机加设备过程能力研究应用与实践

企业在产品过程开发进入到生产准备阶段后期时，机加设备(生产线或单机)逐步进展到预验收、终验收及试生产等过程，这时需要结合过程能力研究理论，对各阶段设备尤其是关键设备的质量保证能力进行研究分析。通过过程有关能力的研究，掌握过程有关能力状况，实施过程控制和改进。

从设备预验收到最后形成正式的生产能力，通常要经历4个主要阶段。在各个阶段，针对对象的不同，进行不同能力的研究和分析，如表1所示。

设备能力(Cmk/Cm)研究

1. 设备能力研究条件

在研究设备能力的加工过程中，应满足下列条件：

(1) 保持操作者不变。

(2) 保持设备、夹具、刀具及其他工装不变。

(3) 连续加工过程不允许中断。

(4) 采用的试件毛坯，应尽可能是同一批次和同一炉号的毛坯。

(5) 整个环境温度应尽可能保持恒定，安装地面不受干扰，并能隔离外界的影响。如果评定发现问题明显是由于厂房温度及冷却液温度所导致，则需采取措施。

(6) 所有用于研究的零件，测量前必须经过仔细清洗，以保证清洁，并在测量间经过恒温。

(7) 研究用测量仪器应具有国家计量部门或授权单位发放的合格证书，经过测量系统分析并合格，尽可能在整个验收过程中保持测量仪器不变更。

2.设备能力研究步骤

设备能力研究流程如图1所示，具体步骤如下：

(1) 试切件经过检验，确认合格后进行连续加工，研究验证设备能力。

(2) 加工并测量第1个零件(N1)，将测量值与规定极限作对比。一般情况下，如测量值处于规定公差50%幅度以内，设备不必再调整。第1个零件的测量值允许不用于评定。

(3) 加工并测量5个零件(N5)。一般情况下，5个测量值的平均值处于规定公差的1/4幅度以内，而且所有的单个测量值均在规定公差的1/2幅度以内，设备就不需要再重新调整，所有的测量值均可用于评定。但若设备必须进行重新调整，该5个零件的测量值不允许用于评定。

(4) 对于单向的公差(如径向跳动)，一般情况下应达到规定公差范围的下半部分，否则就需要重新调整设备。

(5) 上述5个零件验证通过后，连续加工至少50个零件。如果发生停机，必须根据停机的原因决定是否从头开始或从停机时刻起继续开动。每次停机或每次过程改变必须进行记录。

(6) 对于非关键特殊特性，可以不统计评定和验收设备能力，但至少做5次抽样，如表2所示，每次抽样一般由3个零件组成。

3.设备能力评定

(1) 加工内容相同但有多个夹紧工位的设备，对每个夹紧工位都必须分别评定。对于多台设备平行加工的工序，应该对每台设备分别评定，具体实施时可根据实际情况确定研究的夹紧工位和设备的数量。

(2) 对于多主轴设备，根据情况，如果需要必须分析和评定各个刀具、主轴，并分别进行记录。

(3) 在一台设备上分工步进行加工(粗加工和精加工)，一般只针对精加工分析评定。但若在评定精加工时，能力不能满足要求，为了查明误差来源，可对粗加工进行能力评定。

(4) 对于不可调整刀具，可只进行Cm评定。

初始过程能力(Ppk/Pp)研究

1.初始过程能力研究条件

(1) 设备调试、验收完成，过程达到正式生产条件(包括人、机、料、法、环和测各方面)，在生产初期进行。通常是安排在两日三班生产中进行数据采集。

(2) 生产线操作者配备完成，工艺文件已正式发放。输入状态符合要求的零件数量准备充分，满足两日三班生产的需求。

(3) 做好用于检测采集数据的测量仪器准备，需提前完成MSA分析，并且MSA结果要符合接受标准。

2.初始过程能力研究步骤

(1) 确定研究的特性范围，初始过程能力研究的特性范围，应至少包含所有的关键和重要的特殊特性。

(2) 确定使用的量检具，要有具体的型号及名称。

(3) 确定抽样频次和样本容量，用于统计计算的数据不少于50组。

(4) 编制初始过程能力研究计划，详细描述工序号、工序名称、特性名称、所用量检具、抽样频次和样本容量、责任人和完成时间。

(5) 进行至少两日三班的小批生产，根据研究计划，进行工件质量检测，采集数据。

(6) 工件检测顺序应按加工先后顺序进行检测，检测结果要做好记录和标识，应能进行追溯。

2. 初始过程能力评定

(1) 初始过程能力评定允许过程因素发生变化，一般按工序输出进行评定，而不固定夹具、刀具和主轴等。

(2) 对于多台设备平行加工的工序，应该对每台设备分别进行评定。实施有难度时，可根据实际情况确定研究的夹紧工位和设备的数量。

(3) 在一台设备上分工步加工(粗加工和精加工)，一般只针对精加工分析评定。但若在评定精加工时，能力不能满足要求，为查明误差来源，可对粗加工进行能力评定。

(4) 对于不可调整刀具，可只进行Cm评定。

过程能力(Cpk/Cp)研究

过程能力的研究内容包括：过程能力研究条件、过程能力研究步骤以及过程能力评定。

过程能力研究条件包括过程正式投产;过程稳定、受控;子组内数据连续取值。

过程能力研究步骤如下： 确定要研究的特性; 确定统计过程控制方法，一般采用均值和极差图;建立分析用控制图，进行过程稳定性研究，采取措施消除特殊原因变差;过程达到稳定受控后，定期进行过程能力评定。

过程能力评定要求每次评定使用数据至少为25组、125个样本，具体内容同“初始过程能力评定”。

有关能力接受标准

能力指数数值越大，能力越高。在生产实际中，过高的能力将造成浪费，提高制造成本。因而，对不同阶段的能力指数，应在满足产品质量要求的前提下，来确定相关的能力指数要求。

对标准过程，能力指数一般要求控制在1.67～1.33;非关键特殊特性可根据实际情况适当降低，但不能低于1。

对不适用能力指数评价的项目，可以通过压缩公差进行控制，如形状公差、表面粗糙度等。

有关能力研究的实践

案例一 工件特性：4-39孔直径φ10Z8(-0.042/-0.064);能力现状：Cmk=1.29，Cm=1.58。

原因分析：对单值图(见图2)和直方图(见图3)进行分析，孔径有明显的下降趋势，这表明刀具磨损相对较快。另外，直径分布中心位置也略有偏移。

改进措施：选择并验证寿命更长的刀具，同时尽可能将刀具直径设定在要求公差中间位置。

案例二 工件特性：4-11孔位置度φ0.32;能力现状：Cmk=1.32，Cm=1.69。

原因分析：从位置度分解的Y、Z坐标值看，Y坐标单值图(见图4)和直方图(见图5)可以看出，Y坐标加工没有问题，能力也足够，而Z坐标的尺寸(见图6、图7)分布中心有偏移。

改进措施：调整模板和主轴位置精度，改进Z方向坐标。

结语

综上所述，能力研究一定要注意数据采集的条件，否则研究结果会降低指导意义，甚至可能误导;针对不同特性，能力研究要区别对待，不能一概而论，要从实际出发;设备验收时，为了节省时间和成本，对于同时承担多个品种加工的设备，设备能力验收可以只选择其中的1个作为主产品，也可以根据情况将多个产品在预验收和终验收时分开，交换进行设备能力验收;设备验收时，对于并行设备工序，可将并行设备分开在预验收和终验收时各做一部分的能力研究，两部分合计涵盖所有设备，以节省时间和成本。