朱正德
(大眾動(dòng)力總成(上海)有限公司 上海 201805)
設(shè)備能力驗(yàn)證也稱機(jī)器能力驗(yàn)證,是指制造設(shè)備自身所具有的滿足產(chǎn)品質(zhì)量(如零件的尺寸等質(zhì)量特性值)的能力,對(duì)于在批量生產(chǎn)條件下的機(jī)加工設(shè)備顯得尤為重要。由于順應(yīng)了現(xiàn)代制造業(yè)的需要,自20世紀(jì)90年代以來,采用以機(jī)器能力指數(shù)Cm、Cmk作為定量評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)備能力驗(yàn)證方法已在國際上流行,并被越來越多的國內(nèi)外企業(yè)所采用。一般說來,批量生產(chǎn)條件下的制造設(shè)備在以下三種情況下需進(jìn)行能力驗(yàn)證:一、在新設(shè)備的驗(yàn)收過程中;二、在對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控時(shí),為查明生產(chǎn)過程運(yùn)行異常的原因而進(jìn)行的分析;三、在對(duì)機(jī)床設(shè)備進(jìn)行大修時(shí),用作設(shè)備維修后的驗(yàn)收依據(jù)。
按規(guī)定的要求抽取樣本是進(jìn)行設(shè)備能力驗(yàn)證、即求得機(jī)器能力指數(shù)的基礎(chǔ),見表1。
表1 設(shè)備能力驗(yàn)證的抽樣要求
多數(shù)情況下,作為隨機(jī)變量的被測(cè)量被認(rèn)為是服從正態(tài)分布規(guī)律的,尤其對(duì)于通過連續(xù)采集方式取得的樣本。此時(shí),樣本的算術(shù)平均值x和標(biāo)準(zhǔn)偏差s分別反映了被測(cè)量隨機(jī)樣本實(shí)際分布的位置所在和其分散性,而由于樣本中的個(gè)體出現(xiàn)在±3s范圍以外的概率只占0.027%,可以忽略不計(jì),因此認(rèn)為正態(tài)分布的分散性,即分布寬度是±3s。機(jī)器能力指數(shù)即被定義為被測(cè)參數(shù)公差與隨機(jī)樣本分布寬度之比,因此,對(duì)上述正態(tài)分布,當(dāng)被測(cè)參數(shù)為雙向公差時(shí),就有:
式(1)適用于被測(cè)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分布中心與其公差中心重合時(shí)。所謂公差中心,就是所規(guī)定的被測(cè)量中間值,只有在這個(gè)條件下,Cm=T/6?s才有意義。因?yàn)橛烧龖B(tài)分布的性質(zhì)可知,當(dāng)兩個(gè)中心重合時(shí),如Cm=1,表明將有99.73%的產(chǎn)品被測(cè)量特性值會(huì)落在公差 T 范圍以內(nèi)而成為合格品;當(dāng) Cm<1時(shí),廢品率增加;而Cm>1時(shí),廢品率減少,所以 Cm值的概念很明確。但是,實(shí)際上這個(gè)條件是難于滿足的。以機(jī)械加工為例,工件尺寸的分布中心,一般取決于設(shè)備的調(diào)整和其他一些因素,而要把設(shè)備調(diào)到使兩個(gè)中心重合很不容易。事實(shí)上,兩中心或多或少都存在偏離,無論左偏還是右偏,都將導(dǎo)致廢品率增加,從而相當(dāng)于降低了機(jī)器能力指數(shù) Cm,故按式(1)求取的機(jī)器能力指數(shù) Cm需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正。令偏離量為Bi,Bi可由前面求出的平均值和被測(cè)量的理論中間值、即公差中心值Xs得到經(jīng)修正后的機(jī)器能力指數(shù)用Cmk表示:
式(2)中的 K稱為修正系數(shù)或偏離系數(shù),其值為K=2Bi/T。
故(2)式也可以表達(dá)為
從式(2)和(2′)可看出,只要兩中心不重合,就有Cmk<Cm,導(dǎo)致機(jī)器能力指數(shù)下降。只有Bi=0時(shí),才能使Cmk=Cm。實(shí)際求取時(shí),式(2′)往往被改寫成更加直觀的形式
由于正態(tài)分布曲線是對(duì)稱的,故不論左偏、右偏,只要偏離量相同,對(duì)合格品率減少、廢品率增加的影響也相同,也就是造成 Cm值降低的程度是相同的。
當(dāng)被測(cè)參數(shù)為單向公差時(shí)
式(4)中,前一個(gè)對(duì)應(yīng)于被測(cè)量為單向上公差的情況,后一個(gè)對(duì)應(yīng)于被測(cè)量為單向下公差的情況。
現(xiàn)今,企業(yè)界已形成的一個(gè)共識(shí)是,當(dāng)產(chǎn)品的質(zhì)量特性值為單向公差時(shí),進(jìn)行設(shè)備能力驗(yàn)證只需用到能力指數(shù)Cmk,而不需要Cm值。原因是單向公差大量存在于如加工外徑、內(nèi)孔等場(chǎng)合,操作者為求保險(xiǎn),也出于刀具使用方面的考慮,對(duì)前者往往向公差的上限靠,而對(duì)后者則向公差的下限靠。這種不按公差中心加工的現(xiàn)象不但不會(huì)改變制作出的工件的合格性,反而對(duì)整批產(chǎn)品的配合狀態(tài)產(chǎn)生影響,從而降低了質(zhì)量水平。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度觀察,則是人為地造成了正態(tài)分布中心的偏移,即所謂的“偏態(tài)分布”。在這種情況下,相應(yīng)的機(jī)床設(shè)備的機(jī)器能力指數(shù) Cm值再高也沒有意義。為了有效地制約這種現(xiàn)象帶來的實(shí)際影響,故在這類情況下的評(píng)定指標(biāo)主要采用Cmk。
上述用于機(jī)器能力驗(yàn)證的方法雖然很嚴(yán)謹(jǐn),但在實(shí)際執(zhí)行過程中,不僅要在零件的加工和檢測(cè)中花去大量時(shí)間,在物力上,工件的消耗和加工中刀具的消耗方面也很可觀。基于這樣的考慮,提出了關(guān)于對(duì)被驗(yàn)收設(shè)備的可調(diào)整性能和達(dá)到額定設(shè)備能力的可能性所進(jìn)行的預(yù)評(píng)估的設(shè)想和方法。
現(xiàn)今,企業(yè)所配備的用于批量生產(chǎn)條件下的機(jī)加工設(shè)備,無論是應(yīng)用越來越廣泛的加工中心,還是各類高效專用機(jī)床,其功能均在不斷提升,如加工設(shè)備中的一把刀具都需要加工多個(gè)特征參數(shù)。這樣在正式的設(shè)備能力驗(yàn)收之前,了解該機(jī)床到底有否相應(yīng)的調(diào)整能力,也就顯得越發(fā)重要了。下面所介紹的,正是建議在將機(jī)床調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)之后, 先通過采用被稱為“首件判斷”的方法,對(duì)加工出的第一個(gè)工件,依據(jù)公差最佳利用原則先進(jìn)行一次預(yù)評(píng)估,這樣就能科學(xué)地、有效地對(duì)被驗(yàn)收機(jī)床設(shè)備的可調(diào)整性能進(jìn)行一次驗(yàn)證。
圖1所示給出了在采用“首件判斷法”時(shí)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。當(dāng)被測(cè)量、即質(zhì)量特性值具有雙邊公差時(shí),被驗(yàn)收機(jī)床所加工出的第一個(gè)工件的實(shí)測(cè)值必須處于以中心為對(duì)稱的25 %的壓縮公差帶內(nèi);而當(dāng)被測(cè)量為單向公差時(shí),首件實(shí)測(cè)值需從單向公差帶的下限算起,寬度在相當(dāng)于全部公差帶62.5 %的壓縮區(qū)里。只有在滿足了以上條件時(shí),才能認(rèn)為已完成了被驗(yàn)收機(jī)床設(shè)備的可調(diào)整性能的預(yù)評(píng)估,提高了再進(jìn)行下一步機(jī)器能力驗(yàn)證時(shí)的把握。
圖1 采用“首件判斷法”時(shí)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則
前面已經(jīng)解釋了為什么有必要對(duì)被驗(yàn)收設(shè)備能否達(dá)到額定的設(shè)備能力進(jìn)行預(yù)評(píng)估,確實(shí),按要求完成整個(gè)的流程、步驟,工作量將是很大的。為此,可以通過使用一種簡單有效的方法,即在機(jī)床設(shè)備正式驗(yàn)收前,先利用其連續(xù)加工的5個(gè)工件對(duì)該設(shè)備做一次機(jī)器能力的預(yù)評(píng)估。通過近似估算,可提前發(fā)現(xiàn)能力不足的情況,這樣就能避免做耗時(shí)費(fèi)力的無效勞動(dòng)。這種稱為“5件預(yù)評(píng)”的方法,能預(yù)測(cè)被驗(yàn)收設(shè)備的能力水平,并且可以做到:(1)通常情況下,若機(jī)器能力參數(shù)可以近似地估算出這 5 0件樣本的極差Rtotal約在公差(T)的50%%以內(nèi),即:Rtotal<50%%T;(2)如果最終50件樣本的極差 RRtotal<50%T ,那么其中任意的連續(xù)的5件樣本的極差R5parts通常應(yīng)該小于5%T,即:R5pparts<25% TT。
如圖2所示,利用成熟的Q_DAS公司的統(tǒng)計(jì)分析軟件,可以通過對(duì)上述5件樣本的實(shí)測(cè)值,相當(dāng)方便、快捷地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并以直觀的曲線圖形和表格的形式,作出相應(yīng)的評(píng)價(jià)。
圖22 利用“5件預(yù)評(píng)法”來預(yù)測(cè)設(shè)備的能力水平
在現(xiàn)代制造業(yè)、尤其是在以汽車為代表的具備批量生產(chǎn)條件的企業(yè),有不少鮮明的工藝特點(diǎn)。其中之一就是工藝規(guī)劃上廣泛采取了在同一道工序(同一個(gè)工位)中配置多臺(tái)相同的機(jī)床設(shè)備,可以是不同類型的專用機(jī)床,也可以是各類加工中心。另外,即使是在一臺(tái)機(jī)床設(shè)備中,往往也會(huì)存在二個(gè)、甚至多個(gè)工件(裝)夾具或主軸。面對(duì)這樣的情況,德國Q_DAS公司從統(tǒng)計(jì)學(xué)原理和加工設(shè)備的實(shí)際情況出發(fā),提出了一套加快機(jī)器能力驗(yàn)證進(jìn)度的有效方法。而少數(shù)知名的大型汽車企業(yè)(集團(tuán))如德國大眾,憑借其豐富的經(jīng)驗(yàn)積累,也提出了相應(yīng)的加速設(shè)備能力評(píng)定的實(shí)用方法。由于這類規(guī)范都是出于企業(yè)實(shí)踐和運(yùn)行的考慮,故簡捷、方便,可操作性很強(qiáng)。
圖3所示是由德國Q_DAAS公司推出的加快機(jī)床設(shè)備能力驗(yàn)證的方法示意。從圖3可以看到,4臺(tái)完全相同的機(jī)床,完成工藝所提出的對(duì)零件的加工要求。此時(shí),可遵循以下的驗(yàn)收流程:
(1)對(duì)該工位上的第一臺(tái)機(jī)器(M11),應(yīng)按照正常情況下,即第一節(jié)中所介紹的、慣用的設(shè)備驗(yàn)收程序進(jìn)行機(jī)器能力驗(yàn)證。也就是說,利用其連續(xù)加工的50個(gè)工件以及對(duì)它們逐個(gè)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù),經(jīng)處理后求取Cm和Cmk,作為對(duì)其評(píng)價(jià)的依據(jù)。
(2)如果這臺(tái)機(jī)器(其他幾臺(tái)也一樣)有兩個(gè)裝夾位置,或者有兩根相同主軸,那么可以按分別在每個(gè)裝夾位置上生產(chǎn)出25個(gè)零件,或由每根軸各加工225個(gè)工件,形成2個(gè)樣本,再分別根據(jù)對(duì)它們實(shí)測(cè)值的數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行設(shè)備能力評(píng)價(jià)。
(3)在對(duì)該工位上的第二臺(tái)機(jī)器(M22)進(jìn)行驗(yàn)收時(shí),采取先加工5個(gè)工件,再按前面介紹的“5件預(yù)評(píng)”的方法,檢查其均值與極差是否滿足要求。如果“5件預(yù)評(píng)”的結(jié)果為合格,就可進(jìn)入到下一步驟,即把這5件預(yù)評(píng)的數(shù)據(jù)與第一臺(tái)機(jī)器做能力測(cè)試時(shí)得到的數(shù)據(jù)予以合并,重新評(píng)價(jià)Cm/Cmk。如果符合要求,就說明第二臺(tái)機(jī)器的設(shè)備能力為合格,那么就沒有必要再按慣用方法在該機(jī)床上繼續(xù)加工零件作為測(cè)試樣本了;如果以上評(píng)定的結(jié)果為不合格,那就必須按照正常情況下的設(shè)備驗(yàn)收程序進(jìn)行機(jī)器能力驗(yàn)證,以最終確定該臺(tái)機(jī)器的狀態(tài)。
(4)對(duì)第三臺(tái)(M3)、第四臺(tái)(M4)機(jī)器的快速驗(yàn)收方法,情況類似于上述第二臺(tái)(M2),區(qū)別僅在于前一臺(tái)機(jī)器能力測(cè)試時(shí)得到的數(shù)據(jù)樣本大小不是50,而分別是55和60。
圖3 德國Q_DAS公司的加快機(jī)床設(shè)備能力驗(yàn)證方法示意圖
近年來,在現(xiàn)代制造業(yè)一些以中、小零件批量生產(chǎn)為主的企業(yè)生產(chǎn)線中,選用復(fù)雜系統(tǒng)的加工中心機(jī)床的情況漸多,其特點(diǎn)是設(shè)備采用了多工件裝夾位置、多動(dòng)力頭以及多個(gè)加工托盤等方式,從而大大地提高了工作效率。圖4所示是此類高效機(jī)床幾種典型配置的示意圖。很顯然,對(duì)于這樣的設(shè)備,若還是沿用前述的傳統(tǒng)驗(yàn)收方法將難以應(yīng)對(duì),理由如下:(1)如果以一臺(tái)機(jī)床為驗(yàn)收單位,即利用其連續(xù)加工的50個(gè)工件作為樣本,在處理后進(jìn)行能力驗(yàn)證,那評(píng)定的結(jié)果很有可能會(huì)是不理想甚至不合格的。原因是所采集的樣本乃是混合了不同裝夾位置或動(dòng)力頭加工出來的工件,其分散性必然較大。由于與被驗(yàn)收設(shè)備的實(shí)際情況不符,得出的評(píng)價(jià)結(jié)果也無意義。(2)如果按照加工中心每個(gè)加工位置或狀態(tài)來做樣本采集,并據(jù)此作為機(jī)床驗(yàn)收的依據(jù),則將因?yàn)槊媾R極其復(fù)雜的工況所帶來的巨大工作量而幾乎無法進(jìn)行。圖4中,假如M1~M4正好是某條高效生產(chǎn)線上一字排列的四臺(tái)設(shè)備,分別使被加工的零件擁有9×2、6×3、4×2、4×2等44種工況。若按規(guī)范的驗(yàn)收程序,僅僅需連續(xù)加工、采集的零件數(shù)目就達(dá)到2 200件,企業(yè)難以承受。
圖4 幾種有著復(fù)雜系統(tǒng)的加工中心機(jī)床的典型配置示意圖
為此,德國Q_DAS公司也推出了相應(yīng)的加快這類機(jī)床設(shè)備能力驗(yàn)證的方法,其要點(diǎn)為:
(1)確保在每臺(tái)機(jī)床上的每個(gè)裝夾位置加工3~15個(gè)工件;
(2)確保在同一時(shí)刻,每臺(tái)機(jī)床上的每個(gè)裝夾位置都處于滿載狀態(tài);
(3)確保機(jī)床的每個(gè)動(dòng)力頭至少加工出50個(gè)工件。
下面例舉的是一個(gè)既滿足了上述三點(diǎn)要求,又是消耗工件和工時(shí)最少的驗(yàn)收方案:
可以看出,在以各臺(tái)機(jī)床上的每個(gè)動(dòng)力頭加工出的50個(gè)工件作為樣本并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)處理后,即可對(duì)該設(shè)備(M1~M4)做出評(píng)價(jià)。
不過,Q_DAS公司也指出,上述這種快速驗(yàn)證方法多少存在著風(fēng)險(xiǎn),因此建議用在機(jī)床設(shè)備的預(yù)驗(yàn)收階段比較合適。
客觀地說,能力驗(yàn)證方法與發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等總成廠所采用機(jī)床設(shè)備的驗(yàn)收關(guān)系并不大,這是由企業(yè)生產(chǎn)的零件的性質(zhì)決定的。但即使對(duì)于德國Q_DAS公司所推出的通用性較強(qiáng)的方法,少數(shù)知名的企業(yè)(集團(tuán))如德國大眾等,也在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)踐和完善。以下就是一個(gè)完整的方案:(1)以每臺(tái)設(shè)備上連續(xù)加工的50個(gè)工件作為樣本,雙軸機(jī)床則由每根軸各加工25個(gè)工件,形成二個(gè)樣本,再逐個(gè)測(cè)量后,利用Q_DAS軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;(2)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后的得到機(jī)器能力指數(shù),按以下標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被驗(yàn)收設(shè)備作出評(píng)價(jià):當(dāng)工件的被測(cè)參數(shù)為雙邊公差時(shí),需達(dá)到Cm≥2.0, Cmk≥1.67;當(dāng)工件的被測(cè)參數(shù)為單邊公差時(shí),需達(dá)到Cmk≥1.4;對(duì)于鉆頭一類的所謂“無補(bǔ)償?shù)毒摺?,需達(dá)到 Cm≥2.0,Cmk≥1.33。
究竟是否認(rèn)為通過,主要取決于 Cm值:如果此時(shí)其中的關(guān)鍵被測(cè)參數(shù)不能達(dá)到Cmk的要求,則需對(duì)刀具進(jìn)行調(diào)整(甚至更改刀具設(shè)計(jì)),然后進(jìn)行連續(xù)5件測(cè)量,所有的實(shí)測(cè)值應(yīng)都在公差的80%范圍內(nèi);如果其中的非關(guān)鍵被測(cè)參數(shù)不能達(dá)到Cmk的要求,則在Cmk大于1.0的情況下,就不需要再采取其他措施了,即可作為通過處理;如果Cmk還不能達(dá)到1. 0時(shí),則需對(duì)刀具進(jìn)行調(diào)整(甚至更改刀具設(shè)計(jì)),然后再進(jìn)行連續(xù)5件的測(cè)量,要求所有的實(shí)測(cè)值都在公差的100%范圍內(nèi)。
“加速”設(shè)備能力驗(yàn)證方法很實(shí)用,操作起來很簡捷。在實(shí)施方案時(shí),當(dāng)同一工位擁有多臺(tái)相同機(jī)床,并需要加工多種型號(hào)的工件時(shí),執(zhí)行設(shè)備能力驗(yàn)證可以遵循以下原則:
1)“全覆蓋”原則
(1)每臺(tái)設(shè)備都需要對(duì)其中的一種型號(hào)的工件進(jìn)行規(guī)范的樣本為50(或25)的設(shè)備能力驗(yàn)證,并根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果,按上述第2點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)予以評(píng)定。
(2)對(duì)于其他型號(hào)的工件,則只需對(duì)加工出的5件進(jìn)行測(cè)量并評(píng)價(jià),指標(biāo)為:①關(guān)鍵被測(cè)參數(shù)位于80%公差范圍內(nèi);②其他被測(cè)參數(shù)位于100%公差范圍內(nèi)。
2)“具體處理”原則
到底選哪種型號(hào)的工件做規(guī)范的設(shè)備能力驗(yàn)證,完全由承擔(dān)驗(yàn)收的各方經(jīng)討論后按不同情況具體處理。
3)“區(qū)別對(duì)待”原則
主要指象曲軸生產(chǎn)線中的磨床這類設(shè)備。在執(zhí)行設(shè)備能力驗(yàn)證時(shí),每臺(tái)設(shè)備都需對(duì)所有型號(hào)的工件進(jìn)行規(guī)范的樣本為50的測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析。
[1] Edgar Dietrich and Alfred Schulze Statistical Procedures for Machine and Process Qualification[C].America:Amercia Society Quality (QASQ) Press,1999.
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