加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法的研究（上）
2017-6-30 來源：吉林大學 作者：譚壯
摘要 ：產品的可靠性是由設計、制造、裝配、管理等多個因素決定的。目前以加工中心為代表的數控機床可靠性研究主要集中在可靠性設計、可靠性建模、可 靠性試驗以及故障分析等方面，尚未涉及到數控機床零部件制造工藝可靠性的研究。主軸箱體是加工中心關鍵零部件之一，研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法，不僅有利于減少加工中心主軸箱體制造工藝故障的發生，而且能夠保障加工中心整機的可靠性水平，并為研究其它類型數控機床零部件的制造工藝可靠性保障方法提供參考。 本文以加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法為研究內容，給出了加工中心主軸箱體制造工藝可靠性定義及其評價指標，應用工藝 FMECA 方法針對可能發生的工藝故障制定改進措施，應用控制圖分析方法發現制造過程中的異常因素并將其排除，從而預防工藝故障的發生，建立關鍵工序質量控制點預防制造過程異常因素的發生。本文主要研究內容如下：
1.分析了加工中心主軸箱體的結構及其在加工中心整機中的作用，說明了不同型號加工中心主軸箱體在制造工藝上的相似性。給出了加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的定義以及用于評價加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的指標體系，并詳細描述了各個評價指標的含義與計算方法。
2. 應用工藝 FMECA 方法對加工中心主軸箱體制造過程進行分析，為了解決數據不足的問題，本文將風險優先數定為評判原則對以故障原因為單位的工藝故障模式應用梯形模糊數評判方法，得出各工藝故障模式的風險程度排序，并將排序較高的工序確定為薄弱工序，對加工中心主軸箱體整個制造工藝系統進行綜合評判，確定出系統風險等級，為是否有必要實施改進措施提供依據。
從而預防工藝故障的發生，再將異常樣本數據排除從而生成控制用控制圖，用于監測加工中心主軸箱體后續制造過程的波動情況。
4. 對加工中心主軸箱體制造過程中的薄弱工序或某些特殊關鍵工序建立關鍵工序質量控制點，提出了加工中心主軸箱體制造過程一般關鍵工序和特殊關鍵工序的定義以及確定關鍵工序需要采用的方法，分析了與加工中心主軸箱體制造過程密切相關的 5M1E 因素，并針對各個因素制定了相應的控制文件，描述了建立及管理關鍵工序質量控制點的方法與流程。
本文從多個角度逐層加深的對加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法進行了研究，因而能夠適應機床制造企業的生產需求，具有較強的應用價值。
關鍵詞： 加工中心主軸箱體，制造工藝可靠性，工藝 FMECA，模糊評判，控制圖分析，MATLAB-GUI，關鍵工序質量控制點
第 1 章 緒論
1.1 研究背景
機械制造業作為國民經濟的重要基礎產業，為航空航天、航海、電力運輸、高速鐵路、汽車生產等多個行業提供了儀器儀表和生產設備等工具[1]。機械制造業是“中國制造 2025”興國戰略中的關鍵領域，其發展狀況直接決定中國能否從制造大國轉變為制造強國。機械制造裝備的先進程度是機械制造業發展水平的決定性因素，數控機床作為制造裝備中的典型代表，在過去的幾十年中得到了很大的展，我國也連續多年位居世界機床產量的榜首，為國民經濟建設做出了重大的貢獻[2-3]。 即便近年來國內經濟增速放緩，我國機床產值仍然高于世界上其他國家，同時機床消費值占世界機床總消費值的比例很大，遠遠超過其它發達國家。如圖 1.1、圖 1.2 所示，2014 年中國機床產值只是稍稍領先日本與德國，但是消費值以及進口值則與其余四個國家的總和相當，其中機床消費值占世界總消費值的 31%，雖然機床出口值增幅高達 18.1%，但是出口總量相比日本、德國等發達國家差距依然很大[4-6]。我國機床進口值連續多年占機床消費值的 40%左右，并且國內中高端數控機床市場長期由國外進口機床所霸占，這也說明我國機床產業當前依然處于大而不強的境地[7]。
加工中心是一種具有使用范圍廣、技術先進以及發展速度快等特點的數控機床，其總產值占世界機床產值的 1/6 左右并將逐年高速增長[8]。雖然以加工中心為代表的數控機床在國家科技攻關計劃以及國家科技重大專項等政策的支持下得到了發展，尤其是在多軸聯動化、高精度化、高速化、柔性化等方面取得了很大的進步，但是與日本、德國等發達國家的數控機床產品相比依然存在差距[9-10]。尤其是在機床可靠性及功能、性能維持能力方面，國產數控機床相比國際知名品牌機床產品落后明顯，這也成為了制約國產數控機床技術發展以及占有更多市場的關鍵因素[11]。因此為了提高包括加工中心在內的國產數控機床可靠性，縮短與國際機床產品的性能差距，應當從設計、制造、裝配、使用以及維護保養等方面進行研究，從而提高國產數控機床市場占有率，實現制造強國的目標[12]。
圖 1.1 2014 年主要國家機床消值及進出口值
圖 1.2 2014 年主要國家機床消費比例
1.2 課題來源
本文所研究的課題來源于“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項課題“千臺國產加工中心可靠性提升工程”（2013ZX04011-012）和“重型機床可靠性試驗與評價方法研究（2014ZX04014-011）。
1.3 論文研究目的和意義
加工中心在國內多個制造領域需求量很大，但由于國產加工中心可靠性低，企業通常只在不重要的中低端制造環節使用國產加工中心，而關鍵制造環節通常采用進口產品。然而很多發達國家在我國進口高檔加工中心時附加了各種限制條件，如限定購買數量、限定使用維修地點和人員等等，這些條件不僅增加了企業的采購成本也影響了企業的生產節拍。目前我國民用、軍用行業對國外高檔數控機床產品的依賴度很高，嚴重制約了我國在國際上擁有更多的話語權，因此提升包括加工中心在內的國產數控機床的可靠性迫在眉睫。 加工中心由主軸箱體、主軸、床身、刀庫、工作臺、立柱等零部件和液壓系統、氣動系統、數控系統等組成，各零部件的設計、制造、裝配水平將直接影響到加工中心整機的可靠性。目前國內外對加工中心可靠性的研究主要集中在產品的設計、試驗、維修等階段，但制造是實現產品設計的過程，也是直接影響到產品質量的重要環節，所以研究零部件制造工藝可靠性保障方法對于保障加工中心整機可靠性具有重要的意義。鑒于主軸箱體是承載主軸的關鍵件，其制造水平將直接影響到加工中心的可靠性、精度及精度維持能力，在加工中心零部件中具有一定的特殊地位，因此研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法，不僅有利于減少加工中心主軸箱體制造工藝故障的發生，降低企業在制造過程中的經濟損失，保障加工中心整機可靠性水平，而且能夠為研究其它類型數控機床零部件的制造工藝可靠性保障技術提供參考。
1.4 國內外發展及研究現狀
1.4.1 加工中心國內外發展現狀
1.4.1.1 加工中心國外發展現狀
上個世紀四十年代初至五十年代末，在成功研制出數控銑床并將其應用到生產實際的基礎上，美國研發出了世界上第一臺加工中心[13-14]。德國、日本等國家也在這個時間段相繼研制出了自己的第一臺數控機床，也成為了他們后續壟斷高檔數控機床領域的基礎。上個世紀七十年代，加工中心在國外多個行業得到了廣泛應用并受到了越來越多的重視，其技術也得到了廣泛的普及。得益于近些年電子、計算機、造型設計等技術的快速發展，加工中心在制造精度、切削速度、人機交互、外觀造型等方面取得了很大的進步。目前以德國、日本、美國等發達國家的高檔產品為代表，加工中心已經演變成了具有觀賞性外觀同時又涉及機械、電子、液壓等多方面技術的高度自動化機電液產品（如圖 1.3 所示德國 DMG 機床集團生產的加工中心）。
圖 1.3 德國 DMG 機床集團生產的加工中心
1.4.1.2 加工中心國內發展現狀
我國研究數控機床技術的時間較早，在上個世紀五十年代末開始研發數控銑床，并于六十年代初成功研制出屬于自己的第一臺加工中心[15]。然而國內研發水平低下、制造能力不足以及國外的技術封鎖等原因，造成了包括加工中心在內的國產數控機床在 1979 年之前近乎沒有得到任何大的發展。從國家的“六五”規劃開始，通過引進和吸收國外發達國家先進機床技術，國產數控機床技術取得了一定的進步并開始受到重視。經過國家改革開放政策后，制造業得到了飛速的發展同時促進了國產數控機床技術取得了更大的進步，并在國內各行各業中應用的更加廣泛。雖然目前國產加工中心年產量已經超過 4 萬臺，并保持著高速增長的勢頭，但是市場占有率卻僅為 30%左右，在高端機床市場幾乎得不到市場的認可。因此為了提高數控機床可靠性縮短與國外產品的差距，我國將包括加工中心在內的數控機床可靠性研究定為重點攻關領域，并提出在“十三五”規劃結束時包括加工中心在內的數控機床平均故障間隔時間（MTBF）達到 2000 小時的戰略目標。
1.4.2 加工中心可靠性國內外研究現狀
1.4.2.1加工中心可靠性國外研究現狀
可靠性理論發展于上個世紀三十年代末，指的是產品在規定條件下及規定時間內完成規定功能的能力，通常用可靠度衡量產品的可靠性水平[16-17]。加工中心可靠性理論是伴隨著數控機床可靠性理論的發展而發展[13]。 國外不僅研制數控機床的時間較早，而且將可靠性理論應用于數控機床包括加工中心的時間也早于我國。1963 年，Milton C. Shaw[18]研究了能夠使機床壽命周期內的經濟性達到最高的優化算法。1967 年，W.A. Knight[19]在文獻中對機床因切削工件而產生的振動性能開展了研究，提出了評估和預算機床穩定性的方法。以上學者雖然沒有直接提出機床可靠性的研究術語，但是他們所研究的內容都與可靠性密切相關。1975 年，T.S Sankar[20]評估了主軸系統在隨機切削載荷下的可靠性水平，是早期直接與數控機床可靠性理論相關的研究成果之一。1982 年，A.Z. Kelle[21]等研究學者采用威布爾分布以及對數正態分布理論對數控機床的可靠性和維修性進行了數學建模。雖然早期學者對數控機床包括加工中心的可靠性進行了相關研究，但沒有形成理論體系。蘇聯在 20 世紀 70 年代對數控機床可靠性理論開展了專門的研究，并出版了相關學術專著，是后期建立包括加工中心在內的數控機床可靠性理論體系的重要基礎[22]。由于國外機床企業對產品質量的高度重視，數控機床包括加工中心的可靠性問題通常由企業內部進行解決并作為商業機密，因此專門的科研機構對于數控機床可靠性的研究較少，這也是難以查閱國外相關先進研究成果的重要原因。 目前，國外關于數控機床包括加工中心的可靠性研究多數集中在可靠性建模以及維修性等方面。數控機床壽命分布模型的建立方法主要是采用威布爾分布模型、指數分布模型以及正態分布模型等。S. Tanaka[23]在考慮到尺度參數與形狀參數存在關聯性的情況下，研究出威布爾分布尺度參數的快速估計方法。此外，D.M. Brkich Stephen Shifley 等[24-25]也對威布爾分布模型進行了研究擴展，使其在可靠性研究領域中應用更加廣泛。除了威布爾分布模型之外，離散事件樹方法、蒙特卡洛方法、Petri 網建模方法等也廣泛應用在可靠性建模理論中。然而目前國外關于數控機床零部件制造工藝可靠性的研究成果幾乎沒有。
1.4.2.2 加工中心可靠性國內研究現狀
國內可靠性理論研究時間相比國外較晚。直到 20 世紀 80 年代，我國才開始研究加工中心可靠性理論。從“八五”規劃開始，數控機床包括加工中心的可靠性研究得到了國家的重視，并在“九五”規劃結束時將其平均故障間隔時間（MTBF）提高了 2 倍達到 500-600 小時。吉林大學是國內較早開展數控機床包括加工中心可靠性研究的單位，隨著國家科技重大專項對數控機床可靠性支持力度的加大，越來越多的企業和科研院所開始對數控機床可靠性進行研究。 目前，國內對包括加工中心在內的數控機床可靠性理論的研究已經取得了很多成果。許彬彬[26]考慮不同維修程度對數控機床的影響建立了數控機床整機及子系統的可靠性模型。申桂香等[27]運用了熵權法對加工中心可靠性評價指標包括平均故障間隔時間（MTBF）、平均首次故障時間（MTTFF）、當量故障率 D 分配權重，從而得到加工中心可靠性的客觀評價結果。邵娜等[28]利用物元可拓模型對數控機床的子系統包括液壓、電氣等進行可靠性評價。張根保等[29]研究了對數線性比例強度理論模型，并運用該理論對數控機床在不完全維修情況下的可靠性進行了評估。李小兵[13]提出了針對故障發生時間的加工中心可靠性建模方法，并且對加工中心在受到切削負荷影響時的可靠性水平進行了評估。魏領會等[30]利用Petri 網模型和蒙特卡洛仿真分析理論對數控機床可用度進行建模與仿真分析。以上學者的研究成果主要集中在加工中心可靠性建模及評價方面，具有一定的研究深度。 除了可靠性建模及評價之外，國內學者在可靠性試驗、故障分析等方面同樣取得了很多研究成果。肖俊等[31]將模糊理論應用到了數控機床可靠性分配模型中，并綜合考慮了可靠性分配準則，為數控機床可靠性設計研究提供了參考。蔣敬仁[32]對加工中心盤式刀庫的可靠性試驗方法進行了研究，對企業以及科研院所制定加工中心盤式刀庫可靠性試驗規范具有一定參考價值。方杰[33]對加工中心的載荷譜進行了研究，依據加工中心切削載荷編制出了相應的速度譜、切削力譜以及切削扭矩譜，對加工中心可靠性試驗具有指導意義。上述研究成果主要集中在機床可靠性試驗方面，也是目前機床可靠性研究中最為常見的試驗方法。段煒[34]對加工中心盤式刀庫換刀系統的故障模式進行了研究，并提出了相應故障預警方法。李加明[35]研究了加工中心鏈式刀庫和機械手的模塊化可靠性分配方法，并對鏈式刀庫和機械手的傳動系統運用了動作可靠性設計。程曉民等[36]分析了加工中心發生的早期故障，并建立了加工中心早期故障間隔時間的數學模型，為加工中心可靠性改進提供了重要的依據。這些研究成果主要集中在加工中心可靠性設計、故障分析以及可靠性評估方面。 通過總結上述研究成果，可以發現目前國內學者在數控機床可靠性設計、可靠性建模、可靠性試驗以及故障分析等方面已經取得了很多研究成果，但同樣是尚未涉及數控機床零部件制造工藝可靠性的研究。
1.4.3 制造工藝可靠性國內外研究現狀
1.4.3.1制造工藝可靠性國外研究現狀
目前國外對于制造工藝可靠性已經進行了研究，并取得了一定的成果但尚未涉及數控機床類的產品。Bruno Bosacchi[37]將模糊邏輯理論應用到了微電子質量控制系統中，并提出三種保障產品可靠性的方法，分別是優化產品部件質量、提高生產過程成品率以及盡早考慮產品可能發生的可靠性問題。William Q. Meeker等[38]將多種統計方法，如六西格瑪設計等應用于產品研發制造階段的可靠性分析中。上述研究都是從宏觀角度提出一些解決問題的措施，而并沒有具體落實到某個產品的生產過程中。Kanchan Kumar Das[39]認為整個制造系統受到制造設備可靠性的影響很大，并以生產費用為約束對制造系統可靠性數學模型進行了優化，但并未從保障所生產的產品符合設計要求的角度進行研究。
此外，許多學者都是從提高產品可靠性的角度保障制造過程可靠性，而單獨針對制造過程可靠性研究的理論較少。Michael Pecht 等[40]認為物理失效模型的研究理論與成果可以用于產品的制造過程中，從而達到提高產品可靠性的目的。Taeho Kim 和 Way Kuo[41-42]建立了半導體生產線成品率與產品可靠性的關系模型，并認為與設計過程、制造過程以及操作過程相關的參數是影響產品成品率與可靠性的主要因素。這些學者的研究主要是對產品的物理失效機理進行分析，研究領域也是主要集中在半導體等電子器件領域。Angus Jeang 等[43]研究了產品使用時間與制造方法以及制造誤差之間的關系，并建立了產品壽命周期經濟性的優化模型。Biren Prasad[44]從提高產品壽命周期經濟性的角度對制造企業的管理進行了優化。Om Prakash Yadav[45]將 Bayes 方法與模糊理論相結合，利用產品設計與制造過程中的定性信息，從而實現對產品可靠性的預計。Carlos Adrino Rigo Teixeira[46]將客戶評價結果、故障樹分析結果以及一些定性方法應用于產品可靠性提升中，并在汽車離合器的生產中運用了相關理論。這些學者雖然分析了制造過程與產品壽命周期或者產品可靠性的關系，說明了制造過程的重要性，但并未針對具體產品的制造過程進行研究。Seiichi Nakajima[47]在日本工業界推行全員生產維護的概念，在實際生產應用中取得了很好的效果并得到了業界內的認可。B. M. Hsu[48]在無法得到產品精確的加工尺寸時,運用模糊方法對產品制造工序能力指數進行了評估。上述研究成果雖然是以產品制造過程為研究對象，但是研究角度較為單一。
1.4.3.2制造工藝可靠性國內研究現狀
目前國內對于制造工藝可靠性的研究同樣取得了一定的成果但也均未針對數控機床類產品進行專門的研究。趙天旭等[49]研究了集成電路可靠性與制造成品率之間的關系，并認為集成電路的失效由多種原因引起，這些原因包括溫度、化學過程、電路以及機械制造等，并說明了機械制造過程對集成電路可靠性的影響。孫繼文等[50]認為制造系統可靠性受產品質量的影響，并利用產品特征測量值、系統故障要素與性能衰退的相互影響建立了相關模型，從而實現對制造系統可靠性定量分析的目的。范文貴[51]分析了小批量生產中存在的數據信息不足的問題，并運用貝葉斯理論對小批量生產建立質量控制模型，從而減少建模對數據量的依賴。余忠華等[52]運用貝葉斯理論對產品工序質量建立了動態控制模型，并將其應用到汽輪機的葉片制造工序中，證明了該方法的應用價值。上述研究成果主要針對的是質量控制模型的建立，但是未提出保障產品制造過程符合設計要求的具體措施。王麗穎等[53]提出了對影響生產工序的因素進行柔性編碼的方法，從而能夠適應生產中靈活性與標準性的需要，并運用了相似制造論對相似工序分組，從而解決小批量生產中數據不足的問題。
許多學者將統計過程控制與診斷技術應用到了產品制造過程的質量控制中。劉春雷等[54]將多品種小批量生產中結構相似的產品建立分組，運用正態分布等數據轉換方法解決了樣本數據不足的問題，并利用動態控制圖監測加工過程是否存在異常情況。樂清洪[55]研究了人工智能技術在產品工序質量控制中的應用，分析了智能統計過程控制和質量預測控制存在的主要問題及解決方案。陳志強等[56]對產品生產過程中定性質量指標運用模糊理論，從而能夠對其建立控制圖進行生產過程質量監測，并擴展了控制圖的應用領域。劉艷永等[57]將兩種質量診斷理論與多元累積和控制圖相結合，并運用實例對其研究成果進行了說明。上述研究成果主要是對控制圖分析進行了研究，并提出了解決小批量生產過程數據不足的方法。
此外一些學者研究了關鍵工序的確定方法以及降低制造工藝故障發生率等相關理論。楊承先等[58]采用層次分析法（AHP）確定出關鍵工序質量控制點，并將其理論應用到液壓挖掘機的生產過程中。周東君等[59]對傳統多層次分析法進行了改進，并將其應用到軍械器材關鍵工序質量控制點的監控上。張曼[60]對小批量產品試制過程建立了有向圖模型，確定出關鍵工序節點，并利用分析軟件 NWA繪制了移動極差控制圖，進一步檢測了關鍵工序的穩定性。上述研究成果針對制造過程關鍵工序的確定方法進行了研究，從而能夠針對性的實施相關的保障性措施，但并未針對具體的保障措施開展研究。孫靜[61]分析了接近零不合格過程概念的發展歷程，并提出了實現這一概念的理論體系，但是研究方法較為宏觀且過于理論，還需要進一步細化研究。蔣平[62]提出了制造工藝可靠性的定義以及評價指標，并將產品的孔位特征作為制造工藝可靠性的主要考察對象，對工藝可靠性的主要影響因素進行了分析判別，提出了工藝可靠性的建模與評定方法。但是以產品孔位特征作為產品可靠性指標的決定性因素值得商榷，其研究方法不能適用于所有機械制造產品，而且其理論較為復雜，對于企業而言具有較大的實施難度。
雖然目前國內外制造工藝可靠性的研究成果并未針對數控機床零部件且存在某些方面的局限性，但可以為加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法的研究提供一定的參考。加工中心主軸箱體的生產分為單件小批量生產和大批量生產兩種，單一的制造工藝可靠性保障理論并不一定能夠適用，此外理論結構過于復雜則不利于機床企業開展具體的實施工作，因此在研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法時應當考慮到上述情況。
1.5 論文主要研究內容
本文結合“千臺國產加工中心可靠性提升工程” （2013ZX04011-012）和“重型機床可靠性試驗與評價方法研究”（2014ZX04014-011）國家科技重大專項課題的研究內容及長期在機床制造企業的實踐經歷，以便于企業實施為重要原則，從多個角度并逐層加深的對加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法進行研究，本文研究內容的邏輯結構如圖 1.4 所示，本文主要研究內容如下：
第 1 章 緒論。了解目前國內外加工中心發展現狀和加工中心可靠性的研究現狀，得出目前加工中心零部件制造工藝可靠性的研究尚處于起步階段。總結國內外其他產品的制造工藝可靠性研究現狀及其不足，提出加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法的研究思路和主要內容，并說明其研究意義。
第 2 章 加工中心主軸箱體制造工藝可靠性定義及評價指標。分析加工中心主軸箱體的結構及其在加工中心整機中的作用，說明不同型號加工中心主軸箱體在制造工藝上的相似性。提出加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的定義，同時提出用于評價加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的指標體系，并詳細描述各個評價指標的含義與計算方法。
第 3 章 基于模糊評判的加工中心主軸箱體制造工藝 FMECA。介紹加工中心主軸箱體制造工藝 FMECA 實施流程，為了解決數據不足的問題，本文將風險優先數定為評判原則，對以故障原因為單位的工藝故障模式應用梯形模糊數評判方法，從而得出各工藝故障模式的風險程度排序，再對加工中心主軸箱體整個工藝系統進行綜合評判，確定出系統風險等級，為是否實施改進措施提供依據。
第 4 章 加工中心主軸箱體制造過程控制圖分析及軟件編制。介紹控制圖分析方法的原理以及加工中心主軸箱體制造過程控制圖分析流程，利用 MATLAB-GUI（圖形用戶界面）編制加工中心主軸箱體制造過程 x ?s 控制圖分析軟件，該軟件能夠準確快速計算樣本數據、繪制分析用 S 圖和 x 圖、判斷出加工中心主軸箱體制造過程是否存在異常，通過對異常因素和異常樣本數據的排除可以生成相應的控制用控制圖，用于監測加工中心主軸箱體制造過程的波動情況。
第 5 章 加工中心主軸箱體制造過程關鍵工序質量控制點。提出了加工中心主軸箱體制造過程一般關鍵工序和特殊關鍵工序的定義，以及確定關鍵工序需要采用的方法。說明了加工中心主軸箱體制造過程關鍵工序質量控制點的內容，分析了與加工中心主軸箱體制造過程密切相關的 5M1E 因素，并針對各個因素制定相應的控制文件，描述了建立以及管理關鍵工序質量控制點的方法。
第 6 章 總結與展望。對本文的主要工作進行總結并對課題的未來研究方向進行展望。
圖1.4 論文的邏輯結構
第 2 章 加工中心主軸箱體制造工藝可靠性定義及評價指標
為了便于研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的保障方法，本文對加工中心主軸箱體制造工藝可靠性進行了定義并提出相應的評價指標。在 2.1 節中介紹了加工中心主軸箱體的結構及其在加工中心整機中的作用，結合企業的加工實例介紹了加工中心主軸箱體制造工藝流程，在 2.2 節中提出了加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的定義，在 2.3 節中提出了加工中心主軸箱體的主要評價指標，并描述了各個評價指標的含義與計算方法。建立的指標體系能夠全面評價加工中心主軸箱體制造工藝可靠性，為是否需要實施制造工藝可靠性保障方法提供決策依據，也為驗證制造工藝可靠性保障方法的有效性提供考核依據。 2.1 加工中心主軸箱體結構及其制造工藝
2.1.1 加工中心主軸箱體結構
加工中心是一種具有兩種或者兩種以上加工方式并能自動換刀的數控機床[63]。根據主軸空間布置形式的不同可以分為臥式加工中心和立式加工中心（如圖2.1、圖 2.2 所示），臥式加工中心的主軸平行于工作臺，而立式加工中心的主軸垂直于工作臺。在對加工中心進行可靠性研究時，通常將其劃分為基礎部件、機床附件、主軸系統、液壓系統等子系統，其中主軸系統包括了主軸箱體、主軸、主軸軸承、電機等。
圖 2.1 臥式加工中心
圖2.2 立式加工中心
加工中心主軸箱體是承載主軸的關鍵零件，同時與立柱的滾珠絲杠裝配連接。主軸箱體的制造質量將會直接影響到其與主軸、電機、軸承等的裝配質量，從而影響到整機的可靠性水平。加工中心主軸箱體的結構與多種因素相關，包括主軸的傳動形式、絲杠傳動數量、主軸尺寸等。如果主軸傳動形式為齒輪傳動，則主軸箱體上需要有相應的電機孔、傳動軸孔以及主軸孔；如果主軸傳動形式為帶傳動，則主軸箱體上不需要傳動軸孔；如果主軸為電主軸，則主軸箱體上不需要具有電機孔及傳動軸孔。根據絲杠傳動數量的不同，主軸箱體上相應的布有不同數量的絲杠連接孔。此外，主軸箱體上還會布有潤滑管路連接孔、導軌面等。圖 2.3所示為某型號臥式加工中心主軸箱體，圖 2.4 所示為某型號立式加工中心主軸箱體。
圖 2.3 某型號臥式加工中心主軸箱體
圖 2.4 某型號立式加工中心主軸箱體
2.1.2 加工中心主軸箱體制造工藝
雖然不同形式的加工中心主軸箱體在主軸孔、傳動軸孔、電機孔、絲杠連接孔的相對位置關系上存在一定不同，但是從制造工藝的角度分析，臥式加工中心主軸箱體與立式加工中心主軸箱體均可看作是需要進行面孔加工的箱體類零件，工藝過程具有較大的相似性。
工藝過程指的是直接改變生產對象相關性能的過程，這些性能包括了物理性能、化學性能、尺寸、形狀以及相對位置關系等，某些工作如裝夾、測量等雖然不是直接改變生產對象的物理性能、化學性能、尺寸、形狀以及位置關系，但是這些工作與加工過程密切相關而且無法割離，因此這些工作也歸屬到工藝過程的范疇中；工藝過程的種類較多，包括機械加工、沖壓、熱處理等工藝過程；工序是組成產品制造工藝過程的基本部分，也是企業制定生產計劃及核算生產成本的基本單元[64]。因此本文將工序定為研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法的基本單元。
在制定加工工序的順序時，通常有如下原則：先進行定位基面的加工，后進行其他表面加工；先進行粗加工，后進行精加工；先進行主要表面加工，后進行次要表面加工；先進行平面加工，后進行孔的加工。但是工序順序的制定在考慮到上述原則時也需要綜合考慮企業生產設備的安放位置、生產成本、生產調度等其他因素，從而才能制定出符合企業自身情況的合理工序順序。 加工中心主軸箱體的毛坯為鑄件，制造精度尤其是主軸孔的制造精度要求較高，有些型號加工中心主軸箱體體積較大，裝夾費時費力（如圖 2.5 所示），運輸困難，存在一定的加工難度。本文以某機床企業的主軸箱體為例（見圖 2.6）介紹其制造工藝流程（見表 2.1，只保留加工內容），為了便于理解各工序的作用，本文將該型號加工中心主軸箱體的工序按加工位置不同或者功能不同進行了分類（見表 2.2）。因涉及企業機密，圖 2.6 中未注明尺寸參數，表 2.1 中工序內容除技術要求外，其余尺寸均為零件圖尺寸，但經過處理并非企業完整的真實數據。
圖 2.5 某型號主軸箱體生產現場
圖 2.6 某型號主軸箱體示意圖
表 2.1 某型號加工中心主軸箱體制造工藝流程
表 2.2 工序分類
2.2 加工中心主軸箱體制造工藝可靠性定義
為了研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法，在對加工中心主軸箱體結構及其制造工藝進行了解后，需要明確加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的定義。國家標準 GJB451A-2005 對可靠性的定義為：產品在規定的時間內以及規定的條件下，完成規定功能的能力[65]。雖然可靠性的定義是統一的，但是由于產品的差異，對各種產品的可靠性進行定義時也應存在區別。目前國內外相關學者雖然從多種角度提出了制造工藝可靠性的定義，但并沒有一個得到了廣泛的認同[62]。對于加工中心主軸箱體制造工藝可靠性而言，可靠性定義中的產品指的是加工中心主軸箱體制造工藝，可靠性定義中的功能指的是制造完成的加工中心主軸箱體應符合設計要求。
綜合考慮可靠性的定義以及目前國內外學者提出的制造工藝可靠性定義，結合加工中心主軸箱體制造過程的特點，本文從制造過程符合規定要求能力的角度，對加工中心主軸箱體制造工藝可靠性定義如下：在規定的制造時間內和規定的制造條件下，加工中心主軸箱體制造工藝過程符合規定生產要求的能力。定義中規定的制造時間指的是生產前所指定的任務完成時間，其可以是加工前規定的某個工序完成時間也可以是整個工藝流程完成時間，或者是其他某個任務所需要的完成時間；規定的制造條件指的是加工中心主軸箱體加工過程中所涉及到的因素包括生產環境、工件材料、生產設備、生產人員、工藝方法、測量等；規定生產要求指的是加工所依據的技術要求，包括設計圖紙、制定的工藝要求等。本文提出的加工中心主軸箱體制造工藝可靠性定義強調了整個工藝過程要符合規定要求，即制造完成的加工中心主軸箱體不僅符合設計圖紙的要求，而且制造過程中每道工序也應符合工藝要求，即制造過程中每個操作均應符合工藝要求中的所有內容。
2.3 加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評價指標
2.3.1 加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評價指標的確定
為了便于評價加工中心主軸箱體制造工藝可靠性，需要制定相應的制造工藝可靠性評價指標。薄弱工序指的是評價指標不符合規定要求或者具有不符合規定要求的風險較大的制造工序，因此根據制造工藝可靠性評價指標的評價結果可以確定出加工中心主軸箱體制造過程中的薄弱工序，從而可以有針對性的采取制造工藝可靠性保障方法。目前國內外不僅沒有被一致認可的制造工藝可靠性定義，而且也沒有被一致認可的制造工藝可靠性評價指標。數控機床可靠性評價指標有平均故障間隔時間 MTBF、平均首次故障間隔時間 MTTFF、平均修復時間 MTTR等[66]；蔣平[62]提出制造工藝可靠性指標體系包括工藝穩定性、工藝自修正性、工藝遺傳性、工藝故障平均維修時間等。為了制定出合理的加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評價指標，本文參考了數控機床可靠性評價指標以及目前相關學者的研究成果，同時綜合考慮了加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的定義。
加工中心主軸箱體制造工藝可靠性與多種因素相關，包括生產環境、工件材料、生產設備、生產人員、工藝方法、測量等，而這些影響因素對制造工藝可靠性的影響可以通過工序或者工件完成的時間、工藝故障發生的概率、工藝穩定程度等體現出來，此外制定的加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評價指標應具有可計算性、適用性、完備性等要求[67]。根據上述情況的討論，本文提出的加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評價指標如圖 2.7 所示，具體的指標有工藝可靠度、工藝故障風險優先數、工藝穩定性、平均工藝故障間隔時間、平均工藝故障修復時間、合格工序平均完成時間、單個合格工件平均完成時間及其他指標。
圖 2.7 加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評價指標
2.2.3 加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評價指標的計算方法
2.2.3.1 工藝可靠度
工藝可靠度是衡量加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的總體指標，是對加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的概率度量，也是研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性模型的重要指標。工藝可靠度 R(t) 可以用式 2.1 表示。
2.2.3.2工藝故障風險優先數
工藝故障風險優先數用 RPN 表示，從工藝故障嚴酷度 S 、工藝故障發生概率O 、工藝故障被檢測難度 D 三個角度對制造工序發生的工藝故障模式進行評價，S 、O 、D 的評分標準可參考相應的國家軍用標準，具體內容參見本文的第三章，RPN 的計算方法為
2.2.3.3 工藝穩定性
表 2.3工序能力指數
2.2.3.4 平均工藝故障間隔時間
平均工藝故障間隔時間（ PFMTBF 或CBFT）應用于工藝故障可修復的加工中心主軸箱體制造工藝過程中，工藝故障是指產品制造過程中因未按規定要求而引起的故障。在規定時間和條件下，加工中心主軸箱體制造過程中發生 N 次工藝故障，每次經過修復便可繼續生產作業，假設連續按照規定要求進行生產作業的時間為1t ， 2t ，......， Nt ，則平均工藝故障間隔時間為
式 2.5 中T 表示加工中心主軸箱體按照規定要求進行生產作業的總時間。
2.2.3.5 平均工藝故障修復時間
平均工藝故障修復時間（ PFMTTR 或CCTT）指的是將加工中心主軸箱體制造過程中發生的工藝故障修復到正常狀態下所需要的平均時間。假設在規定時間和
式 2.6 中T 表示加工中心主軸箱體發生工藝故障總的修復時間。
2.2.3.6 合格工序平均完成時間
合格工序平均完成時間（ MQPCT 或PCTT）指的是某個加工中心主軸箱體制造工序最終完成合格的加工作業所需要的平均時間，是衡量該工序加工作業效率的重要標準，也是綜合評價加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的重要指標之一。MQPCT 不僅包括了工藝故障修復時間，還包括加工過程涉及到的其它時間如加工設備的維修保養時間、操作人員的誤工時間、正常加工作業所需要的時間等。假設在規定時間和條件下，某工序最終完成合格加工作業的加工中心主軸箱體數量為 N ，每個加工中心主軸箱體最終合格完成該工序所用的加工作業時間為1t ，2t ，......， Nt ，則合格工序平均完成時間為
2.2.3.7 單個合格工件平均完成時間
單個合格工件平均完成時間（ MQWCT 或WCTT）指的是整個制造工藝流程完成單個合格加工中心主軸箱體所需要的平均時間，是衡量整個工藝流程生產效率的重要標準，也是綜合評價加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的重要指標之一。MQWCT 指標可以與成品率綜合使用，為考核整個制造工藝流程是否達到企業要求提供參考。假設在規定時間和條件下，完成合格的加工中心主軸箱體數量為 N ，合格完成每個加工中心主軸箱體零件所用的時間為1t ， 2t ，......， Nt ，則單個合格工件平均完成時間為
需要說明的是：只有在樣本數量比較大的情況下（通常要求樣本數量大于30），上述計算方法（2.5）、（2.6）、（2.7）、（2.8）的計算結果才能較為準確的反映實際情況。對于多品種小批量的加工中心主軸箱體，可以采用相似工序或零件成組的方法進行樣本數量的擴充，并將采集到的質量特性值進行相應的數學轉換[54]，從而保證相關指標計算結果能較為準確的反映實際情況。
2.3 本章小結
本章分析了加工中心主軸箱體的結構及其在加工中心整機中的作用，說明了不同型號加工中心主軸箱體在制造工藝上的相似性，并結合實例介紹了加工中心主軸箱體的制造工藝流程。根據可靠性的定義以及國內外相關學者的研究成果，結合加工中心主軸箱體制造過程的特點，本文從制造過程符合規定要求能力的角度，提出了加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的定義。本章提出了可定量計算的加工中心主軸箱體制造工藝可靠性評價指標，包括工藝可靠度、工藝故障風險優先數、工藝穩定性、平均工藝故障間隔時間、平均工藝故障修復時間、合格工序平均完成時間、單個合格工件平均完成時間等，并描述了各個評價指標的含義與計算方法，從而能夠全面評價加工中心主軸箱體制造工藝可靠性，為是否需要實施制造工藝可靠性保障技術提供依據，也為驗證制造工藝可靠性保障技術的有效性提供了考核依據。本章內容是后續章節能夠針對性研究加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法的重要基礎。
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