基于5M1E的機(jī)械加工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量問(wèn)題解決措施

胡年孫，江德鳳，蔣偉，鄭少華，廖利波

1. 中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司 重慶 400060

2. 重慶市立信職業(yè)教育中心 重慶 400036

1 序言

5M1E的理論基礎(chǔ)來(lái)源于“全方位的質(zhì)量控制”，是零部件研制生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制的重要方法。5M1E引發(fā)零部件研制生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量問(wèn)題的6個(gè)因素如下[1]。

人員（Man)：操作人員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、技能水平、質(zhì)量意識(shí)與態(tài)度等。

設(shè)備（Machine)：數(shù)控機(jī)床、配套工裝及根據(jù)零件特點(diǎn)合理選用等。

物料（Material)：毛坯的表面質(zhì)量、尺寸、力學(xué)性能和理化性質(zhì)等。

方法（Method)：加工工藝路線(xiàn)、方法的合理性、經(jīng)濟(jì)性和匹配性等。

測(cè)量（Measure)：測(cè)試方法、試驗(yàn)手段、儀器設(shè)備的服役狀態(tài)和精度等。

環(huán)境（Environment)：機(jī)械加工現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、地面振動(dòng)和機(jī)床切削液等。

2 5M1E控制現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量的方法

2.1 人員

在電子機(jī)械產(chǎn)品制造過(guò)程中，涉及的人員包括設(shè)計(jì)人員、工藝人員、加工人員、裝配人員及檢驗(yàn)人員等[2]?？紤]到研制生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的影響因素，主要對(duì)工藝人員、加工人員和裝配人員提出控制措施。需不斷加強(qiáng)工藝人員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)，提升加工人員和裝配人員的操作技能、對(duì)圖樣等現(xiàn)場(chǎng)文件的認(rèn)識(shí)及零件加工工藝的認(rèn)知等。

2.2 設(shè)備

作為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中用于零部件成形的機(jī)器設(shè)備，其影響因素包括：加工時(shí)使用的工具、機(jī)床等各種設(shè)備[3]。設(shè)備的服役狀態(tài)、性能衰退都會(huì)直接影響到它所加工的零部件，在某種程度上最終映射在制造的機(jī)械零部件產(chǎn)品中，故對(duì)設(shè)備的控制是十分必要的。

例如，每天上班后在正式加工前數(shù)控設(shè)備需提前熱機(jī)15min，待機(jī)床主軸、絲杠等關(guān)鍵傳動(dòng)部件調(diào)整合適再開(kāi)始加工零件，這樣才能保證首件和后續(xù)零件的精度一致。

2.3 物料

加工過(guò)程物料指的是毛坯、半成品零件等。選用不同的物料、材料在不同情況下的變化均會(huì)導(dǎo)致機(jī)械產(chǎn)品的不一致性的產(chǎn)生。可見(jiàn)，控制產(chǎn)品質(zhì)量也要控制制造過(guò)程的原材料因素。

例如，蓋板類(lèi)零件多次出現(xiàn)表面處理后有表面劃痕、明顯凹坑的現(xiàn)象，尤其是大尺寸蓋板在黃色導(dǎo)電氧化后外觀有缺陷，在視覺(jué)上有放大效應(yīng)，導(dǎo)致黃色導(dǎo)電氧化類(lèi)大蓋板長(zhǎng)期良品率較低。即使對(duì)線(xiàn)切割、加工中心及鉗工等工序進(jìn)行多次質(zhì)量改進(jìn)，表面質(zhì)量也提升不大。經(jīng)后續(xù)再次排查發(fā)現(xiàn)，由于蓋板的毛坯料為超大尺寸薄板，不易搬運(yùn)，且又是硬度較低的鋁材，所以在運(yùn)輸或保存過(guò)程中容易被異物侵入表面，出現(xiàn)凹坑、劃痕等。由于蓋板上下表面屬于非加工表面，物料本身的缺陷會(huì)不可避免地反映在零件表面，因此后續(xù)規(guī)定購(gòu)置的薄板類(lèi)毛坯料需在出廠前上下表面貼保護(hù)膜，直到線(xiàn)切割工序才能撕下保護(hù)膜，從而使該問(wèn)題得到了有效解決。

2.4 方法

研制生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)零件制造過(guò)程的方法是根據(jù)產(chǎn)品使用要求、零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、操作人員技能水平、零件要求以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備而定。它的選擇并無(wú)唯一標(biāo)準(zhǔn)，可以有達(dá)到要求的不同方法，但要在眾多方法中選擇最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法也并非易事。對(duì)導(dǎo)致制造過(guò)程質(zhì)量異常的因素進(jìn)行控制是一項(xiàng)長(zhǎng)期的探索工作。

例如，切削液是加工中心必備的，但是其配備方法長(zhǎng)期不受重視。切削液主要作用為冷卻和潤(rùn)滑，但是冷卻和潤(rùn)滑是存在矛盾的，切削液中含油量高則潤(rùn)滑效果好，但是因流動(dòng)性較低而導(dǎo)致冷卻效果較差，在對(duì)冷卻速度要求較高的深孔鉆過(guò)程中容易折斷鉆頭；切削液中含油量低則冷卻效果好，但是潤(rùn)滑效果較差，攻螺紋時(shí)尤其是擠壓攻螺紋時(shí)絲錐容易折斷。由于加工中心需同時(shí)具備銑、鉆、鏜、鉸及攻螺紋等功能，故對(duì)切削液要求也較高，需要同時(shí)滿(mǎn)足上述功能。經(jīng)過(guò)多年加工經(jīng)驗(yàn)，摸索出不同刀具的加工方式對(duì)切削液的冷卻和潤(rùn)滑兩大功能的要求情況（見(jiàn)表1）。

表1 不同加工方式對(duì)切削液的要求

加工中心一般是把桶裝的水溶性切削油和現(xiàn)場(chǎng)的自來(lái)水混合后形成乳化性切削液，使用一段時(shí)間后濃度會(huì)變低，有的操作人員直接將水溶性切削油傾倒在機(jī)床工作臺(tái)上，再開(kāi)機(jī)讓切削液循環(huán)。該方式容易因切削液乳化不夠而降低使用壽命，正確的方式為：若切削液濃度低于6%，應(yīng)添加水溶性切削油。具體方法如下：取一個(gè)較大的潔凈容器置于機(jī)床工作臺(tái)上，注入一定量的自來(lái)水后，再一邊灌注自來(lái)水，一邊向容器內(nèi)緩慢倒入水溶性切削油（切記：順序是向水里倒水溶性切削油），利用自來(lái)水沖力混配形成均勻的乳白色懸浮液，加入的速度以混合液中不出現(xiàn)水溶性切削油為準(zhǔn)，之后起動(dòng)機(jī)床，讓切削液循環(huán)流動(dòng)10min后才能正式加工零件[4]。

2.5 測(cè)量

測(cè)量過(guò)程貫穿于研制生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)工序中，它是上一道工序加工、裝配、處理完成后對(duì)下一道工序的保證，是工序之間的過(guò)渡過(guò)程。雖然測(cè)量并非影響制造過(guò)程參數(shù)變異的主導(dǎo)因素，但對(duì)它的控制也是必須執(zhí)行的。只有良好的測(cè)量方法、測(cè)量結(jié)果才能保證機(jī)械產(chǎn)品最終的可靠性與質(zhì)量。

例如，螺紋孔經(jīng)過(guò)通止規(guī)檢驗(yàn)及螺釘安裝各項(xiàng)試驗(yàn)均合格，但在后續(xù)產(chǎn)品調(diào)試過(guò)程中容易出現(xiàn)螺紋滑絲問(wèn)題。經(jīng)多方查找資料，判定是牙型高度不夠所致，后續(xù)針對(duì)螺紋底孔增加了光滑極限量規(guī)的檢驗(yàn)要求，從而解決了該問(wèn)題[5]。

測(cè)量不僅僅針對(duì)檢驗(yàn)人員，操作人員也要對(duì)設(shè)備、刀具、切削液等進(jìn)行維護(hù)和檢查，以確保工藝狀態(tài)穩(wěn)定。在有中央空調(diào)的生產(chǎn)車(chē)間，需要每7天使用折光儀對(duì)切削液進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控（見(jiàn)圖1），而在沒(méi)有中央空調(diào)的生產(chǎn)車(chē)間，則至少需每4天對(duì)切削液進(jìn)行檢查；在南方高溫季節(jié)，切削液容易變質(zhì)加速，則需操作人員每2天對(duì)切削液進(jìn)行檢查。

圖1 折光儀檢測(cè)切削液濃度

2.6 環(huán)境

制造過(guò)程所處的環(huán)境受到不同程度的污染破壞顯然會(huì)成為參數(shù)變異的隱患之一，所以對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行控制也是必要的。有些環(huán)境因素較大程度上取決于研制生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的大環(huán)境，需對(duì)這些易變因素加以控制。

例如，螺紋底孔在檢驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)同一臺(tái)設(shè)備幾天前加工的螺紋底孔在合格范圍內(nèi)，幾天后卻出現(xiàn)超差的問(wèn)題，經(jīng)工藝人員在現(xiàn)場(chǎng)觀察一個(gè)多月，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在切削液上。為了滿(mǎn)足加工中心冷卻、潤(rùn)滑、防銹和沖洗等多項(xiàng)要求，摒棄了純油切削液，選用綜合性能較好的乳化液，而乳化液一個(gè)明顯的缺點(diǎn)就是在室溫下各種微生物綜合作用容易發(fā)酵，嚴(yán)重情況下甚至?xí)l(fā)生破乳反應(yīng)，從而影響潤(rùn)滑效果，導(dǎo)致擠壓出的螺紋孔底孔偏大。為了解決該問(wèn)題，需盡快清理從機(jī)床內(nèi)排出的微生物含量較高的粗加工毛坯切屑，并使用折光儀定期監(jiān)控切削液濃度，普通加工時(shí)切削液濃度需控制在6%左右，航天產(chǎn)品或單個(gè)零件螺紋孔數(shù)在100個(gè)以上的零件，切削液濃度需控制在8%左右。通過(guò)采取以上措施，螺紋孔底孔偏大的問(wèn)題得到有效解決。

加工現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量問(wèn)題有時(shí)候需要解決5M1E中的一個(gè)影響因素，如蓋板毛坯料貼保護(hù)膜控制表面質(zhì)量，但更多的時(shí)候需多個(gè)因素共同發(fā)揮作用才能解決，例如，為了獲得較好的螺紋孔，需要操作人員仔細(xì)操作、機(jī)床刀庫(kù)上的刀具無(wú)破損、選用合理的鉆孔啄鉆Q值和擠壓速度等，另外，機(jī)床內(nèi)環(huán)境好，溫度、濕度合適及微生物含量少才能將切削液濃度長(zhǎng)期控制在合理范圍內(nèi)，還需要檢驗(yàn)人員積極準(zhǔn)確檢驗(yàn)等[5]。

3 5M1E在加工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用實(shí)例

在圓周上進(jìn)行孔加工一直是加工行業(yè)的一個(gè)難點(diǎn)，普遍存在效率低、尺寸精度難以控制和批次性不一致等問(wèn)題，僅有圓周孔均布的簡(jiǎn)單類(lèi)型較易得到解決，非均布類(lèi)型一直是困擾車(chē)間的一大難題。圖2所示零件共有18個(gè)M2沉頭螺釘安裝孔，其中有6個(gè)孔是依豎直線(xiàn)或者水平線(xiàn)分布，剩下12個(gè)孔分4排，分布在與豎直線(xiàn)呈41°夾角和與水平線(xiàn)呈38°夾角的圓周上。

圖2 圓周零件示意

該零件利用空心圓管作為毛坯開(kāi)始加工。加工工序?yàn)椋壕€(xiàn)切割切出長(zhǎng)度50mm→加工中心點(diǎn)鉆第1排2處沉孔位→加工中心點(diǎn)鉆第2排2處沉孔位→加工中心點(diǎn)鉆第3排2處沉孔位→加工中心點(diǎn)鉆第1排3處沉孔位→加工中心點(diǎn)鉆第2排3處沉孔位→加工中心點(diǎn)鉆第3排3處沉孔位→加工中心點(diǎn)鉆第4排3處沉孔位→線(xiàn)切割切出缺口至尺寸70mm。關(guān)鍵工序質(zhì)量點(diǎn)為加工中心點(diǎn)鉆沉孔位，需操作人員手工轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)孔夾具，使待加工角度與主軸垂直，并調(diào)用對(duì)應(yīng)程序才能加工正確，因圓周孔位非均布，加工中心利用夾具按照程序分3次依次翻面加工2處孔（見(jiàn)圖3）；再分4次調(diào)用程序依次翻面加工41°夾角和38°夾角的一排3處孔位（見(jiàn)圖4）。加工該零件需操作人員分7次裝夾，調(diào)用2種加工程序，加工時(shí)間一般需40min，主要消耗在裝夾上，每個(gè)零件需完成21次正確的夾具轉(zhuǎn)動(dòng)與程序匹配，否則容易發(fā)生孔位偏、漏加工或者與殼體裝配后尺寸超差的問(wèn)題。另外由于角度區(qū)別較小，不容易發(fā)現(xiàn)該錯(cuò)誤，所以加工現(xiàn)場(chǎng)的合格率經(jīng)常不到80%，每次批量加工該圓周零件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員和檢驗(yàn)人員都是一次巨大的考驗(yàn)。

圖3 依次翻面加工2處孔

圖4 依次翻面加工3處孔

由于該產(chǎn)品需求出現(xiàn)大幅增加，原有加工方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)有的加工質(zhì)量及進(jìn)度要求。該零件為類(lèi)圓形零件，優(yōu)先考慮使用車(chē)削中心加工，工藝人員和車(chē)工操作人員共同討論解決方案。由于普通車(chē)削中心只能加工直徑及端面結(jié)構(gòu)要素，所以需配備側(cè)面加工動(dòng)力頭的車(chē)削中心才能完成這類(lèi)加工，而側(cè)加工動(dòng)力頭價(jià)格不菲，整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)僅有2個(gè)。沉頭螺釘安裝孔加工工藝一般為：先利用中心鉆點(diǎn)出孔位，再用鉆頭將孔鉆穿，最后用沉孔鉆頭將孔沉到位，需3把刀具依次加工，加工中心刀庫(kù)容量一般都多于20把刀，所以完全能滿(mǎn)足3把刀的需求，但是車(chē)削中心側(cè)加工動(dòng)力頭精度較高的僅有1個(gè)，為了解決該問(wèn)題，提出了定制特種的階梯鉆（見(jiàn)圖5）一次性完成點(diǎn)孔、鉆孔及沉孔的加工方案，只需1把刀就能完成加工。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整刀具及鉆孔參數(shù)，并現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到了能滿(mǎn)足加工要求的尺寸參數(shù)。

圖5 定制的特種階梯鉆

為了解決因空心圓管切破后會(huì)與殼體存在較大間隙而導(dǎo)致裝配后縫隙不勻、尺寸超差及部分孔難以安裝螺釘?shù)膯?wèn)題，工藝人員利用誤差均分原理，將間隙誤差均勻分至各排孔上，并改變孔加工順序，編程時(shí)使車(chē)床主軸順時(shí)針及逆時(shí)針?lè)较蚪惶嫘D(zhuǎn)加工，將角度誤差分解在各排孔中，從而避免了從單個(gè)方向加工造成的誤差累積。改進(jìn)前、后的車(chē)削中心孔加工順序如圖6、圖7所示。

圖6 改進(jìn)前的車(chē)削中心孔加工順序

圖7 改進(jìn)后的車(chē)削中心孔加工順序

使用帶動(dòng)力頭的車(chē)削中心加工圓周孔零件后，從原理上避免了孔位漏加工的問(wèn)題。

成品率從原來(lái)的不到80%上升到99.5%以上，加工用時(shí)從原來(lái)的超過(guò)40min降低至5min以?xún)?nèi)，效率提升了8倍以上，極大地減輕了現(xiàn)場(chǎng)操作人員和檢驗(yàn)人員的生產(chǎn)壓力。

4 結(jié)束語(yǔ)

零部件機(jī)械加工現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量問(wèn)題比較復(fù)雜，影響因素較多，運(yùn)用5M1E分析法有時(shí)只需解決其中的一個(gè)問(wèn)題，但更多時(shí)候需多個(gè)因素共同考慮，綜合運(yùn)用各種方式才能解決質(zhì)量問(wèn)題。

加工現(xiàn)場(chǎng)遇到質(zhì)量難題時(shí)，更需要調(diào)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)人員的積極性，利用現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器設(shè)備，維護(hù)現(xiàn)有的加工環(huán)境，尋找更優(yōu)的工藝路線(xiàn)方法，利用先進(jìn)的檢測(cè)手段，從而使生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量問(wèn)題得到有效控制。