超硬磨具設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理集成化系統(tǒng)研究

李麗 武照云

1、河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院 2、河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(diǎn)，常被廣泛地應(yīng)用在瑪瑙、光學(xué)玻璃、半導(dǎo)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(yán)重阻礙了我國超硬磨具行業(yè)的發(fā)展。

目前在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、分析等過程中，有很多數(shù)字化輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，如CAD、CAM、CAPP、CAE等。這些技術(shù)目前能很好地應(yīng)用于一般機(jī)械產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)、力學(xué)性能分析、仿真實(shí)驗(yàn)中。因?yàn)槟ゾ呤怯赡チ?、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(dú)特性無法將機(jī)械零件的CAD/CAM/CAPP等技術(shù)及軟件系統(tǒng)直接應(yīng)用于磨具設(shè)計(jì)過程中。

我國工業(yè)化進(jìn)程加快，也對現(xiàn)代制造業(yè)的磨切工具及其技術(shù)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(shù)發(fā)展和管理水平具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文闡述了如何設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(yàn)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(shè)計(jì)。配方參數(shù)的合理準(zhǔn)確性決定了超硬磨具的性能和客戶滿意度，常用的配方設(shè)計(jì)方法有經(jīng)驗(yàn)法、因素輪換法、正交試驗(yàn)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(yàn)法進(jìn)行人工選擇，不能有效揭示各工藝參數(shù)之間的關(guān)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(yàn)質(zhì)量控制方法，其職能僅是在產(chǎn)品制造完成后進(jìn)行合格與否的檢驗(yàn)。只依靠事后檢驗(yàn)的質(zhì)量控制方法已不能適應(yīng)當(dāng)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(shè)計(jì)

針對中小型超硬磨具制造企業(yè)特點(diǎn)和信息化需求，著力攻克超硬磨具設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中存在的超硬磨具配方參數(shù)設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)智能優(yōu)化和制造過程質(zhì)量控制等技術(shù)難題，本文以VS.NET為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(yīng)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(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超硬磨具配方參數(shù)的設(shè)計(jì)

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(jìn)行了設(shè)計(jì)，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(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)的配方設(shè)計(jì)[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(yàn)點(diǎn)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(shè)計(jì)方程；根據(jù)磨具設(shè)計(jì)的不同要求，推導(dǎo)各配方項(xiàng)的數(shù)據(jù)量計(jì)算方法，因此建立磨具配方參數(shù)的改進(jìn)回歸設(shè)計(jì)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(jìn)行分類，深入分析各工藝參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性以及多種因素的綜合作用結(jié)果，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)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(jī)理及其影響規(guī)律。結(jié)合生產(chǎn)過程中的經(jīng)濟(jì)成本、技術(shù)要求、能源消耗、設(shè)備動(dòng)力等其他要求，建立制造工藝參數(shù)的優(yōu)選機(jī)制。根據(jù)工藝參數(shù)的優(yōu)選機(jī)制，建立相應(yīng)的工程應(yīng)用數(shù)據(jù)庫，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xué)習(xí)規(guī)則、訓(xùn)練機(jī)制等，進(jìn)而建立基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yù)警

SPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：質(zhì)量信息采集、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和SPC報(bào)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(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與分析，并對工序加工狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)某個(gè)工序異常，則把信息傳遞給SPC報(bào)警裝置，報(bào)警裝置再將信息反饋到相應(yīng)的工藝過程，操作人員收到報(bào)警后立即分析查找導(dǎo)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(jìn)而達(dá)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(yàn)指標(biāo)類型，確定每一個(gè)檢驗(yàn)指標(biāo)對應(yīng)的SPC控制圖類型（計(jì)量值型控制圖或計(jì)數(shù)值型控制圖），根究指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果，自動(dòng)繪制并生成SPC控制圖。根據(jù)質(zhì)檢信息點(diǎn)的分布位置與變化趨勢，借助概率統(tǒng)計(jì)原理，定義SPC控制圖的異常波動(dòng)模式及對應(yīng)的預(yù)警值。根據(jù)檢驗(yàn)指標(biāo)預(yù)警值集合及各指標(biāo)影響關(guān)系，采用指標(biāo)預(yù)警值加權(quán)方法和閾值參數(shù)定義，建立“工序級(jí)—車間級(jí)—工廠級(jí)”的多層次預(yù)警機(jī)制。

3.4 超硬磨具設(shè)計(jì)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(guān)鍵技術(shù)分析，以VS 2010為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，選取C#為程序設(shè)計(jì)語言，以SQL Server 2008為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)并開發(fā)了超硬磨具設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)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(yùn)用C#.NET、SQLServer、VS.NET等技術(shù)，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(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理集成化系統(tǒng)，將生產(chǎn)中的配方設(shè)計(jì)、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(shù)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(shù)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。