基于FAP和TOC的工藝問題分析方法研究

楊伯軍,萬 鵬,蘇明岳,李 壯

(河北工業大學機械工程學院,天津 300131)

創新是企業發展的動力,其可以幫助企業保持核心競爭力。技術創新包含側重于產品研發階段的產品創新和側重于產品制造階段的工藝創新2個方面[1]。產品創新主要是對產品的功能進行創新,以滿足市場需要。工藝創新則是指企業在生產過程中,采用了全新的或有極大改進的加工方式、加工設備和組織管理方法對產品進行生產,從而達到提高加工質量、效率和降低成本的目的[2]。從一個產品誕生之初,客戶需求就驅動著產品功能的創新,但隨著其不斷發展,需求驅動逐漸轉變為技術驅動,產品改進也由產品創新轉變為生產過程的創新[3]。

工藝和產品的一個主要區別在于工藝流程中所引入的流程性物質經過一次或多次改變最終形成產品,并且工藝流程是流動的,可以反饋到工藝流程中的某個階段。研究工藝問題的重點在于了解產品生產過程中的操作和工藝,以及它們之間的關系?？焖贉蚀_地發現工藝問題的根源,是實現工藝創新的關鍵。

國內外學者對工藝流程問題分析方法進行了廣泛的研究。SERGEI[4]最先提出適用于分析流程性問題的流程功能模型,并提出了對應的流程裁剪規則用于解決工藝流程中的問題;洪琮鎰[5]則將價值分析與流程功能分析相結合,將價值較低的工序作為問題工序,并利用流程裁剪等工具來解決,從而極大提高了流程的效率;RU等[6]在原有流程功能模型的基礎上,通過繪制流程圖輔助建立流程功能模型,然后利用TRIZ中的發明原理解決工藝問題從而改善工藝流程;譚若詩等[7]提出了一種基于行政流程圖的流程功能分析方法,以此來幫助建立更加有效的工藝流程模型,從而解決工藝問題;陳子順等[8]集成TRIZ,TOC和精益生產,建立了基于TOC的工藝創新集成模型,該模型能夠明確地識別出生產系統中的瓶頸,并對生產系統中的沖突提出可靠的解決方案。

目前既有研究多是通過流程功能模型和流程裁剪等工具處理已經確定的某些工藝技術問題,未能建立符合工藝流程特征的工藝創新問題分析方法,無法作為一般化的方法處理在工藝創新中出現的問題,且缺乏工藝問題根原因分析等關鍵環節的指導方法。因此,為了完善工藝創新問題核心原因識別方法,以傳動裝置的關鍵傳動件為研究對象,在改進流程功能模型的基礎上建立了符合工藝流程特征的工藝創新問題分析方法,構建了工藝問題根原因分析模型。該方法可以作為通用方法處理工藝創新中的問題,為企業進行工藝創新時提供一定的理論參考。

1 相關理論及其工具概述

流程功能分析是基于TRIZ中的功能分析所延伸發展出的一種流程性問題分析工具,用于識別和區分流程中各操作的功能。利用流程功能分析可以得到工藝流程的一系列功能缺點和流程功能模型[9]。

1.1 流程功能模型

1)流程與操作

流程是操作序列,即一系列操作的有序集合。操作是功能載體、功能對象及操作功能的集合[10]。

流程、操作和功能關系的示意圖如圖1所示。

圖1 流程、操作和功能的關系Fig.1 Relationship between process, operation and function

2)流程功能

在流程功能分析(function analysis for process,FAP)中,根據功能所達到的結果是否與期望一致,將功能區分為有害功能和有用功能。有用功能根據功能所達到的性能水平又可以分為正常的、不足的、過量的。在流程功能分析中,需要對有用功能進行評級分類,以此評估每個操作的價值,根據功能對象以及功能對象所做的改變在最終產品中的狀況進行劃分可以將其分為3種,即生產功能、條件功能和矯正功能。

生產功能是指一個給產品參數帶來永久性不可逆轉變化的有用功能。條件功能指幫助其他有用功能執行的有用功能,又可分為支持功能、運輸功能和測量功能3類。矯正功能是指消除缺陷的有用功能。流程的功能分類如圖2所示。

圖2 流程功能的分類Fig.2 Classification of process functions

1.2 約束理論

約束理論(theory of constraints,TOC)[11]是一種識別并消除目標實現過程中約束的理論。應用約束理論中的當前現實樹(current reality tree, CRT)可以描繪工藝系統的當前狀態,利用事件的相互關系來反向定位不良效應,追溯對系統造成不良影響的根原因[12]。當前現實樹如圖3所示。

圖3 當前現實樹的構造模式Fig.3 Construction mode of current reality tree

2 基于流程功能模型的工藝流程問題分析模型

結合功能模型和功能結構的優點改進流程功能模型,可以使流程功能模型表達出系統功能的實現原理,便于識別關鍵沖突區域。功能結構可以描述系統功能的實現過程,建立功能結構可以清晰直觀地看出系統內部中能量、物料和信息的轉換過程[13]。系統的每一次轉換都是通過一個功能元實現的。通過分析系統問題所涉及能量-物料-信息的轉換過程,可以在功能結構上直接確定與問題相關的功能元。因此,結合功能模型和功能結構的優點改進流程功能分析可以使工藝流程分析過程更加清晰,且能夠幫助工藝人員擺脫思維慣性,明確工藝問題的本質,進而增強流程功能模型的可操作性。研究提出了結合功能模型和功能結構的優點改進了流程功能模型,構建了適用于工藝流程分析的流程功能模型,幫助作業人員更加全面有效地分析工藝流程。

功能模型可以明確產品內各功能之間的關系,功能結構可以描述產品內元件的屬性變化。因此,可以結合功能模型和功能結構的優點建立面向工藝系統的功能結構,最后結合原有流程功能模型建立改進的流程功能模型。

基于流程功能模型的工藝流程問題分析模型構建步驟分為構建工藝系統的流程功能模型、建立當前現實樹、利用層次分析法確定根原因重要度3個部分。

2.1 構建工藝系統的流程功能模型

具體構建工藝系統的流程功能模型步驟如下:

1)繪制系統黑箱模型,明確工藝系統總功能、初始加工對象及最終成品,以輸入輸出流的形式呈現,如圖4所示。

圖4 工藝系統的黑箱模型Fig.4 Black box model of process system

2)依據工藝流程的定義[14],分解總功能。工藝流程包含一系列按順序實行的工序,工序由一系列操作組成,每一步操作也都有其對應的功能。將工藝流程的功能劃分為總功能、分功能、工序功能以及操作功能,將工藝流程中的功能描述為“動詞+功能對象”的形式。根據工藝流程功能實現的邏輯關系以及加工對象性能參數變化,可以將工藝系統總功能分解為多個分功能,然后將分功能分解為各工序所包含的工序功能,最后將工序功能分解為有序實現的操作功能。工藝流程的總功能為工藝流程所需要實現的功能,其可分解為復雜程度較低的分功能,如齒輪生產流程就包含切削、熱處理、鍛造等分功能。工序功能為某一道工序所需要實現的功能,操作功能則為工序內某一具體操作所需要實現的功能,工藝系統功能分解如圖5所示。

圖5 工藝系統功能分解Fig.5 Functional decomposition of process system

3)將操作功能按照功能實現的邏輯順序連接起來得到工藝系統的功能結構。

4)對工藝系統內的每一步操作建立基于裝置的功能模型。

5)分析操作間主要流的變換,通過操作間物料流、能量流、信號流的流動表達各操作間的作用效果,如圖6所示。

圖6 工藝流程分析過程模型Fig.6 Process model of process flow analysis

6)分析操作內元件作用關系,如圖7所示。

圖7 操作內元件作用關系Fig.7 Action relationship of elements in operation

分析操作內元件作用關系時,以功能對象為單位,先分析與功能對象相互作用的功能載體功能,然后分析與超系統元件相互作用的功能載體功能,最后以前2步分析得到的功能載體作為功能對象,來分析與其相互作用的其他功能載體功能,直到每一個元件都分析完成。

7)分析建立的流程功能模型中全部功能,并對其進行分類,將其按照流的流動順序連接起來,得到最終的流程功能模型如圖8所示。

圖8 流程功能模型Fig.8 Process function model

2.2 建立當前現實樹分析工藝問題的根原因

構建工藝流程的流程功能模型后,可以通過物料流、能量流、信號流在各操作間的流動順序識別出產生工藝問題的問題操作,然后通過建立問題操作的當前現實樹分析其產生的根原因。

2.3 層次分析法確定根原因重要度

識別出工藝流程中工藝問題產生的根原因后,當根原因數量為多個時,可以借助層次分析法對根原因進行重要度排序,從而使工藝人員在解決工藝問題時可以根據根原因的重要度排序獲得更好的解決方案。

基于流程功能模型的工藝流程問題分析模型的構造過程如圖9所示。

圖9 基于流程功能模型的工藝流程問題分析模型Fig.9 Process flow problem analysis model based on process function model

層次分析法構造步驟[15]如下:

1)建立包含目標層、判斷層和方案層3個層次的層次結構模型如圖10所示。

圖10 層次結構模型圖Fig.10 Hierarchy model diagram

2)分析同一層的元素之間的重要度,量化各元素間的重要度之比,劃分標度,如表1所示。量化指標時需要5位專家進行打分,取專家打分的算術平均值作為最終的打分值。

表1 標度及描述

3)比較判斷同一個層次內各要素間的比較重要度,分別形成判斷矩陣A。

4)計算全部判斷矩陣的特征值和特征向量,進行單層次一致性檢驗。

(1)

(2)

得到特征向量W=(w1,w2,…,wn)T;計算最大特征值λmax,如式(3)所示:

(3)

其中,n為判斷層指標的數量。

最后進行單層次的一致性檢驗,如式(4)所示:

RC=IC/IR,

(4)

其中:IR為平均隨機一致性指標,從查找同階平均隨機一致性指標表獲得;RC為一致性指標比率;IC為一致性檢驗指標,其計算公式如式(5)所示:

IC=(λmax-n)/(n-1) 。

(5)

(6)

其中:i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

總層次的一致性可接受后,對方案重要度排序,選擇重要度最大的方案為最佳方案。

3 實例驗證

高功率密度傳動裝置的核心在于高承載能力的齒輪和傳動軸等關鍵零件。傳統的齒輪制造過程主要由以下幾個工序構成:鍛造、正火、粗車、精車、滾齒、滲碳淬火、噴砂、低溫回火、研磨?，F以某型號的高功率密度傳動裝置的齒輪為例,應用上述工藝問題解決模型,對高承載能力齒輪制造流程進行分析,從而提高齒輪的承載能力。

3.1 流程功能模型

對齒輪加工工藝流程進行流程功能分析,齒輪制造的工藝流程中最先引入的初始目標對象為棒料,經過鍛造、正火、粗車、精車、滾齒、滲碳淬火、噴砂、低溫回火、研磨后形成最終目標對象齒輪。按照流程功能模型的建立過程得到流程功能模型如圖11所示。

由齒輪加工流程功能模型可以看出鍛造和滲碳淬火2個工序中的有害功能和不足功能較多,結合現場生產中鍛造和滲碳淬火的齒輪不合格品遠高于其他工序,因此將鍛造和滲碳淬火2個工序作為主要問題區域,對其建立當前現實樹進行根原因分析。

3.2 當前現實樹的構建

通過流程功能模型,發現齒輪加工過程的功能缺點主要發生在鍛造過程和滲碳淬火2個工序中,鍛造過程中功能缺陷的根原因主要為鍛造時對齒輪的內部組織的擠壓破壞導致內部晶粒組織變形。對滲碳過程的功能缺陷建立當前現實樹分析導致該缺陷的根原因,構建當前現實樹如圖12所示。

圖12 滲碳過程的當前現實樹Fig.12 Current reality tree of carburization process

由于高功率密度傳動裝置的材料已經確定,因此不考慮材料因素造成的影響。由滲碳過程的當前現實樹可以得出滲碳過程的根原因為滲碳冷卻速度慢、滲碳溫度不均勻、氣氛循環不良、滲碳冷卻速度慢。

3.3 關鍵根原因的確定

通過調查選擇發生概率、成本、難易程度、重要度4個指標作為判斷指標,構建高功率密度傳動裝置根原因的層次結構模型,見圖13。然后,分析判斷層的指標進行兩兩比較得到其重要度,并根據比較結果構建判斷矩陣,如表2所示。4個指標對應的判斷矩陣見表3—表6。

表2 判斷層指標兩兩比較判斷矩陣

表3 發生概率指標兩兩比較判斷矩陣

表4 成本指標兩兩比較判斷矩陣

表5 難易程度指標兩兩比較判斷矩陣

表6 重要度指標兩兩比較判斷矩陣

圖13 關鍵根原因決策層次結構模型Fig.13 Key root cause decision hierarchy model

對成本指標進行一致性檢驗,計算得w1=0.254,w2=0.254,w3=0.444,w4=0.048,故判斷矩陣特征向量或權重W=(0.254,0.254,0.444,0.048)T。由于比較元素為4個,故n=4,由式(3)得其最大特征值λmax=4.037,查表可知,當n=4時,IR=0.89,由式(4)得RC=0.014<0.1,因此,一致性可接受。

對難易程度指標進行一致性檢驗,計算得w1=0.573,w2=0.209,w3=0.109,w4=0.109,故判斷矩陣特征向量或權重W=(0.573,0.209,0.109,0.109)T。由于比較元素為4個,故n=4,由式(3)得其最大特征值λmax=4.004,查表可知,當n=4時,IR=0.89,由式(4)得RC=0.002<0.1,因此,一致性可接受。

對重要度指標進行一致性檢驗,計算得w1=0.165,w2=0.165,w3=0.393,w4=0.277,故判斷矩陣特征向量或權重W=(0.558,0.250,0.096,0.096)T。由于比較元素為4個,故n=4,由式(3)得其最大特征值λmax=4.043,查表可知,當n=4時,IR=0.89,由式(4)得RC=0.016<0.1,因此,一致性可接受。

最后進行總層次一致性檢驗,計算公式如式(7)—式(8)所示:

(7)

(8)

其中,IC為一致性檢驗指標,通過式(5)計算得到;Ci為目標層-判斷層判斷矩陣的權重。

4個根原因相對發生概率、成本、難易程度、重要度4項指標層次總排序計算結果見表7。

表7 層次總排序權重結果

由指標層次總排序結果可知,關鍵根原因為鍛造過程對齒輪內部的擠壓破壞。

3.4 方案解

3.4.1 有害功能分析

鍛造過程中鍛壓機械會從不同方向對齒胚進行擠壓作用使其達到預期的形狀、強度和硬度,同時鍛壓機械對齒胚的擠壓作用也會產生有害作用使內部晶粒組織產生裂紋,從而失去預期效果。因此,鍛壓機械對齒輪擠壓同時產生有用功能和有害功能。需要的理想情況為鍛壓機械既能使齒輪棒料達到預期的形狀、強度和硬度等,又不會對齒輪內部的晶粒組織產生破壞。

3.4.2 解決方案

在流程功能模型中找到有害功能對應的操作為平砧擠壓齒輪棒料,該操作執行的功能為生產性功能,因此需要應用對應的裁剪規則對其進行分析。經分析,利用生產性功能操作裁剪規則P2可以得到方案,并利用閉式鍛造產生齒輪預期形狀,閉塞式鍛造的原理如圖14所示。即按照齒輪的形狀設計加工相應的閉塞式鍛造模具,從而使棒料的受力均勻。

圖14 閉塞式鍛造主要原理圖Fig.14 Main schematic diagram of closed forging

具體方案如下:閉塞式鍛造模具內空間結構與棒料尺寸相匹配,將棒料放入預制的模具中,驅動復數個沖頭或模腔,讓棒料主要進行側向擠壓變形流動,進入設置在側面的模具空間,生產出預期形狀和性能的齒胚,待冷卻成型后撤走模具,可直接得到性能良好的齒胚,然后將成型齒輪胚胎進行檢驗,完成鍛造。

3.4.3 模具設計

為保證齒輪成形完整,采用“預鍛+終鍛”的方式完成,出模由頂桿頂出,保證終鍛成型精度,頂出桿設計為與齒形腔間隙配合的形狀,使頂出時鍛件受力均勻,從而提高鍛造齒輪精度,上下模采用 T 型螺絲與設備床身和滑塊連接。設計模具如圖15所示。

圖15 預鍛模具圖Fig.15 Mold drawing of preforging

3.4.4 模具的加工制造

由于鍛造工藝采用閉式鍛造方法進行鍛造成型,與工件接觸的模具零件材料的選擇需滿足以下條件。

1)模具材料應該具有很高的紅硬性,在高溫下保持較高的強度和耐磨性。

2)模具材料應該具有較高的熱傳導系數,并且溫度均勻性好、抗熱疲勞開裂能力強、冷卻速度快。

因此,選用 H13 鋼作為上/下模和頂桿的材料。 通過前面模具設計部分的研究,完成模具實物加工制造,如圖16所示。

圖16 模具實物Fig.16 Mold objects

3.5 采用新方案后的實際效果

通過對齒輪鋼試樣的組織及力學性能測試,結合鍛造、加工、熱處理、表面強化等工藝試驗。采用新方案以后齒輪齒面殘余應力表層大于700 MPa,次表層 0.02 mm 處殘余應力大于1 000 MPa,次表層 0.05 mm處殘余應力大于800 MPa。通過齒輪的彎曲疲勞試驗,獲得了新齒輪的彎曲疲勞強度為706.4 MPa。通過齒輪的接觸疲勞試驗,獲得了齒輪的接觸疲勞強度值為1 658.56 MPa。

4 結 語

研究通過構建面向工藝系統的功能結構改進流程功能模型,并結合改進后的流程功能模型、當前現實樹和層次分析法提出了基于流程功能模型和當前現實樹的工藝問題根原因分析過程模型。經過高功率密度傳動裝置的工藝創新實例驗證了所提模型,得出以下結論。

1)功能模型具有屬性分析強和功能結構整體性好等優點,其構建的面向工藝系統功能結構能更好地適用于工藝流程的功能分析。在此基礎上改進的流程功能模型可以清晰直觀地體現出工藝流程中操作狀態的變化和流程性物質的屬性變化。

2)通過流程功能分析后,高功率密度齒輪工藝流程的問題區域為鍛造和滲碳淬火2個工序,與現場情況基本一致。

3)高功率密度傳動裝置關鍵傳動件承載能力不足的核心原因為鍛造過程對齒輪內部的擠壓破壞。采用新方案后齒輪齒面的應力值和疲勞強度等參數均達到了提升關鍵傳動件承載能力的技術指標要求。

本研究構建了更符合工藝流程特征的流程功能模型,彌補了以前研究缺乏根原因評價環節的不足,完善了工藝創新問題根原因識別體系,豐富了工藝創新問題分析的研究內容。但研究仍然存在些許不足:首先,流程功能模型構建過程較為復雜;其次,對于評價指標的量化表征仍然無法脫離主觀因素的影響。在后續的研究工作中,應簡化流程功能模型的構建過程,降低模型的應用門檻。同時,還需提高工藝問題核心原因識別的智能化程度,融合更多數據挖掘和分析技術,為工藝問題根原因識別提供更有力的技術支持。