矿车后横梁制造过程不确定性分析

韩自强，何腾飞，王晓俊，单武斌，李邦彦

(1.湖南电气职业技术学院 电梯工程学院，湖南 湘潭 411101；2.卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司，河南 南阳 473008)

1 引言

矿山装备的技术水平，是衡量一个国家工业实力的重要标志。矿山装备在经济建设、科技进步和社会发展中占有十分重要的地位和作用，属于国民经济的支柱行业。矿用自卸车是一种大型、重载、复杂的集机、电、液一体的高效率运输工具，具有可靠性高、车辆承载量大、操作轻便灵活等优点，在采矿、采煤等大型露天矿的运输中应用越来越广泛[1]。后横梁是矿用自卸车的主要承载件，也是自卸车关键的零部件，将车架和后桥壳连接起来，既可以承受载荷，又可以起到减少震动冲击的作用。因此，后横梁质量的好坏在很大程度上影响着自卸车的使用寿命。不确定性普遍存在于产品生产的各个阶段，对产品的性能有着较大影响。后横梁制造过程工艺复杂，工序繁多，而每个工序都存在不确定性。对后横梁制造过程的不确定性进行分析，可以提高产品的质量、可靠性并且能够帮助工程师们在不确定性存在的情况下做出可靠的决策[2]。

2 不确定性在产品制造过程中的研究现状

近年来，许多学者对产品制造过程的不确定性问题进行了研究，Huang lichao等[3]针对不确定性系统复杂特性导致的控制难题，提出了一种基于仿人智能控制的智能融合控制策略。李顺江[4]针对新工件到达的不确定性，对机械加工置换流水线节能性多目标重调度问题进行研究。修大鹏[5]针对冷挤压工艺设计领域知识存在不确定性和模糊性等异构性特点，提出了广义可信度的概念和一种基于广义可信度的模糊推理方法。韩自强[6]考虑环境不确定性和测量误差等因素的影响，提出一种基于区间数的制造过程资源环境属性评价方法。

产品的制造过程实际是一个存在诸多随机不确定性因素的过程[7]。如产品加工材料和企业生产环境是不确定的；产品生产工艺要素(加工设备，如机床，在使用过程中机床的性能和精度会随着使用时间的增加而变化；辅助物料，如刀具、切削液等，在生产过程中由于刀具磨损程度是变化的、切削液注入的方式和多少是不同的所以对加工工件的影响是不确定的)、工艺路线与工艺参数(工艺路线的变化或工艺参数的改变对加工过程的影响)是不确定的；产品资源消耗、环境影响、生产时间、生产质量、生产成本等生产指标是不确定的；对这些生产要素和生产指标的测量、统计与计算也存在不确定性。这些不确定性在产品制造过程的各个环节中传递，必然会引起产品质量的波动，并对产品的质量产生影响。使得所设计的产品要么由于对系统参数不确定性过于敏感而不能稳定地发挥其效能，或不安全而导致事故，要么由于采取过于保守的措施而不经济[8]。所以，在确定性环境下做出的产品质量评价，可能会因为对生产实际中的不确定性因素过于敏感而导致决策失误[9]。此外，进行产品制造过程的不确定性研究，有利于进行产品制造过程的质量控制，并评估其经济和社会效益，有利于企业根据现有的生产工艺、装备、资金等方面的条件逐步实施。

3 后横梁的加工工艺及制造过程IPO模型图

某型号自卸车后横梁的材料为Q390E，毛坯是直径为Φ460 mm壁厚为36 mm的无缝钢管，其零件图如图1所示。

图1 后横梁零件

后横梁的机械加工工艺如下：在带锯床(GB4260)上锯断毛坯，长度尺寸为2000 mm→车端面→去渣→在车床(CY6150/2000)上车一端外圆柱面Φ454 mm及Φ442 mm→掉头车另一端外圆柱面Φ454 mm→倒外圆Φ454mm及Φ442 mm之间的过渡圆角→划通孔线→用三维等离子切割机加工Φ260 mm的圆通孔及其两端倒角→去毛刺锐边。

后横梁的制造过程是由一系列的工序过程组成的，结合其加工工艺过程和IPO(Input-Process-Output，输入-处理-输出)模型建立的原则[10]，可以建立后横梁整个制造过程的IPO模型如图2所示。

图2 后横梁制造过程的IPO模型

4 后横梁制造过程的不确定性分析

后横梁的制造过程是由一系列的工序过程组成的，这些工序过程存在种种潜在不确定性因素，因此有必要对这些不确定性因素进行研究(图3)。结合后横梁的加工工艺和制造过程的IPO模型，通常从以下几个方面进行分析。

图3 后横梁制造过程不确定性影响因素

4.1 人的不确定性

后横梁的制造过程是由人来完成的，而人的不确定性是影响最大的。不同的人文化程度不同、操作机床的熟练程度不同、心理素质也不同都会引起不确定性。即使是同一个人，在不同的心理状态、不同的时间段，也会引起操作的不确定性。人的不确定性对以下工序影响最大：工序4在车床(CY6150/2000)上车一端外圆柱面Φ454 mm及Φ442 mm，工序5掉头车另一端外圆柱面Φ454 mm和工序7用三维等离子切割机加工Φ260 mm的圆通孔及其两端倒角。

4.2 机器的不确定性

机器是实现后横梁制造过程质量特性的物质基础，也是产生半成品或成品的实体因素。机床的振动、轴承的磨损、刀具的磨损钝化、夹具的定位偏差和机床精度出现偏差这些不确定性都会影响后横梁的加工质量。

4.3 材料的不确定性

原材料也是影响后横梁制造过程的一个重要因素，所选材料的机械特性如刚度、硬度对零件的制造过程的影响具有不确定性。如果工件材料的质量不确定，也会使制造过程产生不确定的波动。原材料在微观结构、颜色和硬度等方面随时间和环境的变化，也会引起制造过程的不确定性。

4.4 方法的不确定性

工艺方法的选择对于后横梁制造的质量具有重要的影响，因为后横梁产生的制造误差通常是由于加工方法不完善引起的。加工工艺方法设计的是否合理，工件定位和加紧位置是否准确，刀具运动轨迹是否正确，工艺路线的变化或工艺参数的改变等对后横梁在制造过程的影响是不确定的。

4.5 环境的不确定性

生产车间温度的变化和湿度的变化，会使后横梁制造过程产生不确定性。另外在制造过程中受到外界辐射、振动和噪声干扰等不确定性因素影响，也会对后横梁制造过程质量造成了不确定性。

4.6 测量的不确定性

在后横梁制造过程中测量的作用主要是保证设计图纸上的尺寸公差、形状公差、位置公差和表面粗糙度。测量仪器的不断磨损、测量仪器的精度、测量方法的改变和对测量仪器的维护、校准和调整情况都会使后横梁制造过程产生不确定性。

5 结语

不确定性普遍存在于产品生产的各个阶段，对产品的性能有着较大的影响，后横梁的制造过程实际也是一个存在诸多随机不确定性因素的过程。首先，介绍了不确定性在产品制造过程中的研究现状；其次，阐述了后横梁的加工工艺过程，并建立了后横梁制造过程的IPO模型；最后，从人、机器、材料、方法、环境和测量6个方面对后横梁的制造过程进行了不确定性分析。