基于D-CTFP质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质量控制方法是由格力电器创造的一种将结果导向的倒逼机制应用到质量管理实践中的质量技术创新方法，在源头预防、问题发现、分析研究和解决方案落实4个环节的循环反馈中，推动质量技术的持续创新以及产品质量的持续改善。

平坦弧面加工过程中，合理的加工参数、合理的刀具选择、机床精度模式的匹配、刀路的理论设计精度、过程及输出检测手段的各方面都会影响平坦弧面的表面粗糙度。本文从顾客需求引领、检验技术驱动、失效机理研究和过程系统优化4个方面发，利用D-CTFP质量控制方法，系统科学地解决降低模具平坦弧面表面粗糙度值的难题，达到提高平坦弧面表面质量、提升客户满意度的目的。顾客需求引领（1）了解客户需求自2019年初以来，抛光工序中频繁出现洗衣机面板模具表面加工的表面粗糙度值大、抛光难度大且耗时长等质量问题。为了全面、客观、准确地了解抛光工序的相关需求，首先分三步进行调研和分析：①设计调查问卷，深入现场调研。②问卷信息分层整理。③综合确定顾客需求的重要度及优先等级。通过分析问卷数据，构造判断矩阵群，进行顾客需求总排序，得到的客户需求权重排序见表1，绘制出相应的扇形统计图（见图1），分析发现“抛光区域无拉刀”占顾客需求的重要度最高，对抛光工序非常重要。表1顾客需求权重排序图1顾客需求重要度（2）掌握顾客投诉通过分析2019年第3季度平坦弧面类模具抛光工序中针对表面粗糙度的投诉次数，发现拉刀严重在被投诉的总次数中占65.3%（见表2）。对拉刀严重这一异常点做进一步分析，发现平坦弧面的拉刀现象在所有拉刀异常中所占比例最大，达到79.0%（见表3）。表2投诉统计

表3不同区域出现拉刀异常统计

（3）确定顾客要求在明确了顾客需求为降低平坦弧面表面粗糙度值的基础上，应用QFD质量屋进行研究，将调查得到的顾客要求转化为技术特征，发现刀具选择、刀具参数设置、程序细节设置、设备精度、加工策略选择、刀具寿命的管控、操作人员的技能水平以及刀具的装刀长度等因素都会直接影响平坦弧面的表面粗糙度。通过QFD重要度分析，得出结论：加工刀具的选择、加工参数的设置、程序细节的优化和设备的加工精度的重要度最高，是影响平坦弧面表面粗糙度的主要技术问题。检测技术驱动（1）输入检验通过抽查编程自检记录，确认按现行检验规范的要求，执行情况无异常，执行情况见表4。表4输入检验执行情况调

（2）确定检验要求具体如下所述。1）小组成员发现现有加工参数的设定是加工的通用标准，没有以特征加工完成后的表面粗糙度值Ra为导向，下面针对当前参数设定能否达到表面粗糙度要求进行验证。验证目的：用单因子试验设计探究现有切削参数能否达到表面粗糙度要求。验证方案：按照现有的加工参数，分别使用常用的刀具φ12R6、φ10R5、φ8R4、φ6R3和φ4R2加工相同的平坦弧面，记录5种不同刀具特征加工完成后的表面粗糙度情况（见表5），与目标Ra对比如图2所示。由此可知，加工参数的设置合理与否会影响表面粗糙度。表5现有参数加工的表面粗糙度

图2不同刀具加工弧面表面质量与目标对比2）加工程序路径实际上是由无数个点以直线或圆弧形式连接形成的轨迹，点排布越细化均匀，程序运行的轨迹越接近理论模型轮廓，零件的表面质量就越好，控制点排列方式的功能称之为点分布。软件中点分布有4种类型，包括公差并保留圆弧、公差并替换圆弧、重新分布和修圆。目前点分布的输出类型都设置为系统默认，下面针对点分布的输出类型对表面加工质量的影响进行验证。

验证目的：用单因子试验设计探究不同点分布的设置是否会影响表面粗糙度。验证方案：仅改变程序中点分布的设置类型，保证其他因素完全一致，加工后测量多组数据，记录特征加工完成后的表面粗糙度情况（见表6）。由此可知，程序细节设计的合理与否会影响表面加工质量。表6不同点分布类型加工弧面的表面粗糙度值Ra（单位：μm）系统默认设置为公差并保留圆弧（见图3a），即按刀具路径公差来分布节点，只在指定的修圆控制位置出现圆弧点。路径点中红色的节点段在后处理成NC程序后为直线插补指令，蓝色节点段则为圆弧插补指令。

a）公差并保留圆弧

b）重新分布

图3不同点分布设置的刀路细节重新分布（见图3b）是指控制刀具路径节点按指定的点间距细化并均匀分布，使刀具路径矢量平滑。重新分布对高速加工和多轴加工尤为有效，可以提高加工质量并缩短加工时间，是点分布类型设置的最优选择。3）针对刀具磨损和机床精度的检验执行情况做重点检查，发现球刀在加工平坦弧面时，刀具磨损快，机床的加工精度模式没有根据具体特征的精度要求做具体调整。下面验证刀具类型的选择和机床加工模式的设置是否会对表面加工质量造成影响。验证目的1：用单因子试验设计探究刀具的选择是否会影响表面加工质量。验证方案1：选用2把直径相同的φ10R1圆鼻铣刀和φ10R5球头铣刀，在满足刀具寿命的前提下，加工面积、弧面曲率（以4°为例）等完全一致的平坦弧面，进行多组重复试验并测量其加工区域的表面粗糙度值，计算平均值并记录，结果见表7。由此可知，刀具的选择影响表面加工质量。

表7不同刀具加工后表面粗糙度值Ra（单位：μm）

验证目的2：用单因子试验设计探究机床加工模式的不同是否影响表面加工质量。验证方案2：机床加工模式分为精度优先、效率优先和标准。精度优先模式下，又包含5个精度等级，一级精度最高，五级精度最低。仅改变机床加工模式，保证其他因素全部一致，加工后测量多组数据，记录表面粗糙度值，结果见表8。由此可知，机床加工模式的不同直接影响弧面的表面质量。

表8不同机床加工模式加工弧面的表面粗糙度值Ra（单位：μm）提升检验技术根据以上分析，给出提升检验技术的措施。1）以表面粗糙度为加工参数设定的目标导向，完善刀具模板库中加工参数的设定标准。2）优化程序设计中点分布的设置标准。调整点分布输出类型的默认设置，根据加工特征的不同调节点分布，控制刀具路径节点按指定的点间距细化并均匀分布，使输出的刀具路径矢量平滑，从程序设计方面减少拉刀、过切等异常情况[5]。3）根据加工区域的特征，改进刀具选用标准。针对平坦弧面的加工，运用圆鼻刀代替球头铣刀，使得加工区域表面质量明显提升，加工效率也显著提高，其加工数据对比见表9，加工效率公式为式中，S为加工效率（mm²/min），即单位时间加工面积；P为刀路行距（mm）；vf为进给速度（mm/min）；n为刀具转速（r/min）；f为进给量（mm/r）。

表9不同铣刀加工数据对比

4）根据表面粗糙度要求，优化机床加工模式的选用标准。操作员需根据加工特征的精度要求手动调节机床的加工模式，人为因素增加了不确定性。现调整为由编程员控制，如需打开机床高精加工模式，则由输出的程序自动控制机床，减少人为的不确定性因素。5）增加输出检测对表面粗糙度的测量，检测频次以异常发生率为导向。失效机理研究工件加工表面粗糙度值偏高，分析失效原因，主要存在以下情况：整体刀纹粗糙，表面质量差，模型趋势变化大的区域易发生拉刀缺陷，1°～5°平坦弧面易发生拉刀、振刀和弹刀等缺陷。结合产品结构、失效特点与零部件材质特性，绘制失效原因树图（见图4）。

图4失效原因分析1）现有加工参数设置缺乏理论和目标验证，导致无法满足零件表面质量要求。刀具大小、刀路行距及刀具的进给量之间的关系是影响零件表面粗糙度的关键指标。按现有参数加工的效果见表10。零件理论表面粗糙度值Ra绝大多数都高于目标0.6μm，如果要满足目标表面粗糙度的要求，需重新调整现有的加工参数。表10现有的参数加工效果

在加工效率一定的情况下，表面粗糙度实际值与理论值的关系如图5所示。经过实际测试，加工效率一定时，当刀路行距P与进给量f相等时，零件的表面粗糙度值最低，且实际测试值和理论值最接近，加工的零件表面质量最优。

图5表面粗糙度实际值与理论值关系2）机床加工模式设置不合理以及程序细节不优化影响了表面加工质量。机床加工模式：和软件通过点分布设置控制理论刀路轨迹精度一样，机床在执行刀路程序时也有对应的加工模式。机床的加工精度模式设置界面如图6所示。目前机床通常默认设置为三级，常导致过程控制失效，无法保证零件加工质量。

a）亚威SP3061机床高精模式

b）永进158B机床高精模式

图6机床的加工精度模式设置界面程序细节（点分布的设置）：通过进一步研究不同点分布类型的设置发现，不同的点分布设置所产生的理论刀路轨迹与模型轮廓的偏移情况不同。如图7所示，t1、t2、t3和t4分别表示点分布设置为公差并替换圆弧、公差并保留圆弧、修圆和重新分布时理论刀路轨迹与工件模型轮廓的偏差值，t1＞t2＞t3＞t4，点分布的设置会直接影响刀路的理论轨迹精度。

图7设置不同点分布类型与理论值的偏移情况3）刀具结构选用不合理。如图8所示，球刀在加工曲面曲率为1°～5°的平坦弧面时，以点接触的方式进行旋转切削，刀具与加工材料接触面积非常少，切削过程中，接触点（球刀尖部）的切削速度几乎为0，刀具磨损加快，刀尖崩刃后刀具切削能力严重不足，零件表面会出现拉花现象[8]。

图8刀具切削加工示专项改进1）以表面粗糙度为导向，调整平坦弧面的加工参数。根据图样具体要求，先确定模型的Ra，以目标Ra为固定值，通过公式h＝P2/8r计算出加工的最佳参数，式中，h为表面粗糙度（mm，1mm＝1000mm）；P为程序刀路加工时的行距（mm）；r为刀具半径（mm）。该公式的计算原理如图所示。所以P2＝8rh－4h2，因为h2很小，所以P2可近似视为8rh，则h＝P2/8r，表面粗糙度值h与刀路行距P的平方成正比，与刀具直径r成反比。

图9

P＝f

时表面粗糙度计算原理在实际操作中可制作出常用刀具的参数计算表格，输入目标值Ra即可自动匹配出最佳加工参数，减少人为操作带来的错误率。2）优化软件设置，实现按不同精度要求自动匹配最优点分布设置。如果刀路轨迹为三轴联动，参数设置如图10所示，输出类型由系统默认的公差并保留圆弧更改为重新分布，最大点分离设置为刀具直径的1/2，勾选“接触点法线”，该设置适合改善模具加工中非正常的刀纹。

图10三轴联动点分布设置如果刀路轨迹为两轴联动，参数设置如图11所示，输出类型由系统默认的公差并保留圆弧更改为修圆，取消勾选“接触点法线”。这样设置的优点是后处理NC程序容量小，代码为机床圆弧插补指令，但如有涉及很多个直线段拟合成圆弧的误差时，精确度不如图10。

图11两轴联动点分布设置控制刀路轨迹的精度等级（刀具路径点分布）的程序代码编制如下。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）根据加工特征的差异，细化刀具使用标准。根据加工区域的特点，针对弧面曲率σ的角度，以标准的形式规定编程人员应该使用哪类刀具，具体见表11。表11不同弧面曲率刀具类型及策略选用4）根据加工精度的不同，实现程序自动控制机床精度等级设置（见表12）。表12不同工序机床加工模式设置标准

在进行开粗工序加工时，优选速度优先模式，以保证加工效率；在进行半精加工工序时，优选标准模式；在进行精加工工序时，打开机床精度优先模式，根据图样表面粗糙度的要求，调整机床精度等级为一级至三级，充分保证加工质量，精度等级的设置均由程序自动控制，具体的程序代码如下。######识别刀路为其他精加工方式情况下，使用不同精度等级代码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