基于QFD的電解加工工藝健壯設(shè)計方法

年陳陳， 江擒虎， 陳遠(yuǎn)龍

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

電解加工是一些難加工機(jī)械產(chǎn)品零部件的重要加工方式，由于一系列不確定因素的影響，若電解加工工藝設(shè)計不合理，可將會導(dǎo)致零部件性能上的變化，引起質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至造成失效，因此對電解加工工藝的設(shè)計和過程控制等方面的要求越來越高。使設(shè)計加工的產(chǎn)品具有健壯性，亦即使產(chǎn)品和加工過程從滿足狹義的設(shè)計需求轉(zhuǎn)變?yōu)閺V義的滿足顧客需求，是有關(guān)電解工藝設(shè)計理論的重要研究內(nèi)容。本文提出了面向電解加工的健壯性設(shè)計的概念，并基于產(chǎn)品的功能需求，研究并分析這些需求與電解工藝參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系，進(jìn)行較優(yōu)參數(shù)組合方案條件下的指標(biāo)值預(yù)估分析，實現(xiàn)基于需求變換的電解加工工藝健壯設(shè)計。

1 電解加工中的健壯設(shè)計

健壯設(shè)計是在參數(shù)化、質(zhì)量功能展開（quality function deployment，簡稱QFD）和系統(tǒng)設(shè)計等基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展完善的一套新的優(yōu)化設(shè)計方法，它以充分穩(wěn)定地滿足顧客的需求為宗旨，在常規(guī)設(shè)計基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)工程的基本原理，將QFD、系統(tǒng)設(shè)計、試驗設(shè)計、方差分析、參數(shù)設(shè)計、試驗設(shè)計與容差設(shè)計、故障模式與影響分析、故障樹分析、仿真分析、工藝的穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計，以及生產(chǎn)制造階段的監(jiān)控、反饋和調(diào)整等一系列方法有機(jī)結(jié)合，形成了一種先進(jìn)的方法體系［1］。

電解加工作為一種加工工藝，涉及工件材料、電解液、加工溫度及控制參數(shù)等不同層次的影響因素，其中控制參數(shù)又包括電流模式K、加工電壓U和進(jìn)給速度V等，由于電解加工技術(shù)很難掌握。根據(jù)加工條件的變化，其組合方式復(fù)雜、工藝數(shù)據(jù)量較大，因而數(shù)據(jù)的處理工作非常重要［2］。由于研發(fā)時的目標(biāo)對象針對性較強(qiáng)、系統(tǒng)復(fù)雜，通常采用正向設(shè)計，只有對電解加工影響因素進(jìn)行權(quán)重分析與計算，才能確定其中最重要的影響因素。本文將應(yīng)用健壯設(shè)計對電解加工工藝進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

2 基于QFD的電解加工健壯設(shè)計方法

2.1 質(zhì)量功能展開（QFD）

QFD是健壯設(shè)計階段非常重要的一種方法，能在技術(shù)上確定優(yōu)化的方案，并且根據(jù)質(zhì)量屋進(jìn)行綜合分析，使優(yōu)化設(shè)計盡可能地滿足用戶需求。QFD是通過“質(zhì)量屋”的形式，量化分析顧客需求與工程措施之間的關(guān)系，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理找出關(guān)鍵措施，從而指導(dǎo)設(shè)計人員抓住關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)出滿足顧客需求的產(chǎn)品［3］。QFD的主要步驟如下。

（1）建立質(zhì)量屋。質(zhì)量屋是一種直觀的矩陣框架表達(dá)形式，是QFD的核心工具，提供了一種將用戶需求轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品和零部件特征并展開到制造過程的直觀結(jié)構(gòu)，通過建立質(zhì)量屋的基本框架以輸入信息，通過分析評價得到輸出信息，從而實現(xiàn)了一種需求轉(zhuǎn)換。質(zhì)量屋的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 質(zhì)量屋的結(jié)構(gòu)

（2）顧客需求分析與工程措施的確定。隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展和消費(fèi)環(huán)境的變化，市場需求也在不斷地變化，因此需要根據(jù)電解加工質(zhì)量需求的層次性及其分類特點，對傳統(tǒng)的整體步驟做一定的改進(jìn)，明確電解加工的基本需求，從需求項目導(dǎo)出質(zhì)量需求，以更具體的方式表達(dá)，再從功能滿足性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性及使用經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行探討加以修正和補(bǔ)充完善［4］。

（3）重要度的轉(zhuǎn)換。重要度轉(zhuǎn)換的方法一般有比例分配法和獨(dú)立配點法，比例分配法中質(zhì)量需求的數(shù)目和分布會影響技術(shù)特性重要度的結(jié)果，而獨(dú)立配點法能改進(jìn)這種過大或過小評價問題，故采用獨(dú)立配點法進(jìn)行重要度的轉(zhuǎn)換［5］。技術(shù)特性重要度為：

其中，Tj為第j個技術(shù)特性的重要度；Ci為經(jīng)過修正的第i個質(zhì)量需求的重要度；Rij為第i個質(zhì)量需求和第j個技術(shù)特性之間關(guān)系所對應(yīng)的數(shù)值。經(jīng)過重要度的轉(zhuǎn)換，將顧客需求轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)需求，得到技術(shù)需求重要程度，將所得的技術(shù)需求權(quán)重用于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計中的加權(quán)系數(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果能夠反映顧客的需求［6］。

（4）工程措施之間相互作用評估。在“技術(shù)特性－生產(chǎn)工藝”質(zhì)量屋中，屋頂列出了其后續(xù)的各種生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，左墻則列出了由第1個質(zhì)量屋屋頂構(gòu)成的“技術(shù)特性”各項指標(biāo)。專家小組對每項顧客需求與技術(shù)特性之間的關(guān)系打分，相關(guān)關(guān)系為強(qiáng)，則賦予其值為9分；相關(guān)關(guān)系較強(qiáng)，賦值為6；相關(guān)關(guān)系為中等，則賦予其值為3分；相關(guān)關(guān)系為弱，則賦予其值為1分?？瞻妆硎驹摻稽c所對應(yīng)的兩項工程措施之間不存在交互作用。

（5）層次分析法。運(yùn)用層次分析法，建立結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)造判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗，求出顧客需求重要度。

2.2 試驗設(shè)計和方差分析

試驗設(shè)計和方差分析能夠?qū)﹃P(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量問題進(jìn)行分析和驗證，從而更好地提高產(chǎn)品質(zhì)量并且解決系統(tǒng)故障。試驗設(shè)計是科學(xué)研究計劃關(guān)于研究方法與步驟的重要內(nèi)容之一，電解加工中的試驗設(shè)計應(yīng)遵循的基本原則［7－8］有對照性原則、單因子變量原則和平行重復(fù)原則。

方差分析是數(shù)理統(tǒng)計學(xué)中常用的數(shù)據(jù)處理方法之一。方差分析的目的是通過數(shù)據(jù)分析找出對該事物有顯著影響的因素、各因素之間的交互作用以及顯著影響因素的最佳水平等。

3 設(shè)計案例與分析

3.1 案例

電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽極溶解的原理，將工件加工成形的一種工藝方法。應(yīng)用QFD方法建立設(shè)計模型。用戶需求如下：① 電解加工精度高；② 工件表面粗糙度低；③ 加工生產(chǎn)率高；④ 加工過程腐蝕性??；⑤ 加工相對成本低；⑥ 加工過程穩(wěn)定性好。根據(jù)用戶需求建立質(zhì)量屋，如圖2所示。

通過將前述展開表和技術(shù)特性展開表合理組合，制出了電解加工顧客需求－技術(shù)特性二維質(zhì)量屋。該質(zhì)量屋既明確了關(guān)鍵技術(shù)，又能夠參數(shù)化，可以形成具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。由圖2可知，電流模式、加工電壓、進(jìn)給速度在工程措施重要度中占有非常大的比重。

應(yīng)用試驗設(shè)計和方差分析的方法分析電解加工綜合精度的影響因素。對于電解加工試驗，當(dāng)不改變工件材料、加工溫度和電解液（本試驗分別為3Cr2W8、35℃、12%NaNO3溶液）時，影響因素有電流模式、加工電壓和進(jìn)給速度。為了進(jìn)一步明確這些因素影響的情況，采用正交試驗對這3個影響因素進(jìn)行量化分析。因素水平見表1所列，實驗結(jié)果分析見表2所列，方差分析見表3所列。其中C為高度顯著因素，A為強(qiáng)顯著因素，B為較強(qiáng)顯著因素。另外，通過試驗設(shè)計確定A3B1C2為最優(yōu)生產(chǎn)條件。

圖2 系統(tǒng)質(zhì)量屋

表1 因素水平表

表2 實驗結(jié)果分析

表3 方差分析表

3.2 指標(biāo)值預(yù)估分析

下面對在A3B1C2條件下，加工間隙、底面間隙差、側(cè)面斜度、底側(cè)間隙差和凸臺高度可能達(dá)到的值進(jìn)行預(yù)估。首先估計底面間隙差可能達(dá)到的值，由表2可算出，底面間隙差的總平均值m1為0.135 82，m1相當(dāng)于各因素均取1、2、3水平的“平均水平”時的底面間隙差值。

在較優(yōu)組合方案中A取3水平，這時底面間隙差的平均值為：

該值比A取“平均水平”使底面間隙差變化了Ⅲ1A／3－m1＝0.025 544。

同理，B取1水平，C取2水平，各比“平均水平”使指標(biāo)底面間隙差減少的值為：

較優(yōu)組合方案條件下的底面間隙差預(yù)估計值δ1優(yōu)，可看作各因素取“平均水平”時的底面間隙差值，再加上各因素取較優(yōu)水平時使指標(biāo)底面間隙差變化的數(shù)值，即

同理，可以預(yù)估較優(yōu)組合方案條件下的側(cè)面斜度、底側(cè)間隙差、凸臺高度和加工間隙分別為：

由上述預(yù)估計值可見，較優(yōu)組合方案可使綜合加工精度大為改善，由此應(yīng)該進(jìn)一步確定A3B1C2方案試驗，予以驗證，其結(jié)果加工精度大為提高。

4 結(jié)束語

本文采用QFD方法進(jìn)行質(zhì)量屋綜合分析得出電解加工綜合精度的重要影響因素，然后進(jìn)行試驗分析，并將其應(yīng)用于電解加工基本工藝規(guī)律研究的健壯設(shè)計中，通過試驗結(jié)果分析和方差分析可得：

（1）脈沖電流比直流電流的加工效果好，且脈沖電流模式K值與綜合精度成正比例關(guān)系。

（2）加工電壓與綜合精度成正比例關(guān)系。

（3）加工速度與綜合精度成反比例關(guān)系。

（4）進(jìn)給速度對綜合精度影響較大。

由以上結(jié)論可知，本文提出的基于QFD的電解加工工藝的健壯設(shè)計方法，可以有效地保證設(shè)計目標(biāo)的健壯性和設(shè)計約束的可行健壯性，使得設(shè)計的電解加工工藝參數(shù)比采用傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計的方法得到的加工精度具有更高的安全性和可靠性。

［1］ 滕 啟，王秀葉.健壯設(shè)計及方法評介［J］.鍛壓機(jī)械，2002（1）：5－7.

［2］ 徐家文.電化學(xué)加工技術(shù)：原理、工藝及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：43－59.

［3］ 熊 偉.質(zhì)量功能展開：從理論到實踐［M］.北京：科學(xué)出版社，2009：80－81.

［4］ 楊樹文，侶海燕.健壯設(shè)計在專用設(shè)備研發(fā)中的應(yīng)用［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2012（11）：7－11.

［5］ 邵家俊.質(zhì)量功能展開［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：46－47.

［6］ 江擒虎，胡文超，年陳陳.AHP－QFD綜合模式在行星齒輪減速器多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，35（10）：1306－1310，1358.

［7］ 李云雁，胡傳榮.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：68－79.

［8］ 陳遠(yuǎn)龍.電解加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫及電解加工基本工藝規(guī)律研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2000.