(fā)現(xiàn):ˉX 控制圖中有兩點落在控制線外，R 控制圖連續(xù)7 點呈現(xiàn)下降趨勢?？梢哉J定工序處于非統(tǒng)計控制狀態(tài)，即工序存在異常。選取同一型號連桿的分開面銑削工序，對比發(fā)現(xiàn)二者切削速度v 和每齒進給量fz不同，而徑向切削深度ae和軸向切削深度ap相同，對兩者的加工檢驗數(shù)據(jù)進行方差分析，分析結(jié)果如表1 所示。

表1 方差分析表

設(shè)定a = 0.1，查F 分布表得F (1，36) =2.84，由于F ＞2.84，所以認為在a =0.1 水平上因素A 是顯著的，即兩種工序不同切削參數(shù)v、fz是影響質(zhì)量異常波動的主要原因。因此，需要對v、fz進行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果如表2 所示。

表2 切削參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)論

提出一種基于工序質(zhì)量信息的切削參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，為工藝優(yōu)化研究擴展了新思路。同時，針對這種新的切削參數(shù)優(yōu)化方法提出了兩種新的質(zhì)量分析方法。首先通過控制圖查看工序是否存在異常，如果存在異常采用橫向工序質(zhì)量分析，如果工序處于穩(wěn)定狀態(tài)可以使用縱向工序能力分析，找出需要優(yōu)化的切削參數(shù)和優(yōu)化約束條件，應用適應性權(quán)重遺傳算法，對切削參數(shù)進行優(yōu)化。

【1】夏建中.制造業(yè)質(zhì)量管理信息化研究規(guī)劃與實踐［J］.中國質(zhì)量，2005(10):70 －72.

【2】楊曉兵.大型鑄件鑄造過程質(zhì)量溯源系統(tǒng)研究及應用［D］.重慶:重慶大學，2008.

【3】MOE T. Perspective on Traceability in Food Manufacture［J］.Trends in Food Science and Technology，1998，9(5):211 －214.

【4】鄧軍.面向產(chǎn)品生命周期的全面質(zhì)量管理系統(tǒng)建模及實現(xiàn)技術(shù)研究［D］.杭州:浙江大學，2009.

【5】梁國明.IS0900 族標準常用統(tǒng)計技術(shù)方法43 種［M］.北京:中國標準出版社，2004.

【6】李衛(wèi)紅，楊練根.質(zhì)量統(tǒng)計技術(shù)［M］.北京:中國計量出版社，2006.

【7】DEB K. Optimization for Engineering Design:Algorithms and Examples［M］.New Delhi:Prentice-Hall of India Private Limited，2005.

【8】玄光男，程潤偉.遺傳算法與工程優(yōu)化［M］.于歆杰，周根貴，譯.北京:清華大學出版社，2004.