基于D-CTFP質(zhì)量控制方法降低模具平坦弧面加工表面粗糙度值

序言D-CTFP質(zhì)量控制方法是由格力電器創(chuàng)造的一種將結(jié)果導(dǎo)向的倒逼機(jī)制應(yīng)用到質(zhì)量管理實(shí)踐中的質(zhì)量技術(shù)創(chuàng)新方法，在源頭預(yù)防、問題發(fā)現(xiàn)、分析研究和解決方案落實(shí)4個(gè)環(huán)節(jié)的循環(huán)反饋中，推動(dòng)質(zhì)量技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新以及產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)改善。

平坦弧面加工過程中，合理的加工參數(shù)、合理的刀具選擇、機(jī)床精度模式的匹配、刀路的理論設(shè)計(jì)精度、過程及輸出檢測手段的各方面都會(huì)影響平坦弧面的表面粗糙度。本文從顧客需求引領(lǐng)、檢驗(yàn)技術(shù)驅(qū)動(dòng)、失效機(jī)理研究和過程系統(tǒng)優(yōu)化4個(gè)方面發(fā)，利用D-CTFP質(zhì)量控制方法，系統(tǒng)科學(xué)地解決降低模具平坦弧面表面粗糙度值的難題，達(dá)到提高平坦弧面表面質(zhì)量、提升客戶滿意度的目的。顧客需求引領(lǐng)（1）了解客戶需求自2019年初以來，拋光工序中頻繁出現(xiàn)洗衣機(jī)面板模具表面加工的表面粗糙度值大、拋光難度大且耗時(shí)長等質(zhì)量問題。為了全面、客觀、準(zhǔn)確地了解拋光工序的相關(guān)需求，首先分三步進(jìn)行調(diào)研和分析：①設(shè)計(jì)調(diào)查問卷，深入現(xiàn)場調(diào)研。②問卷信息分層整理。③綜合確定顧客需求的重要度及優(yōu)先等級(jí)。通過分析問卷數(shù)據(jù)，構(gòu)造判斷矩陣群，進(jìn)行顧客需求總排序，得到的客戶需求權(quán)重排序見表1，繪制出相應(yīng)的扇形統(tǒng)計(jì)圖（見圖1），分析發(fā)現(xiàn)“拋光區(qū)域無拉刀”占顧客需求的重要度最高，對(duì)拋光工序非常重要。表1顧客需求權(quán)重排序圖1顧客需求重要度（2）掌握顧客投訴通過分析2019年第3季度平坦弧面類模具拋光工序中針對(duì)表面粗糙度的投訴次數(shù)，發(fā)現(xiàn)拉刀嚴(yán)重在被投訴的總次數(shù)中占65.3%（見表2）。對(duì)拉刀嚴(yán)重這一異常點(diǎn)做進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)平坦弧面的拉刀現(xiàn)象在所有拉刀異常中所占比例最大，達(dá)到79.0%（見表3）。表2投訴統(tǒng)計(jì)

表3不同區(qū)域出現(xiàn)拉刀異常統(tǒng)計(jì)

（3）確定顧客要求在明確了顧客需求為降低平坦弧面表面粗糙度值的基礎(chǔ)上，應(yīng)用QFD質(zhì)量屋進(jìn)行研究，將調(diào)查得到的顧客要求轉(zhuǎn)化為技術(shù)特征，發(fā)現(xiàn)刀具選擇、刀具參數(shù)設(shè)置、程序細(xì)節(jié)設(shè)置、設(shè)備精度、加工策略選擇、刀具壽命的管控、操作人員的技能水平以及刀具的裝刀長度等因素都會(huì)直接影響平坦弧面的表面粗糙度。通過QFD重要度分析，得出結(jié)論：加工刀具的選擇、加工參數(shù)的設(shè)置、程序細(xì)節(jié)的優(yōu)化和設(shè)備的加工精度的重要度最高，是影響平坦弧面表面粗糙度的主要技術(shù)問題。檢測技術(shù)驅(qū)動(dòng)（1）輸入檢驗(yàn)通過抽查編程自檢記錄，確認(rèn)按現(xiàn)行檢驗(yàn)規(guī)范的要求，執(zhí)行情況無異常，執(zhí)行情況見表4。表4輸入檢驗(yàn)執(zhí)行情況調(diào)

（2）確定檢驗(yàn)要求具體如下所述。1）小組成員發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有加工參數(shù)的設(shè)定是加工的通用標(biāo)準(zhǔn)，沒有以特征加工完成后的表面粗糙度值Ra為導(dǎo)向，下面針對(duì)當(dāng)前參數(shù)設(shè)定能否達(dá)到表面粗糙度要求進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證目的：用單因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)探究現(xiàn)有切削參數(shù)能否達(dá)到表面粗糙度要求。驗(yàn)證方案：按照現(xiàn)有的加工參數(shù)，分別使用常用的刀具φ12R6、φ10R5、φ8R4、φ6R3和φ4R2加工相同的平坦弧面，記錄5種不同刀具特征加工完成后的表面粗糙度情況（見表5），與目標(biāo)Ra對(duì)比如圖2所示。由此可知，加工參數(shù)的設(shè)置合理與否會(huì)影響表面粗糙度。表5現(xiàn)有參數(shù)加工的表面粗糙度

圖2不同刀具加工弧面表面質(zhì)量與目標(biāo)對(duì)比2）加工程序路徑實(shí)際上是由無數(shù)個(gè)點(diǎn)以直線或圓弧形式連接形成的軌跡，點(diǎn)排布越細(xì)化均勻，程序運(yùn)行的軌跡越接近理論模型輪廓，零件的表面質(zhì)量就越好，控制點(diǎn)排列方式的功能稱之為點(diǎn)分布。軟件中點(diǎn)分布有4種類型，包括公差并保留圓弧、公差并替換圓弧、重新分布和修圓。目前點(diǎn)分布的輸出類型都設(shè)置為系統(tǒng)默認(rèn)，下面針對(duì)點(diǎn)分布的輸出類型對(duì)表面加工質(zhì)量的影響進(jìn)行驗(yàn)證。

驗(yàn)證目的：用單因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)探究不同點(diǎn)分布的設(shè)置是否會(huì)影響表面粗糙度。驗(yàn)證方案：僅改變程序中點(diǎn)分布的設(shè)置類型，保證其他因素完全一致，加工后測量多組數(shù)據(jù)，記錄特征加工完成后的表面粗糙度情況（見表6）。由此可知，程序細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的合理與否會(huì)影響表面加工質(zhì)量。表6不同點(diǎn)分布類型加工弧面的表面粗糙度值Ra（單位：μm）系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置為公差并保留圓弧（見圖3a），即按刀具路徑公差來分布節(jié)點(diǎn)，只在指定的修圓控制位置出現(xiàn)圓弧點(diǎn)。路徑點(diǎn)中紅色的節(jié)點(diǎn)段在后處理成NC程序后為直線插補(bǔ)指令，藍(lán)色節(jié)點(diǎn)段則為圓弧插補(bǔ)指令。

a）公差并保留圓弧

b）重新分布

圖3不同點(diǎn)分布設(shè)置的刀路細(xì)節(jié)重新分布（見圖3b）是指控制刀具路徑節(jié)點(diǎn)按指定的點(diǎn)間距細(xì)化并均勻分布，使刀具路徑矢量平滑。重新分布對(duì)高速加工和多軸加工尤為有效，可以提高加工質(zhì)量并縮短加工時(shí)間，是點(diǎn)分布類型設(shè)置的最優(yōu)選擇。3）針對(duì)刀具磨損和機(jī)床精度的檢驗(yàn)執(zhí)行情況做重點(diǎn)檢查，發(fā)現(xiàn)球刀在加工平坦弧面時(shí)，刀具磨損快，機(jī)床的加工精度模式?jīng)]有根據(jù)具體特征的精度要求做具體調(diào)整。下面驗(yàn)證刀具類型的選擇和機(jī)床加工模式的設(shè)置是否會(huì)對(duì)表面加工質(zhì)量造成影響。驗(yàn)證目的1：用單因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)探究刀具的選擇是否會(huì)影響表面加工質(zhì)量。驗(yàn)證方案1：選用2把直徑相同的φ10R1圓鼻銑刀和φ10R5球頭銑刀，在滿足刀具壽命的前提下，加工面積、弧面曲率（以4°為例）等完全一致的平坦弧面，進(jìn)行多組重復(fù)試驗(yàn)并測量其加工區(qū)域的表面粗糙度值，計(jì)算平均值并記錄，結(jié)果見表7。由此可知，刀具的選擇影響表面加工質(zhì)量。

表7不同刀具加工后表面粗糙度值Ra（單位：μm）

驗(yàn)證目的2：用單因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)探究機(jī)床加工模式的不同是否影響表面加工質(zhì)量。驗(yàn)證方案2：機(jī)床加工模式分為精度優(yōu)先、效率優(yōu)先和標(biāo)準(zhǔn)。精度優(yōu)先模式下，又包含5個(gè)精度等級(jí)，一級(jí)精度最高，五級(jí)精度最低。僅改變機(jī)床加工模式，保證其他因素全部一致，加工后測量多組數(shù)據(jù)，記錄表面粗糙度值，結(jié)果見表8。由此可知，機(jī)床加工模式的不同直接影響弧面的表面質(zhì)量。

表8不同機(jī)床加工模式加工弧面的表面粗糙度值Ra（單位：μm）提升檢驗(yàn)技術(shù)根據(jù)以上分析，給出提升檢驗(yàn)技術(shù)的措施。1）以表面粗糙度為加工參數(shù)設(shè)定的目標(biāo)導(dǎo)向，完善刀具模板庫中加工參數(shù)的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。2）優(yōu)化程序設(shè)計(jì)中點(diǎn)分布的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)整點(diǎn)分布輸出類型的默認(rèn)設(shè)置，根據(jù)加工特征的不同調(diào)節(jié)點(diǎn)分布，控制刀具路徑節(jié)點(diǎn)按指定的點(diǎn)間距細(xì)化并均勻分布，使輸出的刀具路徑矢量平滑，從程序設(shè)計(jì)方面減少拉刀、過切等異常情況[5]。3）根據(jù)加工區(qū)域的特征，改進(jìn)刀具選用標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)平坦弧面的加工，運(yùn)用圓鼻刀代替球頭銑刀，使得加工區(qū)域表面質(zhì)量明顯提升，加工效率也顯著提高，其加工數(shù)據(jù)對(duì)比見表9，加工效率公式為式中，S為加工效率（mm2/min），即單位時(shí)間加工面積；P為刀路行距（mm）；vf為進(jìn)給速度（mm/min）；n為刀具轉(zhuǎn)速（r/min）；f為進(jìn)給量（mm/r）。

表9不同銑刀加工數(shù)據(jù)對(duì)比

4）根據(jù)表面粗糙度要求，優(yōu)化機(jī)床加工模式的選用標(biāo)準(zhǔn)。操作員需根據(jù)加工特征的精度要求手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)床的加工模式，人為因素增加了不確定性?，F(xiàn)調(diào)整為由編程員控制，如需打開機(jī)床高精加工模式，則由輸出的程序自動(dòng)控制機(jī)床，減少人為的不確定性因素。5）增加輸出檢測對(duì)表面粗糙度的測量，檢測頻次以異常發(fā)生率為導(dǎo)向。失效機(jī)理研究工件加工表面粗糙度值偏高，分析失效原因，主要存在以下情況：整體刀紋粗糙，表面質(zhì)量差，模型趨勢變化大的區(qū)域易發(fā)生拉刀缺陷，1°～5°平坦弧面易發(fā)生拉刀、振刀和彈刀等缺陷。結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、失效特點(diǎn)與零部件材質(zhì)特性，繪制失效原因樹圖（見圖4）。

圖4失效原因分析1）現(xiàn)有加工參數(shù)設(shè)置缺乏理論和目標(biāo)驗(yàn)證，導(dǎo)致無法滿足零件表面質(zhì)量要求。刀具大小、刀路行距及刀具的進(jìn)給量之間的關(guān)系是影響零件表面粗糙度的關(guān)鍵指標(biāo)。按現(xiàn)有參數(shù)加工的效果見表10。零件理論表面粗糙度值Ra絕大多數(shù)都高于目標(biāo)0.6μm，如果要滿足目標(biāo)表面粗糙度的要求，需重新調(diào)整現(xiàn)有的加工參數(shù)。表10現(xiàn)有的參數(shù)加工效果

在加工效率一定的情況下，表面粗糙度實(shí)際值與理論值的關(guān)系如圖5所示。經(jīng)過實(shí)際測試，加工效率一定時(shí)，當(dāng)?shù)堵沸芯郟與進(jìn)給量f相等時(shí)，零件的表面粗糙度值最低，且實(shí)際測試值和理論值最接近，加工的零件表面質(zhì)量最優(yōu)。

圖5表面粗糙度實(shí)際值與理論值關(guān)系2）機(jī)床加工模式設(shè)置不合理以及程序細(xì)節(jié)不優(yōu)化影響了表面加工質(zhì)量。機(jī)床加工模式：和軟件通過點(diǎn)分布設(shè)置控制理論刀路軌跡精度一樣，機(jī)床在執(zhí)行刀路程序時(shí)也有對(duì)應(yīng)的加工模式。機(jī)床的加工精度模式設(shè)置界面如圖6所示。目前機(jī)床通常默認(rèn)設(shè)置為三級(jí)，常導(dǎo)致過程控制失效，無法保證零件加工質(zhì)量。

a）亞威SP3061機(jī)床高精模式

b）永進(jìn)158B機(jī)床高精模式

圖6機(jī)床的加工精度模式設(shè)置界面程序細(xì)節(jié)（點(diǎn)分布的設(shè)置）：通過進(jìn)一步研究不同點(diǎn)分布類型的設(shè)置發(fā)現(xiàn)，不同的點(diǎn)分布設(shè)置所產(chǎn)生的理論刀路軌跡與模型輪廓的偏移情況不同。如圖7所示，t1、t2、t3和t4分別表示點(diǎn)分布設(shè)置為公差并替換圓弧、公差并保留圓弧、修圓和重新分布時(shí)理論刀路軌跡與工件模型輪廓的偏差值，t1＞t2＞t3＞t4，點(diǎn)分布的設(shè)置會(huì)直接影響刀路的理論軌跡精度。

圖7設(shè)置不同點(diǎn)分布類型與理論值的偏移情況3）刀具結(jié)構(gòu)選用不合理。如圖8所示，球刀在加工曲面曲率為1°～5°的平坦弧面時(shí)，以點(diǎn)接觸的方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切削，刀具與加工材料接觸面積非常少，切削過程中，接觸點(diǎn)（球刀尖部）的切削速度幾乎為0，刀具磨損加快，刀尖崩刃后刀具切削能力嚴(yán)重不足，零件表面會(huì)出現(xiàn)拉花現(xiàn)象[8]。

圖8刀具切削加工示專項(xiàng)改進(jìn)1）以表面粗糙度為導(dǎo)向，調(diào)整平坦弧面的加工參數(shù)。根據(jù)圖樣具體要求，先確定模型的Ra，以目標(biāo)Ra為固定值，通過公式h＝P2/8r計(jì)算出加工的最佳參數(shù)，式中，h為表面粗糙度（mm，1mm＝1000mm）；P為程序刀路加工時(shí)的行距（mm）；r為刀具半徑（mm）。該公式的計(jì)算原理如圖所示。所以P2＝8rh－4h2，因?yàn)閔2很小，所以P2可近似視為8rh，則h＝P2/8r，表面粗糙度值h與刀路行距P的平方成正比，與刀具直徑r成反比。

圖9

P＝f

時(shí)表面粗糙度計(jì)算原理在實(shí)際操作中可制作出常用刀具的參數(shù)計(jì)算表格，輸入目標(biāo)值Ra即可自動(dòng)匹配出最佳加工參數(shù)，減少人為操作帶來的錯(cuò)誤率。2）優(yōu)化軟件設(shè)置，實(shí)現(xiàn)按不同精度要求自動(dòng)匹配最優(yōu)點(diǎn)分布設(shè)置。如果刀路軌跡為三軸聯(lián)動(dòng)，參數(shù)設(shè)置如圖10所示，輸出類型由系統(tǒng)默認(rèn)的公差并保留圓弧更改為重新分布，最大點(diǎn)分離設(shè)置為刀具直徑的1/2，勾選“接觸點(diǎn)法線”，該設(shè)置適合改善模具加工中非正常的刀紋。

圖10三軸聯(lián)動(dòng)點(diǎn)分布設(shè)置如果刀路軌跡為兩軸聯(lián)動(dòng)，參數(shù)設(shè)置如圖11所示，輸出類型由系統(tǒng)默認(rèn)的公差并保留圓弧更改為修圓，取消勾選“接觸點(diǎn)法線”。這樣設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)是后處理NC程序容量小，代碼為機(jī)床圓弧插補(bǔ)指令，但如有涉及很多個(gè)直線段擬合成圓弧的誤差時(shí)，精確度不如圖10。

圖11兩軸聯(lián)動(dòng)點(diǎn)分布設(shè)置控制刀路軌跡的精度等級(jí)（刀具路徑點(diǎn)分布）的程序代碼編制如下。DIALOGSMESSAGEOffDIALOGSERROROffstringpathname=stringpathtype=toolpath.strategyif$pathtype==‘offset_3d’{iftoolpath.Tolerance<=0.005{EDITPAR‘Filter.Type’‘redistribute’EDITTOOLPATH$pathnameREAPPLYFROMGUIFORMACCEPTOffsetFinishing}}if$pathtype==‘raster’{iftoolpath.Tolerance<=0.005{EDITPAR‘Filter.Type’‘redistribute’EDITTOOLPATH$pathnameREAPPLYFROMGUIFORMACCEPTRasterFinishing}}3）根據(jù)加工特征的差異，細(xì)化刀具使用標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)加工區(qū)域的特點(diǎn)，針對(duì)弧面曲率σ的角度，以標(biāo)準(zhǔn)的形式規(guī)定編程人員應(yīng)該使用哪類刀具，具體見表11。表11不同弧面曲率刀具類型及策略選用4）根據(jù)加工精度的不同，實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)控制機(jī)床精度等級(jí)設(shè)置（見表12）。表12不同工序機(jī)床加工模式設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)

在進(jìn)行開粗工序加工時(shí)，優(yōu)選速度優(yōu)先模式，以保證加工效率；在進(jìn)行半精加工工序時(shí)，優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)模式；在進(jìn)行精加工工序時(shí)，打開機(jī)床精度優(yōu)先模式，根據(jù)圖樣表面粗糙度的要求，調(diào)整機(jī)床精度等級(jí)為一級(jí)至三級(jí)，充分保證加工質(zhì)量，精度等級(jí)的設(shè)置均由程序自動(dòng)控制，具體的程序代碼如下。######識(shí)別刀路為其他精加工方式情況下，使用不同精度等級(jí)代碼if(SpecialRecordCode==40)if(SpecialRecordString[40]==“Raster”orSpecialRecordString[40]==“raster”)setswjelseif(SpecialRecordString[40]==“Inter_constz”orSpecialRecordString[40]==“inter_constz”)setswjelseif(SpecialRecordString[40]==“Offset_3d”orSpecialRecordString[40]==“offset_3d”)setswjelseif(SpecialRecordString[40]==“Opti_constz”orSpecialRecordString[40]==“opti_constz”)setswjelseif(SpecialRecordString[40]==“Surface_machine”)setswjelseif(SpecialRecordString[40]==“surfac