基于模糊綜合層次評(píng)判法的精密齒輪制造工藝優(yōu)化優(yōu)先度分析

李強(qiáng)， 謝里陽， 李海洋， 張芳敏， 宋佳昕

(東北大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析研究所， 遼寧 沈陽 110819)

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基于模糊綜合層次評(píng)判法的精密齒輪制造工藝優(yōu)化優(yōu)先度分析

李強(qiáng)， 謝里陽， 李海洋， 張芳敏， 宋佳昕

(東北大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析研究所， 遼寧 沈陽 110819)

傳統(tǒng)故障模式影響及危害度分析(FMECA)多應(yīng)用于產(chǎn)品故障模式風(fēng)險(xiǎn)分析，而未涉及產(chǎn)品制造流程工藝參數(shù)優(yōu)化優(yōu)先度分析，且其風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(RPN)分析無法對(duì)嚴(yán)酷度、發(fā)生概率和檢測(cè)難易程度進(jìn)行權(quán)重分配。因而參照傳統(tǒng)FMECA中的RPN分析方法，以精密齒輪制造工藝流程為研究對(duì)象，并考慮齒輪制造當(dāng)前工藝水平和工藝改進(jìn)成本等因素，提出優(yōu)化優(yōu)先數(shù)分析法從而代替RPN分析法，并結(jié)合層次分析法- 模糊綜合評(píng)判的方法對(duì)齒輪制造流程的各個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化優(yōu)先等級(jí)評(píng)判并排序。最終根據(jù)評(píng)判結(jié)果，提出對(duì)重要工藝參數(shù)改進(jìn)的方案，從而提升精密齒輪產(chǎn)品的可靠性和保障性水平。

機(jī)械制造工藝與設(shè)備； 故障模式影響及危害度分析； 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)； 工藝參數(shù)； 齒輪制造流程； 層次分析法- 模糊綜合評(píng)判

0 引言

齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要、應(yīng)用最廣泛的一種傳動(dòng)，齒輪性能直接影響整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。特別是長(zhǎng)壽命精密齒輪被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電齒輪箱[1]、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等對(duì)可靠性要求很高的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)長(zhǎng)壽命精密齒輪的要求日益提高，對(duì)影響精密齒輪性能的制造工藝參數(shù)要求也就隨之越來越高，但很少有研究人員對(duì)精密齒輪工藝參數(shù)進(jìn)行完整的故障模式影響及危害度分析(FMECA)。

FMECA由故障模式與影響分析(FMEA)和危害性分析(CA)兩部分組成，是分析產(chǎn)品中每一個(gè)可能的故障模式并確定其對(duì)該產(chǎn)品及上層產(chǎn)品所產(chǎn)生的影響，并對(duì)每一個(gè)故障模式按其影響的嚴(yán)重程度、同時(shí)考慮故障模式發(fā)生概率與故障危害程度予以分類的一種分析技術(shù)[2]。

傳統(tǒng)FMECA常用的CA方法包括風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(RPN)定性方法和危害性矩陣定量方法[3]。關(guān)于定性的方法，RPN分析無法對(duì)嚴(yán)酷度S、發(fā)生概率O和檢測(cè)難易程度D進(jìn)行權(quán)重分配[4]，而僅僅進(jìn)行簡(jiǎn)單的連乘，且RPN在其范圍內(nèi)1～1 000中是不連續(xù)的，僅有120個(gè)數(shù)值[5]；關(guān)于定量的方法，雖然可以在一定程度上定量地比較各故障模式的危害性等級(jí)，但對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品，由于經(jīng)常缺少計(jì)算故障模式危害度的有關(guān)數(shù)據(jù)，就無法使用該方法[6]。

層次分析法(AHP)-模糊綜合評(píng)判法可以很好地解決RPN分析法的上述不足。模糊綜合評(píng)判方法已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)領(lǐng)域：Dejan等基于模糊集理論與Min-Max算法，提出一種針對(duì)煤礦傳輸帶系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并通過對(duì)比傳統(tǒng)RPN分析，證明該模型的合理性[7]；Miller等針對(duì)海港風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)的不確定性，基于AHP-模糊綜合評(píng)判方法，將海港破壞風(fēng)險(xiǎn)因素分為操作風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、自然風(fēng)險(xiǎn)等5大類因素并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[8]；王夢(mèng)琦等基于模糊評(píng)判方法，建立了包含12個(gè)指標(biāo)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并對(duì)其進(jìn)行了模糊綜合評(píng)判[9]；Chanamool等將模糊集理論與FMEA結(jié)合對(duì)醫(yī)院的急救系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并通過對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)因素的改進(jìn)驗(yàn)證了該模糊FMEA方法的有效性[10]。另外模糊綜合評(píng)判還被廣泛應(yīng)用于機(jī)械裝置[11]、風(fēng)電系統(tǒng)[12]、農(nóng)業(yè)[13]等領(lǐng)域，但很少有研究人員對(duì)產(chǎn)品制造流程各工藝參數(shù)的優(yōu)化優(yōu)先度進(jìn)行模糊綜合評(píng)判。

為此，在考慮齒輪制造當(dāng)前工藝水平和工藝改進(jìn)成本等因素的前提下，提出了優(yōu)化優(yōu)先數(shù)(POPN)分析法代替RPN分析法，并結(jié)合AHP-模糊綜合評(píng)判方法，利用模糊理論處理不確定信息，將精密齒輪各工藝參數(shù)的優(yōu)化優(yōu)先度進(jìn)行量化并排序，并根據(jù)分析結(jié)果，提出可行的優(yōu)化改進(jìn)方案。

1 精密齒輪制造流程

以某齒輪加工廠生產(chǎn)的20CrMnTi齒輪制造流程為分析研究對(duì)象。由于長(zhǎng)壽命精密齒輪的服役條件苛刻，技術(shù)要求高，而滲碳淬火工藝可以有效提高齒面齒根的疲勞性能，磨齒工藝可以提高齒輪的加工精度，因此采用滲碳淬火磨齒工藝進(jìn)行齒輪加工。

采用頭腦風(fēng)暴法，召集齒輪制造相關(guān)人員，特別是流程操作人員討論對(duì)齒輪品質(zhì)有重要影響的工藝參數(shù)，按照制造順序?qū)X輪制造流程分為7個(gè)階段。如圖1所示，結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)階段、選材階段、鍛造階段、粗加工階段、熱處理階段、精加工階段和檢測(cè)7個(gè)階段中，各階段由不同工序組成，最低約定層次為各個(gè)工序的工藝參數(shù)。由于整個(gè)制造流程涉及到的工序一共有20個(gè)，工藝參數(shù)更多(88個(gè))，因而在圖1中只進(jìn)行部分重要加工階段的工藝參數(shù)展示(第5個(gè)制造階段- 熱處理階段工序以及工藝參數(shù))。

圖2為針對(duì)圖1各工藝參數(shù)以及工序的功能層次圖，可以得到各個(gè)工藝在齒輪制造流程中的主要作用，以便在評(píng)分環(huán)節(jié)，評(píng)分人對(duì)該工藝參數(shù)有更深的理解從而給出更合理的評(píng)分。

2 POPN分析法

2.1 POPN分析法概念

圖1 齒輪制造工藝流程圖Fig.1 Gear manufacturing process flow

圖2 功能層次與工藝層次對(duì)應(yīng)圖Fig.2 Corresponding diagram of function level and process level

RPN分析法是產(chǎn)品某個(gè)故障模式發(fā)生概率等級(jí)O、嚴(yán)酷度等級(jí)S和檢測(cè)難易程度等級(jí)D的乘積，即

RPN=S×O×D，

(1)

但對(duì)于齒輪工藝參數(shù)來說，其并不屬于故障模式，因此RPN并不適用于工藝參數(shù)分析。因此，本文提出一種新的分析方法—POPN分析法，即工藝優(yōu)化優(yōu)先數(shù)分析法來代替RPN分析法。

POPN分析法考慮了當(dāng)前工藝參數(shù)的技術(shù)水平和改進(jìn)該工藝參數(shù)所消耗的成本等企業(yè)非常重視的因素，是某工藝參數(shù)的重要度I、更改難易程度(考慮耗時(shí)成本)C、當(dāng)前工藝參數(shù)合理性(對(duì)比先進(jìn)水平)R和不良可探測(cè)度D的乘積，從而得到分析數(shù)據(jù)，即

POPN=I×C×R×D.

(2)

POPN反映了工藝水平不良的可能性以及優(yōu)化改進(jìn)該工藝合理性的綜合度量。POPN值越大，則該工藝應(yīng)越優(yōu)先優(yōu)化。

2.2 因素等級(jí)劃分準(zhǔn)則

針對(duì)某齒輪廠20CrMnTi滲碳磨齒齒輪的工藝參數(shù)，表1為其I、C、R、D各個(gè)因素的等級(jí)評(píng)分準(zhǔn)則，把每個(gè)因素的評(píng)價(jià)結(jié)果分為5個(gè)等級(jí)，以供評(píng)分人對(duì)各個(gè)工藝參數(shù)的影響因素進(jìn)行參考評(píng)分，并得到POPN值。

這里的評(píng)分專家由10位專家現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研反饋完成，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況的反饋使得打分結(jié)果更加可信。對(duì)于評(píng)分人專家的選取，由對(duì)長(zhǎng)壽命精密齒輪制造研發(fā)有著豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)者、研發(fā)人員以及技師組成。

對(duì)于工藝參數(shù)重要度，以工藝參數(shù)對(duì)齒輪最終疲勞性能的影響程度為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，這里的疲勞性能包括齒根的彎曲疲勞極限和齒面的接觸疲勞極限。齒輪廠采用升降法針對(duì)某型號(hào)20CrMnTi齒輪進(jìn)行臺(tái)架運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)從而得到了齒輪的疲勞極限，得到齒輪的接觸疲勞極限為1 520 MPa，彎曲疲勞極限為430 MPa. 經(jīng)專家組商議后，認(rèn)為當(dāng)某工藝參數(shù)不合理時(shí)，兩種疲勞極限中受影響程度較大者的疲勞極限值降低在5%以內(nèi)，則認(rèn)為該工藝參數(shù)的重要度程度很低，其他重要度程度等級(jí)評(píng)定內(nèi)容見表1. 舉個(gè)例子，當(dāng)滲碳工藝中強(qiáng)滲時(shí)間不足時(shí)，導(dǎo)致滲碳層深度不足，大部分專家認(rèn)為滲碳層深度不足對(duì)齒輪的疲勞性能影響程度往往在20%～30%之間，因而對(duì)重要度評(píng)分為7～8分；而對(duì)于齒輪腹板孔數(shù)目來說，專家一致認(rèn)為對(duì)齒輪的疲勞性能影響程度在5%以內(nèi)，所以對(duì)重要度評(píng)分為1～2分。

對(duì)于工藝參數(shù)更改難易程度，以更改該工藝參數(shù)所投入的人力物力以及時(shí)間為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)更改該工藝參數(shù)時(shí)，需要進(jìn)行更換或改進(jìn)設(shè)備的價(jià)值在300萬元以上或需要一年以上的研發(fā)時(shí)間，則需要投入大量的人力物力以及時(shí)間，則認(rèn)為難易程度為很難，其他更改難易程度等級(jí)評(píng)定見表1. 舉個(gè)例子，當(dāng)想通過更換更好的磨齒機(jī)床來更改機(jī)床自身精度參數(shù)，特別是更換進(jìn)口設(shè)備，則需要1 000萬元左右的價(jià)格，且經(jīng)過審批、下單、運(yùn)輸、安裝等程序后，需要半年以上的時(shí)間，因而大部分專家對(duì)該參數(shù)更改難易程度評(píng)分為1～2分；而通過研究試驗(yàn)對(duì)砂輪種類以及砂輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行更改則相對(duì)容易的多，因此專家對(duì)砂輪種類和砂輪轉(zhuǎn)速的評(píng)分一致在7～10分之間。

對(duì)于當(dāng)前工藝參數(shù)的合理性，一是取決于專家對(duì)當(dāng)前工藝的認(rèn)知程度，二是與其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手甚至國(guó)際先進(jìn)水平對(duì)比后確定該參數(shù)是否合理。舉個(gè)例子，對(duì)于齒輪輪轂軸向?qū)挾龋糠謱＜覍?duì)比其他齒輪廠輪轂寬度，認(rèn)為當(dāng)前輪轂軸向?qū)挾冗^小，以至于影響齒輪傳動(dòng)的穩(wěn)定性，需要好好改進(jìn)，因而在合理性評(píng)分為7～8分。

對(duì)于工藝參數(shù)不良可探測(cè)度，以發(fā)現(xiàn)工藝不良的時(shí)間段為主要評(píng)定準(zhǔn)則，發(fā)現(xiàn)的時(shí)間越晚，發(fā)現(xiàn)的難度越大，則評(píng)分相對(duì)越高，這一點(diǎn)和RPN分析中的檢測(cè)難易程度D類似，只不過在RPN分析中，評(píng)分準(zhǔn)則為零部件故障被發(fā)現(xiàn)的時(shí)間段，而POPN分析中為工藝參數(shù)不良發(fā)現(xiàn)的時(shí)間段。舉個(gè)例子，齒輪材料的化學(xué)成分需要檢測(cè)后才能發(fā)現(xiàn)是否合格(評(píng)分5～6分)，正火溫度在加工時(shí)就可以隨時(shí)檢測(cè)控制(評(píng)分3～4分)，輪齒的修形量則需要進(jìn)行仿真分析甚至齒輪臺(tái)架試驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)其是否合理(評(píng)分7～8分)。

表1 因素等級(jí)評(píng)分準(zhǔn)則

3 齒輪制造流程的AHP-模糊綜合評(píng)判

由第2節(jié)得到了POPN分析法中各元素等級(jí)劃分準(zhǔn)則，接下來使用AHP-模糊綜合評(píng)判法對(duì)POPN分析法中的各因素權(quán)重進(jìn)行分配，并得到各工藝參數(shù)的優(yōu)化優(yōu)先度等級(jí)。

AHP-模糊綜合評(píng)判通常分為6部分，如圖3所示。首先，建立因素集；其次，建立因素評(píng)價(jià)集；第三，建立模糊因素評(píng)價(jià)矩陣；第四，確定各個(gè)因素的權(quán)重；第五，進(jìn)行一級(jí)模糊綜合評(píng)判；最后，進(jìn)行二級(jí)模糊綜合評(píng)判。

圖3 APH-模糊綜合評(píng)判流程Fig.3 Flow chart of APH fuzzy comprehensive evaluation method

3.1 建立因素集

因素集是影響評(píng)估對(duì)象的各因素集合，不同元素代表不同影響因素。用U表示，即

U={u1,u2,u3,u4}，

(3)

式中：u1、u2、u3、u4分別代表工藝參數(shù)重要度I、工藝參數(shù)更改難易程度(考慮耗時(shí)成本)C、當(dāng)前工藝參數(shù)合理性R、工藝參數(shù)不良可探測(cè)度D.

3.2 建立因素評(píng)價(jià)集

每個(gè)因素分為5個(gè)等級(jí)，即

V={v1,v2,v3,v4,v5}，

(4)

其評(píng)價(jià)等級(jí)劃分準(zhǔn)則參照表1。

3.3 建立模糊因素評(píng)價(jià)矩陣

如果h位專家成員中評(píng)定第i個(gè)因素隸屬于評(píng)價(jià)集等級(jí)Vj的有hij個(gè)人，就得到ui的評(píng)價(jià)集為

(5)

根據(jù)各工藝參數(shù)的各因素評(píng)價(jià)集可以得到故障模式模糊因素水平綜合評(píng)價(jià)矩陣R為

(6)

以熱處理階段的滲碳工藝設(shè)計(jì)的擴(kuò)散時(shí)間為例說明其模糊評(píng)價(jià)矩陣的建立過程，經(jīng)專家組評(píng)定，該參數(shù)的重要度模糊集為R1={0,0,0.2,0.6,0.2}，工藝更改難易程度R2={0,0,0,0.6,0.4}，當(dāng)前工藝參數(shù)合理性R3={0,0.1,0.2,0.4,0.3}，工藝參數(shù)不良可探測(cè)度R4={0,0,0.2,0.7,0.1}，即

(7)

3.4 確定各個(gè)因素的權(quán)重

由于各因素對(duì)流程優(yōu)化優(yōu)先分析的貢獻(xiàn)是不一樣的，因此設(shè)定一個(gè)因素權(quán)重集W為

(8)

首先，采用AHP確定各因素權(quán)重評(píng)判矩陣：4個(gè)因素相對(duì)重要性的判斷由10位專家完成，AHP在對(duì)指標(biāo)的相對(duì)重要性進(jìn)行評(píng)判時(shí)，引入了9分位的比例標(biāo)度，相對(duì)重要性的比例標(biāo)度見表2.

表2 9分位比例標(biāo)度

注：取8、6、4、2、1/2、1/4、1/6、1/8為甲指標(biāo)評(píng)價(jià)值的中間值。

表3為第一位專家判定的9分位比例標(biāo)度矩陣表，判斷矩陣表中各元素為i行指標(biāo)相對(duì)j列指標(biāo)進(jìn)行重要性兩兩比較的值。

采用Excel程序?qū)Ω饕蛩谽1、E2、E3、E4權(quán)重矩陣的最大特征值即對(duì)應(yīng)的特征向量A、一致性檢驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算方法與公式參考文獻(xiàn)[14]。如

表3 9分位比例標(biāo)度矩陣表

圖4所示，最大特征值λmax=4.068 4，對(duì)應(yīng)的特征向量經(jīng)歸一化處理為：A=[0.121 0、0.299 3、0.523 2、0.056 5]，一致性檢驗(yàn)結(jié)果為CR=0.025 6<0.1，故該組樣本滿足一致性要求，故第一位專家對(duì)各因素的權(quán)重分配值分別為0.121 0、0.299 3、0.523 2、0.056 5.

根據(jù)上述方法，對(duì)剩余的9份專家調(diào)查表采用相同的權(quán)重計(jì)算方法，并對(duì)各因素權(quán)重值進(jìn)行算術(shù)平均，最終得到W={0.148 6,0.302 9,0.443 8,0.104 7}.

3.5 進(jìn)行一級(jí)模糊綜合評(píng)判

依然以熱處理階段的滲碳工藝設(shè)計(jì)的擴(kuò)散時(shí)間

(9)

為了對(duì)比其他工藝參數(shù)的相對(duì)優(yōu)化優(yōu)先度，需要將模糊綜合評(píng)價(jià)向量進(jìn)行加權(quán)平均化處理從而得到一個(gè)數(shù)值，也就是綜合優(yōu)化優(yōu)先等級(jí)，即

(10)

同理，可以得到其他所有工藝參數(shù)的模糊綜合評(píng)價(jià)向量和優(yōu)化優(yōu)先等級(jí)。

圖4 權(quán)重及一致性檢驗(yàn)的Excel計(jì)算示例Fig.4 Excel calculating demonstration of weight and consistency

3.6 進(jìn)行二級(jí)模糊綜合評(píng)判

在對(duì)整個(gè)制造流程的所有工藝參數(shù)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)后，可以進(jìn)行二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)，得到各工序的綜合優(yōu)先優(yōu)化等級(jí)。

B5-2=W5-2R5-2=
[0.098 2,0.117 2,0.210 7,0.390 6,0.183 3]，

(11)

優(yōu)化優(yōu)先等級(jí)B5-2為

C5-2=B5-2V=3.443 7.

(12)

同理，可以得到其他所有工序模糊綜合評(píng)價(jià)向量和優(yōu)化優(yōu)先等級(jí)。

4 評(píng)判結(jié)果分析與優(yōu)化改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

4.1 評(píng)判結(jié)果分析

齒輪制造的各工藝參數(shù)經(jīng)過POPN分析以及AHP-模糊綜合評(píng)判后，一級(jí)模糊綜合評(píng)判優(yōu)化優(yōu)先等級(jí)排序見表4，因涉及工藝參數(shù)較多，只顯示排序前10的工藝參數(shù)。

表4 工藝參數(shù)模糊綜合評(píng)價(jià)等級(jí)

由工藝參數(shù)優(yōu)化優(yōu)先等級(jí)排序可知，排在前4的工藝參數(shù)均屬于熱處理階段的滲碳工藝設(shè)計(jì)工序，而滲碳工藝決定著輪齒滲碳層深度、表面硬度等值的大小，輪齒滲碳層深度和表面硬度又對(duì)齒輪的疲勞性能有著決定性作用，且不同齒輪對(duì)應(yīng)的最佳滲碳層深度并無十分確定的值作為指導(dǎo)，大部分齒輪廠僅僅要求滲碳層深度保持在一定范圍內(nèi)。另外影響滲碳層深度的各個(gè)工藝，如滲碳溫度、強(qiáng)滲時(shí)間等都比較容易控制，方便進(jìn)行不同工藝參數(shù)加工齒輪從而進(jìn)行試驗(yàn)研究，因而其模糊綜合評(píng)價(jià)等級(jí)較高。

排在第5～第7名以及第9的均是精加工階段的工序磨齒工藝設(shè)計(jì)，精加工的磨齒工藝決定著輪齒的加工精度等級(jí)和粗糙度等級(jí)，而高精度齒輪是高端裝備滿足高速、重載、沖擊、低噪音等極端環(huán)境要求的必要支撐[15]， 對(duì)比美國(guó)、德國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家，其精密齒輪的加工精度已普遍達(dá)到3～4級(jí)，特別是一些高端測(cè)量類齒輪，甚至可以達(dá)到2級(jí)，而該廠家齒輪經(jīng)測(cè)量后精度等級(jí)普遍在5～7級(jí)之間，因而其模糊綜合評(píng)價(jià)等級(jí)也相對(duì)較高。

上述幾個(gè)工藝參數(shù)還有一些相同的特點(diǎn)，就是工藝參數(shù)相對(duì)來說容易更改和控制，但是卻很難確定該參數(shù)更改或控制為何值時(shí)能最大化地提升齒輪的性能，也就是說當(dāng)前工藝參數(shù)是否合理無法確定，而工藝參數(shù)更改難易程度和當(dāng)前工藝參數(shù)合理性這兩個(gè)因素的權(quán)重值都相對(duì)較高。如果按照傳統(tǒng)FMECA方法進(jìn)行定性分析排序，忽略了各因素之間的權(quán)重分配，就會(huì)使得權(quán)重最低的可探測(cè)度因素與上述兩種因素同等重要，而造成不合理的優(yōu)化優(yōu)先等級(jí)排序，可見，使用模糊綜合評(píng)判的方法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確、合理。

二級(jí)模糊綜合評(píng)判優(yōu)化優(yōu)先等級(jí)排序見表5，因涉及工序較多，只顯示排序前7的工藝參數(shù)。

由二級(jí)模糊綜合評(píng)判也可以看出，熱處理階段的滲碳工藝和精加工階段的磨齒工藝這兩個(gè)工序應(yīng)該作為優(yōu)先優(yōu)化的工序，也就是說，如果從整個(gè)工序入手進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，應(yīng)優(yōu)先選擇這兩個(gè)工序，且盡可能將這兩個(gè)工序的所有工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 優(yōu)化改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

由評(píng)判分析結(jié)果可知，該齒輪廠應(yīng)優(yōu)先對(duì)滲碳工藝和磨齒工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，但是最佳工藝參數(shù)值卻不能確定，且各個(gè)工藝參數(shù)之間可能還存在著相互作用，因此參照田口方法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量工程試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

表5 工序模糊綜合評(píng)價(jià)等級(jí)

以滲碳工藝為例進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，見表6，將碳勢(shì)、強(qiáng)滲時(shí)間、擴(kuò)散時(shí)間、滲碳溫度作為控制因子，每個(gè)因子分為3個(gè)水平，進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)，根據(jù)正交表，對(duì)不同工藝參數(shù)齒輪進(jìn)行齒輪臺(tái)架疲勞極限試驗(yàn)，并將疲勞極限作為品質(zhì)特性，最終對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，從而得到最佳工藝參數(shù)組合，使得齒輪疲勞極限得到提升。因篇幅有限，具體正交試驗(yàn)表建立方法和試驗(yàn)結(jié)果分析方法參照文獻(xiàn)[16]。

表6 工序模糊綜合評(píng)價(jià)等級(jí)

同理，將砂輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、砂輪種類和砂輪安裝精度作為控制因子，進(jìn)行輪齒加工試驗(yàn)，并將加工后的齒輪精度誤差和粗糙度誤差作為品質(zhì)特性，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，即可得到最佳工藝參數(shù)組合，使得齒輪加工精度得到提高。

5 結(jié)論

1) 本文POPN分析法是參照傳統(tǒng)FMECA的RPN分析法而提出的，因?yàn)榭紤]了制造成本和當(dāng)前工藝水平等因素，且針對(duì)某精密齒輪生產(chǎn)流程的各工藝參數(shù)對(duì)各因素進(jìn)行了詳細(xì)的等級(jí)劃分，該方法更適用于制造工藝參數(shù)的優(yōu)化優(yōu)先度分析。

2) POPN分析法與AHP-模糊綜合評(píng)判相結(jié)合的方法，克服了傳統(tǒng)FMECA的RPN分析無法對(duì)工藝參數(shù)各影響因素權(quán)重進(jìn)行分配的不足，該方法更科學(xué)、合理、切合實(shí)際。

3) 本文對(duì)20CrMnTi精密齒輪制造流程的各工藝參數(shù)以及工序的優(yōu)化優(yōu)先等級(jí)進(jìn)行了分析排序，并給出相應(yīng)的改進(jìn)方案，為該齒輪廠齒輪制造流程各工藝的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)提供了參考和指導(dǎo)，該評(píng)判方法也適用于其他類型齒輪的工藝參數(shù)優(yōu)化優(yōu)先度分析，即使存在不同的加工方法、設(shè)備與環(huán)境。同時(shí)上述分析改進(jìn)流程對(duì)其他產(chǎn)品制造流程的工藝優(yōu)化優(yōu)先等級(jí)分析以及改進(jìn)方案的制定具有參考價(jià)值。

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Optimization Priority Analysis of Precision Gear Manufacturing Process Based on AHP Fuzzy Comprehensive Evaluation Method

LI Qiang, XIE Li-yang, LI Hai-yang, ZHANG Fang-min, SONG Jia-xin

(Institute of Modern Design and Analysis, Northeast University, Shenyang 110819, Liaoning, China)

The traditional failure mode effect and criticality analysis (FMECA) is often used in product risk analysis of failure mode, which does not involve the technological parameter optimization priority analysis of product manufacturing process, and the unreasonable weight distribution of the severity, probability of occurrence and detective difficulty exists in risk priority number (RPN) analysis. A process optimization priority number (POPN) analysis method is proposed by referring to the RPN method of traditional FMECA, taking the manufacturing process of a precision gear as the research object, in which the current technology level and technology improvement cost are considered. And then the optimization priority levels of all technology parameters are evaluated and sequenced based on the analytic hierarchy process fuzzy comprehensive evaluation method. According to the evaluated results, the improvement projects of important technology parameters are presented to increase the reliability and supportability of precision gear products.

machinofature technique and equipment; FMECA; POPN; technological parameter; manufacturing process; APH fuzzy comprehensive evaluation method

2016-07-14

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“精密機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)和高檔齒輪制造技術(shù)”(2014BAF08B01)；遼寧重大裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心資助項(xiàng)目(2014年～2017年)

李強(qiáng)(1988—)，男，博士研究生。E-mail: liqiang_neu@163.com

謝里陽(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail: lyxie@mail.neu.edu.cn

TH162+.1

A

1000-1093(2017)04-0750-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.017