Детали машин и станков, изготавливаемые литьем

Наиболее часто в машиностроении и станкостроении литьем изготавливают детали сложные по конфигурации (корпусные детали, станины станков), работающие при относительно невысоких напряжениях и малых динамических нагрузках, а также неответственные детали: крышки, фланцы, кронштейны, заглушки и т. п. Основные требовании к материалу этих изделий – хорошие литейные свойства, небольшая стоимость, минимально необходимый запас прочности и твердости, установленный конструктором. В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют чугуны с графитом.

– для изготовления массивной станины кузнечного молота сложной формы. Чугун должен иметь повышенные механические свойства: предел прочности на растяжение не менее 400 МПа и относительное удлинение не менее 5%.

– для изготовления станины шлифовального станка. Предел прочности должен быть не менее 250МПа. К станине предъявляются повышенные требования по стабильности геометрической формы. Указать режим термической обработки, обеспечивающий предупреждение деформации (коробления) станины в процессе механической обработки и эксплуатации.

Защиты практических работ предполагают определенную подготовку (прочтение соответствующих лекционных тем и выполнения соответствующих заданий на лабораторных занятиях). Отчет по практической работе должен быть представлен в электронном и бумажном виде.

1. Практическая работа 1-3 Выбор материала для типовых деталей и технологии их обработки на основе металловедческих концепций

2. Практическая работа 4-7 Построение базы знаний экспертной системы

Практические работы № 1–3

Выбор материала для типовых деталей машин и технологии их обработки на основе металловедческих концепций Практическая работ № 1

Построение деревьев свойств для деталей машин

Цель работы: ознакомиться с методикой построения деревьев свойств, как основным понятием оценки качества продукции

Последовательность выполнения работы № 1

1. Общие сведения

Деревья свойств. При оценке качества продукции одним из основных понятий является свойство.

Согласно ИСО 9000 качество – это степень, с которой совокупность собственных характеристик выполняет требования. А характеристика определяется как отличительное свойство.

Свойство – это характеристика, особенность продукции, проявляющаяся при ее создании, эксплуатации или потреблении.

Качество является иерархической совокупностью свойств. На верхних уровнях иерархии находятся комплексные или сложные свойства, которые по мере перемещения по ступеням иерархии делятся наменее обобщенные свойства. Таким образом, качество продукции можно представить в виде дерева свойств, при перемещении по которому происходит переход от более сложных к менее сложным свойствам.

Например, режущие свойства инструмента определяются его геометрическими параметрами и свойствами материала, из которого изготовлен инструмент (рисунок 1). В свою очередь, основными физико-механическими свойствами материала являются его твердость, температуростойкость, теплопроводность. Твердость инструментальных сталей зависит от их химического состава и режимов термической обработки. Процесс деления свойств можно продолжить и дальше.

Рисунок 1 – Построение «Дерева свойств» режущего инструмента

Иерархические структуры типа дерева позволяют провести анализ сложной системы, разделяя ее на более простые. Древовидные структуры применяются в системном анализе, в прогнозировании, в квалиметрии, в теории принятия решений.

В квалиметрии дерево свойств, с одной стороны, позволяет четко представлять, какие группы свойств составляют качество объекта, а, с другой, – является графическим выражением алгоритма расчета комплексной оценки качества изделия.

Построение дерева свойств оцениваемого объекта или дерева показателей качества является одним из этапов разработки методики оценивания качества продукции.

На практике при оценке качества продукции рассматриваются не вес свойства, а в основном, те которые характеризуют удовлетворение потребностей, ради которых создавалась продукция. Например, все металлические изделия обладают свойством проводимости электрического тока. Для электрических проводов это свойство является одним из основных, а для режущих инструментов оно не отражается на их способности выполнять спои функции, хотя косвенно оно может отражать теплопроводность, которая является важной характеристикой инструментальных материалов. Все свойства продукции делятся на три типа: сложные, которые можно разделить на менее сложные;простые – элементарные или неделимые иквазипростые. К квазипростым относятся сложные свойства, которые нецелесообразно делить на менее сложные, если известна функциональная или корреляционная зависимость между ними. Например, площадь помещения являеметодологи выбора материаловтся сложным свойством, которое состоит из длины и ширины, но во многих случаях площадь является достаточной характеристикой помещения.

Группа свойств – совокупность менее сложных свойств, на которую непосредственно раскладывается сложное свойство.

Высота дерева – общее количество ярусов в дереве. Общая схема декомпозиции свойств по ярусам дерева показана на рисунке 2.

Для простых объектов (инструмент, операция) число ярусов т = 4–7, для сложных (станок, технологический процесс)т = 8–12, для очень сложных (производственный процесс) число ярусов может достигать 20 и более.

Полное дерево – дерево, на последнем ярусе которого расположены только простые или квазипростые свойства.

Неполное дерево – на верхнем ярусе которого могут находиться сложные свойства.

Поддерево – ветка дерева, простирающаяся на два и более яруса.

Усеченное дерево – полное или неполное дерево, у которого в соответствии с конкретной решаемой задачей, исключается одно или несколько свойств или поддеревьев.

Правила построения деревьев свойств. В квалиметрии для построения деревьев свойств разработан комплекс правил, следование которым позволяет различным разработчикам применительно к одному и тому же объекту получить одинаковые деревья свойств Эти правила разделены на группы.

Правила, регламентирующие выбор типа дерева. При применении точного метода оценивания качества продукции необходимо строить полное дерево.

4 ЯРУСЫ ДЕРЕВА
0	1	2	…	т
	17	12		1
				2
		15		3
				4
	18		5
		16
			13	6
				7
			14
				8
				9
				10
				11

Рисунок 2 – Общая схема декомпозиции свойств по ярусам дерева

Правила построения деревьев свойств. В квалиметрии для построения деревьев свойств разработан комплекс правил, следование которым позволяет различным разработчикам применительно к одному и тому же объекту получить одинаковые деревья свойств Эти правила разделены на группы.

Правила, регламентирующие выбор типа дерева. При применении точного метода оценивания качества продукции необходимо строить полное дерево.

Если оценивание качества продукции будет осуществляться с применением шкалы рангов, то можно использовать усеченное дерево. Это существенно уменьшает трудоемкость оценки качества.

Допускается использовать неполное дерево свойств, если применяется упрощенный метод оценивания качества.

Общие правила построения деревьев свойств промышленной продукции. Максимальная высота дерева. Дерево необходимо ветвить до тех пор, пока на последнем его ярусе не останутся только простые и квазипростые свойства, которые можно определить инструментальным или экспертным способом.

Независимость по предпочтению свойств в. дереве.Это правило заключается в том, что в одной группе не должно быть свойств, улучшение которых приводит к ухудшению других свойств.

Например, для инструментальных сталей увеличение твердости, как правило, приводит к уменьшению прочности. Поэтому эти свойства нельзя включать в одну группу.

Независимое свойство – свойство, входящее в группу свойств, которое находится в отношении независимости по предпочтению с любым свойством этой группы.

Зависимое свойство – входящее в группу свойство, которое не находится в отношении независимости по предпочтению хотя бы с одним свойством из этой группы.

Любую построенную группу свойств необходимо проверять этому правилу.

Полнота учета особенностей применения объекта. В соответствии с этим правилом, в дерево должны включаться все свойства, отражающие особенности применения продукции. Можно не включать свойства, для которых нет данных, позволяющих определить значения показателей этих свойств.

Исключение свойств надежности. Свойства, определяющие надежность продукции (сохраняемость, ремонтопригодность, безотказность и долговечность), не включаются в дерево свойств. Они учитываются при вычислении комплексного показателя качества продукции в виде коэффициента использования.

Жесткость структуры начальных ярусов дерева. для технических объектов для первых10–12ярусов в квалиметрии разработано так называемое «обобщенное дерево свойств», в основных чертах применимое к любым типам подобных объектов. Для каждой конкретной продукции из обобщенного дерева исключают те свойства, которые не соответствуют специфики анализируемого объекта.

Общие правила построения поддеревьев свойств назначения. Единый признак деления для свойств в группе. Поскольку декомпозиция сложного свойства на группу свойств есть частный случай их классификации, то для всех свойств, входящих в группу; должен быть, единый признак такой классификации. Например, на рисунке 3 это правило нарушено.

Для свойства 1 признаком деления является «конструкция упругих элементов подвески» (рессоры, торсионы, пружины). Для свойства 2 признаком деления является «материалы, из которых изготовлены упругие элементы» (углеродистые, легированные стали). Для свойства 3 признак деления – «жесткость подвески». То есть в группе оказалось три признака деления, что недопустимо. Для выполнения этого правила деление на группы должно быть произведено как показано па рисунке 4.

Функциональная направленность формулировок свойств. В группе свойств желательно применять признаки деления, которые отражают не конструктивную структуру оцениваемой продукции, а характер выполняемых ею функций. Например, оценку качества металлорежущего станка целесообразно вести не отдельным его частям (шпиндель, суппорт, коробка скоростей, ходовой винт и т.д.), а по отдельным аспектам его функционирования (скорость резания, мощность, жесткость и т. д.).

Рисунок 3 – Декомпозиция сложного свойства на группу простых (неверный вариант)

Рисунок 4 – Декомпозиция сложного свойства на группу простых (верный вариант)

Это правило можно не выполнять, если требуется оценка именно конструктивных блоков продукции.

Необходимость и достаточность числа свойств в группе. Каждое свойство, входящее в группу, должно быть необходимым для адекватного описания связанного с этой группой сложного свойства. Одновременно количество этих свойств должно быть достаточным для обеспечения вышеуказанного адекватного описания.

Например, если в группу свойств, характеризующих свойство «размеры рессорного листа», входят: высота, ширина, длина, площадь, то для этой группы выполняется требование необходимости, но не выполняется требование достаточности, поскольку площадь может быть найдена по длине и ширине.

При первоначальном формировании групп одно свойство может быть включено в несколько групп. Это не страшно. Поскольку необходимость его присутствия в каждой группе в дальнейшем будет неоднократно проверена.

Возможно, что некоторые свойства будут статистически зависимыми, например диаметр и масса детали. Это неважно, поскольку комплексная оценка качества нечувствительна к корреляции свойств.

Если какое-либо свойство можно выразить через другие, например расчетом, то его можно исключить из дерева. Однако и в случае его сохранения ошибки не произойдет, поскольку нормированные коэффициенты весомости всех функционально связанных свойств будут в сумме составлять единицу, и завышения их влияния на качество за счет количества не произойдет.

Эталонное число свойств в группе. В группу свойств назначения необходимо включать как общие свойства для всех оцениваемых объектов, так и свойства, характерные лишь для отдельных единиц продукции. Например, если оцениваются два вида инструментов, один из которых имеет износостойкое покрытие, а режущие кромки другого упрочнены с помощью лазера, то в группу свойств назначения наряду с общими для обоих инструментов свойств надо включить и отличающиеся свойства - износостойкое покрытие и лазерное упрочнение.

Частные правила построения деревьев свойств. Эти правила применяются а отдельных случаях: при применении экспертного метода определения значений коэффициентов весомости и при допустимом уменьшении количества информации (за счет применения шкалы рангов или снижения точности оценки качествапродукции).

Случайный характер расположения свойств в группе. При экспертном определении значений коэффициентов весомости свойства, помещенные в начале списка группы, свойств, подсознательно считаются некоторыми экспертами наиболее важными. Поэтому свойства в группе должны располагаться случайным образом и эксперты должны знать об этом.

Минимум свойств в группе.Известно, что чем меньше свойств в группе, тем больше достоверность назначенных экспертами значений коэффициентов весомо и считается, что число свойств в группе должно быть не более 9. Это связано с ограничением на количество единиц оперативной информации, которое человек может перерабатывать одновременно – так называемым «магическим числом», равным 7 ± 2.

Исключение одинаково выраженных свойств. Если оценивание качества продукции будет осуществляться с применением шкалы рангов, то в дерево можно не включать свойства,в одинаковой степени выраженные в сравниваемых вариантах продукции. Например, при оценке влияния геометрических параметров на работоспособность инструментов, изготовленных из одного материала, свойства, характеризующие материал, можно в дерево не включать.

Порядок построения дерева свойств. Возможны два подхода к построению дерева свойств.

В первом случае процесс построения дерева свойств состоит из повторяющихся циклов разбивки сложного свойства на группу более простых. При этом рекомендуется применять следующую последовательность. Вначале осуществляется декомпозиция свойства, находящегося в начале списка группы, Затем делится первое свойство из вновь организованной группы и так до полного завершения построения дерева.

При втором подходе необходимо составить как можно более полный перечень свойств оцениваемого объекта и формирование дерева начинать с его последних уровней – с отнесения единичных показателей к тем или иным комплексным показателям предпоследнего уровня и далее, вплоть до нулевого яруса.

Каждой группе свойств присваивается свое название.

Все свойства нумеруются, начиная с самого верхнего яруса, в последовательности, показанной на рисунке 2.

При построении дерена для определения более полного перечня свойств оцениваемой продукции необходимо использовать различные источники информации:

– техническую документацию;

– государственные стандарты и другие нормативные и методические документы, классифицирующие продукцию по назначению и условиям применения и регламентирующие требования к ней;

– литературные источники по вопросам эксплуатации продукции или ее аналогов;

данные изучения потребительского спроса и прогнозные данные;

– опрос экспертов.

Определение состава группы экспертным методом. При делении сложного свойства на группу более простых у разных экспертов может быть различный набор свойств, входящих в группу. Некоторые свойства могут быть включены одновременно в разные группы. Для окончательного определения состава групп необходима их статистическая обработка, которая включает поиск «выпадающих» свойств, а также «согласованных» и «выпадающих» групп свойств.

Принадлежность свойства f к группе S определяется показателем , который называется «уровнем согласованности» экспертов в отношении свойства f. Он определяет ту часть экспертов, которые включили свойство вfгруппу:

n_f – число экспертов, включивших свойcтвоfв группуS;

п – общее число экспертов.

Свойство включается в группу, если _кр , где _кр – критическое значение «уровня согласованности». В наиболее ответственныхслучаях принимаются _кр = 1. в менее ответственных – 0,8; 0,66, но не ниже 0,5.

Согласованность индивидуальной группировки свойств у эксперта с группойSопределяется показателемр, который указывает долю свойств индивидуальной группировки, входящих в обобщенную группу.

число свойств индивидуальной группировки, входящих в обобщенную группу.

где f_fs – число свойств индивидуальной группировки, входящих в обобщенную группу; f – общее число свойств в индивидуальной группировке.

Индивидуальная группировка считается выпадающей, если  < 0,8 или в менее ответственных случаях  < 0,5.

Например, 4 эксперта предложили 14 свойств, характеризующих более сложное свойство. Эти свойства они объединили в 4 группы следующим образом (таблицаI).

Таблица 1

Объединение свойств в группы

Эксперты	Группы
	S1	S2	S3	S4
1	1,2,3,4,5	6,7,9	8,13,14	10,11,12
2	1,2,3,7	4,5,9	6,8,11	10,12,13,14
3	1,3,4,5	6,7,9	2,8,11	10,12,13,14
4	1,2,4,5,9	3,6,7	8,11,12	10,13,14

Необходимо провести статистическую обработку группировок.

Критическое значение «уровня согласованности» _кр= 0,66.

С начала определяются значения «уровня согласованности» по группам (таблица 2).

Следовательно, при _кр= 0,66 состав групп будет следующим:

Группа S₁свойства 1,2, 3, 4, 5;

группа S₂ свойства 6, 7, 9;

группа S₃ свойства 8. 11:

группа S₄: свойства 10. 12. 13, 14.

Далее осуществляется поиск «согласованных» и «выпадающих» групп свойств. Пусть индивидуальная экспертная группировка считается выпадающей при 0,5.

Таблица 2

Определение «уровня согласованности» свойств по группам

S1		S2		S3		S4
Свойство		Свойство а		Свойство а		Свойство О.
1	1,0	3	0,25	2	0,25	10	1,0
2	0,75	4	0,25	6	0,25	11	0.25
3	0,75	5	0,25	8	1,0	12	0,75
4	0,75	6	0,75	11	0,75	13	0,75
5	0,75	7	0,75	12	0,25	14	0,75
6	0,25	9	0,75	13	0,25	–	–
7	0,25	–	–	14	0,25	–	–

В нашем примере значения показателя Рбудут следующими (таблица 3).

Таблица 3

Расчет согласованности свойств по группам

Эксперты	Группы
	S1	S2	Sз	S4
1	1,0	1,0	0,5	0,67
2	0,6	0,33	0,67	1,0
3	0.8	1,0	0,67	1,0
4	0,8	0,67	0,67	0,75

Следовательно, надо исключить группировку второго эксперта в группе S₂. После этого необходимо снова рассчитать показатели согласованности индивидуальных группировок и повторить построение согласованных групп. Нетрудно проверить, что исключение индивидуальной группировки второго эксперта не изменит состава обобщенной группировкиS₂.

Выбор показателей свойств. При количественном оценивании качества в расчетах фигурируют не свойства, а их показателиР. Процедура по выявлению этих показателей тесно связана с процедурой построения дерева свойств и в большинстве случаев не вызывает каких-либо затруднении.

Исключение составляют случаи, когда для измерения какого-либо свойства может быть использовано два или более разных показателей. Например, для свойства металлорежущего инструмента «стойкость» могут быть выбраны два разных показателя: время работы до полного износа или длина пути до полною износа. В этих случаях следует учитывать трудоемкость определения показателя качества и степень его соответствия измеряемому свойству.

Кроме того, следует учитывать, что для большинства показателей существуют две формы их выражения, имеющие негативный и позитивный характер, например экономичность и неэкономичность, твердость и ударная вязкость и т. д. Желательно, чтобы формулировка показателей качества имела позитивный характер.

Для некоторых свойств отсутствуют показатели, выражаемые в физических единицах измерения. В этом случае принимаются условные показатели, выражаемые в долях единицы или в процентах и совпадающие по наименованию с наименованием свойств.

Понятно, что проблема выбора показателя свойств касается только свойств последнего яруса дерева. Для всех остальных свойств формулировка показателя совпадает с названием свойства.

«Цель определения показателей свойств дерева свойств фактически превращается в дерево показателей качества.