李麗 武照云

1、河南職業(yè)技術學院汽車工程學院 2、河南工業(yè)大學機電工程學院

超硬磨具是指用人造金剛石或立方氮化硼超硬磨料所制成的磨具，是磨具的一大系列[1]。超硬磨具因其硬度高、磨損少、使用周期長、磨削溫度較低、磨削比高等優(yōu)點，常被廣泛地應用在瑪瑙、光學玻璃、半導體材料、石材等非金屬材料和高釩高速鋼等金屬加工中。我國磨料磨具產(chǎn)量及消耗量巨大，然而生產(chǎn)這些超硬磨具的大多是中小型磨具制造企業(yè)。這些企業(yè)大多存在企業(yè)信息化程度不高、研發(fā)投入較少、管理粗放、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，嚴重阻礙了我國超硬磨具行業(yè)的發(fā)展。

目前在機械產(chǎn)品設計、制造、分析等過程中，有很多數(shù)字化輔助設計技術，如CAD、CAM、CAPP、CAE等。這些技術目前能很好地應用于一般機械產(chǎn)品的外觀設計、力學性能分析、仿真實驗中。因為磨具是由磨料、基體、結(jié)合劑和潤濕劑按一定配方配料，再經(jīng)過混料、成型、干燥、燒結(jié)、精加工等一系列工藝生產(chǎn)出的，正是工藝的獨特性無法將機械零件的CAD/CAM/CAPP等技術及軟件系統(tǒng)直接應用于磨具設計過程中。

我國工業(yè)化進程加快，也對現(xiàn)代制造業(yè)的磨切工具及其技術發(fā)展提出了更高的要求。通過信息化手段提高中小型超硬磨具制造企業(yè)技術發(fā)展和管理水平具有非常重要的現(xiàn)實意義。本文闡述了如何設計并開發(fā)適用于中小型超硬磨具制造企業(yè)的超硬磨具設計與生產(chǎn)管理集成化系統(tǒng)。

1 超硬磨具制造過程分析

超硬磨具生產(chǎn)要經(jīng)過原材料選擇、成型料配制、成型、干燥、燒結(jié)、精加工、檢驗等工藝流程[2]。在生產(chǎn)過程中，常存在的問題主要有：（1）超硬磨具配方參數(shù)的設計。配方參數(shù)的合理準確性決定了超硬磨具的性能和客戶滿意度，常用的配方設計方法有經(jīng)驗法、因素輪換法、正交試驗法和回歸分析法[3-5]。（2）超硬模具制造工藝參數(shù)智能優(yōu)化。在傳統(tǒng)生產(chǎn)中，制造工藝往往采用經(jīng)驗法進行人工選擇，不能有效揭示各工藝參數(shù)之間的關聯(lián)性，難以有效保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。（3）超硬磨具制造過程質(zhì)量控制?，F(xiàn)階段我國中小型超硬磨具制造企業(yè)普遍存在質(zhì)量穩(wěn)定性較低、生產(chǎn)過程廢品率較高、制造成本偏高等問題。究其原因，主要是目前大多數(shù)中小型超硬磨具制造企業(yè)仍然采用傳統(tǒng)的事后檢驗質(zhì)量控制方法，其職能僅是在產(chǎn)品制造完成后進行合格與否的檢驗。只依靠事后檢驗的質(zhì)量控制方法已不能適應當前企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的要求，必須將質(zhì)量控制貫徹到生產(chǎn)的全過程中。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

針對中小型超硬磨具制造企業(yè)特點和信息化需求，著力攻克超硬磨具設計與生產(chǎn)中存在的超硬磨具配方參數(shù)設計、工藝參數(shù)智能優(yōu)化和制造過程質(zhì)量控制等技術難題，本文以VS.NET為開發(fā)平臺，設計并開發(fā)了適用于中小型超硬磨具制造企業(yè)的超硬磨具設計與生產(chǎn)管理集成化系統(tǒng)。主要功能模塊有原料選擇模塊、成型料配制模塊、成型模塊、燒結(jié)模塊、精加工模塊等。按照數(shù)據(jù)層、應用層和界面層的三層體系架構(gòu)原則[6]，對系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進行了設計，如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 關鍵技術

3.1 超硬磨具配方參數(shù)的設計

采用線性回歸分析法對基于磨具組成材料成份配比參數(shù)進行了設計，建立了結(jié)合劑含量A、成型密度參數(shù)γ、粘合劑含量D和濕潤劑含量R與磨具名義硬度X之間的數(shù)學模型，實現(xiàn)了科學的配方設計[7]。

式中：y—結(jié)合劑含量A、成型密度參數(shù)γ、粘合劑含量D或濕潤劑含量R；

n—指數(shù)，試驗點數(shù)減去1；

Ai—回歸系數(shù)；

x—磨具的名義硬度。

考慮到配方中各組成材料之間的相互作用與耦合對磨具硬度的影響，再按線性回歸方法建立方程。

x=β0+β1A+β2γ+β3D+β4R

式中：β0、β1、β2、β3、β4為回歸系數(shù)。

利用上述線性回歸分析法，建立磨具配方參數(shù)的回歸設計方程；根據(jù)磨具設計的不同要求，推導各配方項的數(shù)據(jù)量計算方法，因此建立磨具配方參數(shù)的改進回歸設計方法。

3.2 超硬磨具制造工藝參數(shù)智能優(yōu)化

根據(jù)超硬磨具的制造工藝過程，將混料、成型、燒結(jié)、精加工等各工藝參數(shù)進行分類，深入分析各工藝參數(shù)之間的關聯(lián)性以及多種因素的綜合作用結(jié)果，結(jié)合實際試驗數(shù)據(jù)與統(tǒng)計結(jié)果分析，探究各工藝參數(shù)對磨具質(zhì)量和性能的綜合作用機理及其影響規(guī)律。結(jié)合生產(chǎn)過程中的經(jīng)濟成本、技術要求、能源消耗、設備動力等其他要求，建立制造工藝參數(shù)的優(yōu)選機制。根據(jù)工藝參數(shù)的優(yōu)選機制，建立相應的工程應用數(shù)據(jù)庫，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法原理，分別構(gòu)建輸入層/輸出層/隱藏層模型、神經(jīng)元模型、傳播算法、學習規(guī)則、訓練機制等，進而建立基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的磨具制造工藝參數(shù)智能優(yōu)化方法。

3.3 基于SPC的超硬磨具制造過程質(zhì)量控制與預警

SPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：質(zhì)量信息采集、計算機數(shù)據(jù)處理和SPC報警三部分。操作人員將采集到的SPC的控制對象數(shù)據(jù)輸入計算機，計算機負責數(shù)據(jù)處理與分析，并對工序加工狀態(tài)進行監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)某個工序異常，則把信息傳遞給SPC報警裝置，報警裝置再將信息反饋到相應的工藝過程，操作人員收到報警后立即分析查找導致工序失控的原因，這樣可以避免上道工序的質(zhì)量偏差傳遞到下道工序中，進而達到控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

為了將質(zhì)量控制貫徹到生產(chǎn)的全過程中，構(gòu)建“自檢+首檢+巡檢+末檢”的車間質(zhì)檢模式，根據(jù)檢驗指標類型，確定每一個檢驗指標對應的SPC控制圖類型（計量值型控制圖或計數(shù)值型控制圖），根究指標檢驗結(jié)果，自動繪制并生成SPC控制圖。根據(jù)質(zhì)檢信息點的分布位置與變化趨勢，借助概率統(tǒng)計原理，定義SPC控制圖的異常波動模式及對應的預警值。根據(jù)檢驗指標預警值集合及各指標影響關系，采用指標預警值加權方法和閾值參數(shù)定義，建立“工序級—車間級—工廠級”的多層次預警機制。

3.4 超硬磨具設計與生產(chǎn)管理集成化系統(tǒng)開發(fā)

基于上述系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與關鍵技術分析，以VS 2010為系統(tǒng)開發(fā)平臺，選取C#為程序設計語言，以SQL Server 2008為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，設計并開發(fā)了超硬磨具設計與生產(chǎn)管理集成化系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能模塊有磨具設計模塊（包括原料選擇、成型料配制、燒結(jié)等工序）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理模塊、生產(chǎn)過程規(guī)劃模塊、車間管理模塊、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控模塊等。通過實際應用，有效提高了企業(yè)生產(chǎn)管理的信息化水平。

4 結(jié)論

綜合運用C#.NET、SQLServer、VS.NET等技術，開發(fā)了適用于中小型超硬磨具制造企業(yè)的超硬磨具設計與生產(chǎn)管理集成化系統(tǒng)，將生產(chǎn)中的配方設計、工藝參數(shù)選擇和質(zhì)量控制與生產(chǎn)工藝流程結(jié)合，提高了該類企業(yè)的技術水平和信息化管理水平。本文采用的系統(tǒng)開發(fā)方案與技術路線，對于其他同類型的制造業(yè)信息化軟件系統(tǒng)具有一定的參考借鑒意義。