基于模糊層次分析法的機械加工工藝的優(yōu)化選擇

叢 成

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西 西安 710018)

機械加工工藝是指使用各類加工設備對金屬、木材、塑料等不同質地的材料進行加工，使其外形和內部構造及空間尺寸能夠滿足設計要求過程。機械加工工藝實質上是對整個機械加工流程和工序的合理選擇與謀劃[1]。早期機械加工企業(yè)常采用的加工工藝雖然在機械成本上投入較低，但生產(chǎn)過程中能耗高、污染大，對周邊的生態(tài)環(huán)境造成不可逆轉的損害。隨著國家對生態(tài)環(huán)境重視的程度越來越高，要求機械加工企業(yè)必須優(yōu)化加工工藝，以提高工藝精度，在節(jié)能降耗的同時做到低碳環(huán)保，減少對環(huán)境的破壞。

1 影響機械加工工藝精度的主要因素

1)理論誤差。機械加工過程中由于批量生產(chǎn)加工會導致所加工的零部件出現(xiàn)不可避免的誤差，即便是最先進的機械設備也存在加工精度極限，一旦被加工的零部件的精度要求接近或超過設備精度的極限，所產(chǎn)出的零部件出現(xiàn)誤差的可能性將會增加[2]。

2)設備誤差。加工機械的精度受到其機械性能的限制，尤其是在長時間作業(yè)后，容易產(chǎn)生金屬疲勞從而造成機械加工精度下降。

3)操作誤差。操作人員操作不當引起的誤差，即便是自控化的加工設備也需要操作人員對各項加工指令和設備情況進行校對和檢測，校對和檢測水平的差異也會影響到加工精度[3]。

4)加工工藝誤差。部分大體量的加工零件需要多個加工流程組合進行，分段加工，整個工藝系統(tǒng)在作業(yè)期間會受到外部荷載和溫度變化的影響，使得加工機械和加工工件產(chǎn)生一定的形變與熱膨脹。

5)工件殘余應力誤差。為避免在加工過程中出現(xiàn)位移而影響加工精度，會對工件使用加工夾具，而夾具對工件產(chǎn)生的應力，也會隨著加工設備對工件施加應力的增大而增大，容易在工件內部積聚一定量的剩余應力。

2 機械加工工藝綜合評價體系的建立

在查閱了大量的文獻資料以及在數(shù)位機械加工行業(yè)資深專家的指導下，確立了如表1的機械加工工藝綜合評價模型。表中將4個第一層級指標定義為Ci，i=1,2,3,4，即加工精度(C1)、環(huán)境(C2)、經(jīng)濟性(C3)、加工產(chǎn)品性能(C4)；二級指標定義為Cij。

基于上述對影響機械加工工藝精度主要因素的分析，在實際生產(chǎn)過程中評價一套機械加工設備或工藝的優(yōu)劣，不僅僅局限于其加工精度的高低，還包括機械和生產(chǎn)工藝的經(jīng)濟性能與環(huán)境性能，當然被加工產(chǎn)品的其他性能指標也是評判工藝優(yōu)劣的必要條件[4]。

2.1 加工精度指標(第二層級)的建立

加工精度指標包括：加工機械的精度，即加工機械能夠提供的加工精度；工件受力變形程度，即加工產(chǎn)品在加工過程中由于受到外力影響而產(chǎn)生的形變；工藝系統(tǒng)的熱變形量，即加工機械在加工過程中由于摩擦產(chǎn)生的熱而導致加工工具或材料受熱產(chǎn)生的形變量；加工機械先進性，即在機械加工過程中所使用的先進機械的比例；加工過程的不當操作，即操作工人未能按照生產(chǎn)工藝標準進行加工。

表1 機械加工工藝綜合評價模型

2.2 環(huán)境指標(第二層級)的建立

環(huán)境指標包括：工藝污染性，即加工工藝所產(chǎn)生的廢液、廢氣、廢渣、噪聲、強光等污染源；加工廢料的回收率，即加工所產(chǎn)生的各類邊角料或殘次加工品的回收率；加工廢物的可分解性，即加工所產(chǎn)生的各類廢料是否能夠被有效地處理和分解成無害化的物質；加工工藝的能源消耗量，即加工工件所需要消耗的電、水、氣以及其他能源量。

2.3 經(jīng)濟性指標(第二層級)的建立

經(jīng)濟性指標包含：材料成本，即加工單個工件所需消耗的各類原材料；加工制造成本，即加工機械的損耗和折舊、各類輔材的消耗以及加工產(chǎn)品的不合格率；回收處理成本，即加工所產(chǎn)生的污染物和邊角料的回收處理成本。

2.4 產(chǎn)品性能指標(第二層級)的建立

產(chǎn)品性能指標包括：塑性，即加工件的塑性保持能力；耐磨性，即加工件的耐磨能力；疲勞強度，即加工件在長時間作業(yè)后金屬或其他材料老化、破損的速率；剛度，即加工件的剛度；表面光潔度，即加工件表面光滑程度。

3 綜合評價與分析

3.1 指標綜合評價

為更準確地對各項影響因子進行評估，筆者邀請了10名來自機械加工設備生產(chǎn)廠家、科研院校以及加工工廠等相關單位的專家學者采用打分的方法進行評估[5]。

通過對第一層級的評價指標進行相互比較，并按其兩者之間關系的重要性進行評分，按得分將評價等級分為極其重要、十分重要、一般重要、略微重要以及同等重要等5個等級，分別對應9分、7分、5分、3分、1分。專家對第一層級的評價指標進行比較、評價的結果見表2和表3。

表2 第一層級評價指標比較統(tǒng)計表Ⅰ

表3 第一層級評價指標比較統(tǒng)計表Ⅱ

為了便于對該層級中的各項評價指標進行統(tǒng)一的評判，采用歸一法對表3中的評價得分進行數(shù)據(jù)處理。表3中Bi為序號；W為歸一處理后的相對權重值矩陣；AW為表3所代表的矩陣A與矩陣W的乘積；λmax是矩陣A的最大特征值，如：1.000/1.677=0.596 3，0.143/1.677=0.085 3，0.200/1.677=0.119 3,0.334/1.677=0.199 2，以此類推，從而到了表3中的比較值。

為了進一步確保分析數(shù)據(jù)的合理性，本文遵循層次分析法的基本原理對表3中機械加工工藝綜合評價體系第一層級評價指標進行了一致性檢驗。按照矩陣A的不一致程度指標CI=(λmax-n)/(n-1)對其進行了矩陣一致性檢驗，其中n為矩陣評價因子數(shù)量，得出CI=(4.236 1-4.000 0)/(4.000 0-1.000 0)=0.078 7，并取平均隨機一致性指標RI值為0.90，從而得出隨機一致性比率CR=CI/RI=0.078 7/0.90=0.087 4，鑒于CR值小于0.1，故其一致性檢驗符合要求。隨后采用同樣的模糊層次分析法分別對加工精度(C1)、環(huán)境(C2)、經(jīng)濟性(C3)、加工產(chǎn)品性能(C4)等4項評價指標進行了進一步的分析和評估，見表4～表11。

表4 加工精度指標(C1)指標評價、比較統(tǒng)計表Ⅰ

表5 加工精度指標(C1)指標評價、比較統(tǒng)計表Ⅱ

表6 環(huán)境指標(C2)指標評價、比較統(tǒng)計表Ⅰ

表7 環(huán)境指標(C2)指標評價、比較統(tǒng)計表Ⅱ

表8 經(jīng)濟性指標(C3)指標評價、比較統(tǒng)計表Ⅰ

表9 經(jīng)濟性指標(C3)指標評價、比較統(tǒng)計表Ⅱ

表10 加工產(chǎn)品性能(C4)指標評價、比較統(tǒng)計表Ⅰ

表11 加工產(chǎn)品性能(C4)指標評價、比較統(tǒng)計表Ⅱ

3.2 機械加工工藝系統(tǒng)綜合評價成果

3.1已經(jīng)分別對機械加工工藝綜合評價體系中的第一及第二層級指標進行了詳細的比較，為了更加直接地明確每一項評價指標在整個評價體系中的重要性，筆者在表12中進行了全局性的統(tǒng)籌和計算。例如，加工機械的精度(C11)在加工精度指標(C1)的相對權重系數(shù)為0.570 5，而加工精度指標(C1)在整個評價體系中的相權重系數(shù)為0.515 0，將兩個數(shù)據(jù)相乘便可得到加工機械的精度(C11)在整個評價體系中的全局權重值為0.293 8，以此類推得出所有第二層次評價指標的權重值。

表12 機械加工工藝綜合評價體系全局權重分析表

筆者在表13中對所有的第二層次影響因子按照其在全局中所占的比重進行了降序排列，同時對其權重值進行了累計，并將累計權重在70%以下的影響因子風險等級確定為影響加工工藝的重要風險，累計權重在70%～90%的影響因子風險等級確定為影響加工工藝的一般風險，累計權重在90%～100%的影響因子風險等級確定為影響加工工藝的輕微風險。

表13 機械加工工藝綜合評價體系影響因子排序及評級表

4 結束語

通過本文的研究已初步建立了一套較為完善的機械加工工藝評價體系，從而為諸多機械加工企業(yè)在選擇機械加工工藝時提供了一套具有科學性和實用性的評價方式，該評價體系尤其適用于機械加工企業(yè)在技術提升階段對擬采購的加工機械和擬選擇的加工工藝進行比對。