NÂNG CAO HIỆU QUẢ lắp CHỌN TRONG điều KIỆN sản XUẤT đơn CHIẾC LOẠT NHỎ

Kết quả thu được cho thấy, với cùng các loạt chi tiết mang lắp và yêu cầu đạt được độ chính xác của mối ghép như nhau, khi phân nhóm và phối hợp chọn các chi tiết lắp khác đi, tỉ lệ phế

NÂNG CAO HIỆU QUẢ LẮP CHỌN TRONG ĐIỀU KIỆN SẢN XUẤT ĐƠN CHIẾC, LOẠT NHỎ

INCREASING EFFICIENCY OF SELECTIVE ASSEMBLY

IN SINGLE AND SMALL BATCH PRODUCTION

1Học viện Kỹ thuật quân sự

a Phqhoang@gmail.com, b Xuanhungctm@gmail.com

TÓM TẮT

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu, tiến hành thử nghiệm phương pháp phân nhóm và phối hợp chọn lắp khác với các phương pháp lắp chọn thông thường Phương pháp này cho phép giảm đáng kể tỉ lệ phế phẩm khi lắp chọn so với cách chọn lắp theo nhóm trước đây Việc so sánh tỉ lệ phế phẩm lắp ráp theo phương pháp chọn lắp theo nhóm cũ và phương pháp mới được xác định bằng cả các tính toán lý thuyết lẫn thực nghiệm Kết quả thu được cho thấy, với cùng các loạt chi tiết mang lắp và yêu cầu đạt được độ chính xác của mối ghép như nhau, khi phân nhóm và phối hợp chọn các chi tiết lắp khác đi, tỉ lệ phế phẩm lắp ráp giảm đi rất đáng kể Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, có thể nghiên cứu, hoàn thiện phương pháp lắp chọn để ứng dụng cho dạng sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ nhằm giảm tỉ lệ phế phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất

ABSTRACT

This arcticle represents experiments using combination of group methods and selective assembly This method descreases waste rate significantly comparing to traditional group assembly method The waste rate is calculated in theory and experiments Results show that,

in all assembled series details and the same required accuracy, when grouping and selecting details in another ways, the waste rate assembly decreased significantly in comparison with current selective assembly The research shows the ability to research new selective assembly

in single and batch production in order to decrease waste rate

Keywords: selective assembly, waste rate, precision assemblies, single production,

small batch production

Khả năng đạt được độ chính xác chế tạo tại các nhà máy cơ khí ở nước ta hiện nay nói chung không cao Trong khi đó, thực tế đặt ra nhu cầu cần chế tạo nhiều mối ghép quan trọng

có yêu cầu độ chính xác lắp ghép khá cao (dung sai độ hở hoặc độ dôi nằm trong một khoảng

nhất định) Những yêu cầu này đôi khi vượt quá khả năng công nghệ hoặc không đảm bảo tính kinh tế khi sản xuất Trong trường hợp này, lắp chọn là giải pháp tốt để có thể mở rộng dung sai chế tạo các chi tiết, tạo thuận lợi cho công nghệ và giảm giá thành chế tạo mà vẫn đảm bảo được yêu cầu cao về đặc tính mối ghép

Tuy nhiên, khi tiến hành lắp chọn theo nhóm, thường số chi tiết bao và bị bao không

bằng nhau nên xảy ra hiện tượng thừa hoặc thiếu các chi tiết trong nhóm này hay nhóm khác, sinh ra phế phẩm lắp ráp Trong điều kiện sản xuất với sản lượng đủ lớn ta có thể điều chỉnh máy để đảm bảo sự phân bố trường dung sai của chi tiết bao và bị bao đồng dạng, giảm phế

phẩm lắp ráp Với sản xuất loạt nhỏ, đơn chiếc, quy luật phân bố kích thước các chi tiết trục

và lỗ rất khó kiểm soát và thường rất khác nhau gây ra phế phẩm lớn, hiệu quả kinh tế thấp, trong nhiều trường hợp là không thể chấp nhận được, đây cũng nguyên nhân chính cản trở

việc ứng dụng lắp chọn theo nhóm trong điều kiện sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ[1]

Vấn đề đặt ra, cần nghiên cứu tìm giải pháp để giảm phế phẩm, nâng cao hiệu quả lắp chọn trong điều kiện sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ – một dạng sản xuất phổ biến trong nền cơ khí nước ta hiện nay

ĐƠN CHIẾC, LOẠT NHỎ

Để làm rõ những nhận định trên và làm cơ sở cho việc xây dựng phương pháp nâng cao hiệu quả lắp chọn ứng dụng cho sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ, ta xét một trường hợp lắp ghép

cụ thể như sau:

Cần chế tạo 100 chi tiết trục và 100 chi tiết lỗ để đảm bảo đặc tính của mối ghép Ф60 Nhưng chỉ chế tạo được các chi tiết với cấp chính xác 7, tức là chế tạo các lỗ Ф60H7 và các trục Ф60r7

Sai lệch giới hạn, dung sai các kích thước và đặc tính mối ghép như sơ đồ trên hình 1

Độ dôi lớn nhất và bé nhất theo yêu cầu mối ghép ban đầu là:

Nmax = 54µm; Nmin = 28 µm

Dung sai độ dôi theo yêu cầu là: TD = 26 µm

Vì tổng dung sai của chi tiết trục và lỗ gia công là 60, tức là gần gấp ba lần dung sai độ dôi, nên khi sử dụng phương pháp lắp chọn theo nhóm, cần phân các chi tiết trục và lỗ thành

ba nhóm mới đảm bảo được độ dôi lớn nhất và bé nhất của mối ghép Hình 2 biểu diễn sơ đồ lắp ráp bằng phương pháp chọn lắp theo nhóm

Giả sử lỗ có phân bố theo quy luật xác suất đều, trục phân bố theo quy luật chuẩn

Với giả thiết trên, phân bố số lượng chi tiết lỗ trong các khoảng kích thước (tính theo sai lệch so với kích thước danh nghĩa) như bảng 1

Bảng 1 Phân bố các chi tiết lỗ Ф60H7 theo sai lệch kích thước

Khoảng sai lệch kích thước (µm) 0 ÷ <10 10 ÷ <20 20 ÷ 30

Với các chi tiết trục, xác suất xuất hiện chi tiết trục trong một khoảng chia bằng diện tích hình thang cong giới hạn bởi hai giá trị biên của các khoảng kích thước, trục kích thước

và đường phân bố mật độ xác suất Phương trình đường cong phân bố của trục là:

Trong đó, là hàm mật độ xác suất của chi tiết, là sai lệch bình phương trung bình, x là giá trị kích thước thực của chi tiết, và là gí trị trung bình của kích thước

Khi đó, xác suất xuất hiện chi tiết trục có kích thước thực nằm trong khoảng từ a đến b là:

P(a≤x<b) = =

= Ф(t1) - Ф(t2)

(Trong đó Ф(t2) là hàm Laplac với t2)

Tra bảng để xác định giá trị của hàm Laplac ứng với các sai lệch trên các khoảng đã chia, ta xác định được xác suất xuất hiện chi tiết trong mỗi khoảng Từ đó, xác định được số lượng chi tiết trong mỗi khoảng chia như bảng 2

Bảng 2 Phân bố các chi tiết trục Ф60r7 theo sai lệch kích thước

Khoảng sai lệch kích thước (µm) 41÷ <51 51 ÷ <61 61 ÷ 71

Số lượng các chi tiết trục và lỗ trong các nhóm và phế phẩm lắp ráp tương ứng như bảng 3

Bảng 3 Số lượng các chi tiết và phế phẩm trong các nhóm lắp

Trong 200 chi tiết trục và lỗ đem lắp, có 68 chi tiết phế phẩm Tỉ lệ phế phẩm lắp ráp là

34%

Xem xét sơ đồ lắp chọn theo nhóm ở hình 3, ta thấy phế phẩm xuất hiện là do số lượng chi tiết ở các nhóm chia tương ứng (1 với 1’; 2 với 2’ và 3 với 3’) chênh lệch nhau Khi quy luật phân bố các chi tiết ghép càng sai khác nhau, sự chênh lệch này càng nhiều, dẫn đến tỉ lệ phế phẩm lắp ráp càng lớn Đó chính là đặc điểm khiến lắp chọn theo nhóm không đạt hiệu quả kinh tế khi ứng dụng cho sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ

Theo sơ đồ, ta nhận thấy không nhất thiết phải lắp ghép các chi tiết tương ứng giữa các nhóm đã chia Ví dụ, ngoài việc lắp các chi tiết ở nhóm 2 với nhóm 2’, cũng có thể lắp một số chi tiết, trong một vùng phân bố hẹp của nhóm 2 với một số chi tiết, trong một vùng phân bố hẹp ở nhóm 1’, và tương tự là với nhóm 3’, mà vẫn đạt được yêu cầu về sai lệch độ dôi của mối ghép giống như việc chỉ chọn lắp tương ứng giữa các nhóm

Từ suy luận như vậy, ta sẽ chia các nhóm lắp thành những phân nhóm nhỏ hơn (điều này được thực hiện bằng cách chia các chi tiết lắp ghép thành nhiều nhóm hơn) Sau đó, có thể chọn lắp các chi tiết giữa các nhóm tương ứng và các nhóm lân cận Việc làm này sẽ giúp

“điều hòa” sự không cân bằng số lượng chi tiết lắp giữa các nhóm lớn Từ đó giảm phế phẩm lắp ghép

Phân chia các chi tiết trục và các chi tiết lỗ thành 6 khoảng kích thước (tính theo sai lệch) Tính toán tương tự như mục 2.1, xác định được số lượng chi tiết tương ứng trong khoảng chia theo sai lệch kích thước như trong bảng 4 và bảng 5

Bảng 4 Số lượng chi tiết trục trong các khoảng chia

Khoảng sai lệch

kích thước (µm) 41÷ <46 46 ÷ <51 51 ÷ <56 56 ÷ <61 61 ÷ <66 66 ÷ <71

Bảng 5 Số lượng chi tiết lỗ trong các khoảng chia

Khoảng sai lệch

kích thước (µm) 0 ÷ <5 5 ÷ <10 10 ÷ <15 15 ÷ <20 20 ÷ <25 25 ÷ <30

Đặt tên các nhóm lỗ theo thứ tự tăng dần của sai lệch kích thước là nhóm 1, nhóm 2,…., nhóm 5, nhóm 6 Tương tự, tên các nhóm trục là nhóm 1’, nhóm 2’, …, nhóm 5’, nhóm 6’ Với yêu cầu các độ dôi giới hạn là Nmin = 28 µm; Nmax= 54 µm, ta có thể thực hiện phối hợp lắp ghép các chi tiết giữa các nhóm lỗ và trục giữa các nhóm tương ứng và các nhóm lân cận, nghĩa là các lỗ nhóm i có thể lắp với trục ở các nhóm i' -1; nhóm i' và nhóm i'+1 Tương tự, trục nhóm k’ có thể lắp với lỗ nhóm k-1; nhóm k và nhóm k+1 Sơ đồ biểu diễn sự phối hợp các chi tiết lắp theo phương pháp cũ và mới như trên hình 3

Tiến hành chọn các chi tiết lắp theo nguyên tắc sau:

- Chọn các chi tiết lắp từ nhóm có chỉ số bé đến các nhóm có chỉ số lớn hơn

- Giả sử quá trình lắp đang dừng lại ở nhóm ai có ni chi tiết, nhóm b’j có m’j chi tiết Khi đó:

+ Nếu i<j thì chọn các chi tiết ở nhóm ai với số lượng lớn nhất có thể mang lắp với các chi tiết ở các nhóm mà nó có khả năng lắp ghép Nếu các chi tiết ở nhóm ai vẫn thừa ra, đó là phế phẩm lắp ráp

+ Nếu i>j thì chọn các chi tiết ở nhóm b’j với số lượng lớn nhất có thể mang lắp với các chi tiết ở các nhóm mà nó có khả năng lắp ghép Nếu các chi tiết ở nhóm b’j vẫn thừa ra, đó là phế phẩm lắp ráp

Hình 3 Sơ đồ chia nhóm các chi tiết và cách phối hợp chọn lắp

+ Nếu i= j thì chọn các chi tiết ở nhóm có số chi tiết nhỏ hơn trong hai nhóm ai và b’j

mang lắp với số lượng chi tiết tương ứng ở nhóm kia Nếu số lượng chi tiết ở hai nhóm bằng nhau thì chọn chi tiết ở nhóm nào mang lắp cũng được và kết quả không có gì khác nhau Quá trình phối hợp chọn các chi tiết để lắp ghép cứ thực hiện như vậy cho đến các nhóm cuối cùng Tổng số chi tiết thừa ra chính là phế phẩm lắp ráp

Theo nguyên tắc trên, sơ đồ quá trình thực hiện lắp ráp các chi tiết như hình 4

2

3 13

16

16 17 1

17 1 16

16 16

16

13

13 3

3

Nhãm lç

Sè phÕ phÈm lç trong nhãm

Sè chi tiÕt lç trong nhãm

C¸c chi tiÕt mang l¾p r¸p

Nhãm trôc

Sè phÕ phÈm trôc trong nhãm

Sè chi tiÕt trôc trong nhãm

C¸c chi tiÕt mang l¾p r¸p

Theo sơ đồ trên, sau khi lắp, thừa ra 2 chi tiết trục và 2 chi tiết lỗ Tổng số chi tiết mang

lắp là 200 Như vậy, tỉ lệ phế phẩm lắp ráp là 2%

Ở đây, cũng cần chú ý rằng, khi chia các chi tiết lắp thành nhiều nhóm hơn (chẳng hạn,

từ 3 nhóm thành 6 nhóm như ví dụ trên), nhưng vẫn áp dụng phương pháp chọn lắp theo nhóm thông thường, tỉ lệ phế phẩm vẫn không giảm đi

Như vậy, với cùng một loạt chi tiết trục và lỗ với yêu cầu độ chính xác mối ghép (độ dôi lớn nhất và nhỏ nhất) như nhau, khi ta sử dụng phương pháp phân nhóm và chọn lắp khác như

đã trình bày, có thể giảm tỉ lệ phế phẩm từ 34% xuống chỉ còn 2%

Để thực nghiệm về phương pháp nâng cao hiệu quả lắp chọn, ta tiến hành đo, phân nhóm và lắp ghép 100 chi tiết trục và 100 chi tiết lỗ của một mối ghép Việc phân nhóm, lắp

ghép được tiến hành theo hai phương pháp: Phương pháp chọn lắp theo nhóm thông thường

và phương pháp phân nhóm và phối hợp chọn lắp theo hướng nâng cao hiệu quả lắp chọn Khảo sát các chi tiết lắp chọn để đạt được độ chính xác của mối ghép Ф20 Tuy nhiên, ta chỉ gia công các chi tiết với cấp chính xác 8, tức là chế tạo ra các chi tiết trục Ф20n8

và các lỗ Ф20H8 Sau đó, sử dụng phương pháp lắp chọn để đạt được các yêu cầu của mối ghép Hình dáng và kích thước các chi tiết lắp ghép như trên hình 5

Hình 5 Các chi tiết trục và lỗ trong thực nghiệm

Để đơn giản cho việc gia công thử nghiệm, tiến hành gia công các bạc có lỗ trơn Ф20H8 bằng phương pháp khoan sau đó khoét, gia công các trục trơn Ф20n8 bằng phương pháp tiện

Để xác định được số lượng chi tiết trục trong mỗi khoảng chia, ta tiến hành đo kích thước chi tiết trục trên Ốp ti mét đứng dạng quang học, độ chính xác 0,002 mm Đối với các chi tiết lỗ, kích thước lỗ được xác định bằng panme đo lỗ điện tử, độ chính xác 0,002mm (sai

số đo tương đối lớn so với các vùng chia, nhưng ta chấp nhận nó như một sai số của quá trình gia công chi tiết ảnh hưởng đến sự phân bố kích thước)

thông thường

Độ dôi lớn nhất và bé nhất của mối ghép Ф20 là: Nmax = 24µm, Nmin = 6 µm

Dung sai độ dôi của mối ghép này là: TN = 18µm

Tổng dung sai của trục và lỗ khi gia công với cấp chính xác IT8 là 66µm, gần gấp 4 lần dung sai độ dôi theo yêu cầu của mối ghép ban đầu Do đó, khi sử dụng phương pháp chọn lắp theo nhóm thông thường, phải chia các chi tiết trục và lỗ ra thành 4 nhóm

Chia khoảng kích thước trong miền dung sai của trục và lỗ thành 4 khoảng có độ rộng gần bằng nhau (sự sai khác về độ rộng các khoảng do làm tròn số)

Phân bố thực nghiệm của các chi tiết trục và lỗ như trong bảng 6 và bảng 7

Bảng 6 Phân bố thực nghiệm các chi tiết trục Ф20 n8 khi chia thành 4 khoảng

Khoảng sai lệch kích thước (µm) 15 ÷ <23 23 ÷ <31 31 ÷ <39 39÷ 48

Bảng 7 Phân bố thực nghiệm các chi tiết lỗ Ф20H8 khi chia thành 4 khoảng

Khoảng sai lệch kích thước (µm) 0 ÷ <8 8 ÷ <16 16 ÷ <24 24÷ 33

Chọn các chi tiết trong các nhóm tương ứng để lắp ghép, số chi tiết trong mỗi nhóm và phế phẩm lắp ráp như bảng 8

Bảng 8 Phế phẩm trong các nhóm lắp

Tổng số phế phẩm là 52 chi tiết, trong số 200 chi tiết Tỉ lệ phế phẩm thực tế khi lắp theo phương pháp này là 26%

chọn

Ở phương pháp này, ta chia các chi tiết trục và lỗ thành 8 nhóm với các khoảng kích thước gần bằng nhau Số lượng chi tiết trong các khoảng cũng được xác định giống như đã

trình bày ở mục 3.2 Số lượng chi tiết trong các khoảng chia như trong bảng 9 và bảng 10

Bảng 9 Phân bố thực nghiệm các chi tiết trục Ф20 n8 khi chia thành 8 khoảng

Khoảng sai lệch

kích thước (µm) 15 ÷ <19

19 ÷

<23

23 ÷

<27

27 ÷

<31

31 ÷

<35

35 ÷

<39

39 ÷

<43

43 ÷

48

Bảng 10 Phân bố thực nghiệm các chi tiết lỗ Ф20 H8 khi chia thành 8 khoảng

Khoảng sai lệch

kích thước (µm) 0 ÷ <4 4 ÷ <8 <12 8 ÷

12 ÷

<16

16 ÷

<20

20 ÷

<24

24 ÷

<28

28 ÷

33

Đặt tên các nhóm lỗ theo thứ tự tăng dần của sai lệch kích thước là nhóm 1, nhóm 2,…., nhóm 7, nhóm 8 Tương tự, tên các nhóm trục là nhóm 1’, nhóm 2’, …, nhóm 7’, nhóm 8’ Như đã trình bày ở mục 2.2, các lỗ nhóm i có thể lắp với trục ở các nhóm i' -1; nhóm i' và nhóm i'+1 Tương tự, trục nhóm k’ có thể lắp với lỗ nhóm k-1; nhóm k và nhóm k+1 Với nguyên tắc chọn phối hợp các chi tiết lắp như đã trình bày ở mục 2.2, ta có sơ đồ quá trình lắp ghép như trên hình 6

Nhãm lç

Sè phÕ phÈm lç trong nhãm

Sè chi tiÕt lç trong nhãm

C¸c chi tiÕt mang l¾p r¸p

Nhãm trôc

Sè phÕ phÈm trôc trong nhãm

Sè chi tiÕt trôc trong nhãm

C¸c chi tiÕt mang l¾p r¸p

2

2 7

7

0

14

14

19

19 5

5 6

6 14

14 2

2 13 8

2 5

3 0

0

Theo sơ đồ trên, sau khi tiến hành lắp ráp, thừa ra 2 chi tiết lỗ và 2 chi tiết trục trong

tổng số 200 chi tiết mang lắp Tỉ lệ phế phẩm lắp ráp là 2%

Từ kết quả thực nghiệm, ta thấy rằng, với một phân bố thực nghiệm bất kỳ của một loạt chi tiết trong dạng sản xuất đơn chiếc, khi áp dụng phương pháp phân nhóm và chọn khác, tỉ

lệ phế phẩm giảm đi rất đáng kể, hiệu quả kinh tế tăng lên

4 K ẾT LUẬN

Lắp chọn là một giải pháp cho phép mở rộng dung sai chế tạo các chi tiết, nhằm tạo thuận lợi cho công nghệ gia công chi tiết, giảm giá thành sản xuất mà vẫn đảm bảo được yêu

cầu cao về đặc tính mối ghép Tuy nhiên, khi áp dụng phương pháp lắp chọn thông thường cho dạng sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ, tỉ lệ phế phẩm thường khá lớn, hiệu quả kinh tế thấp

Tỉ lệ phế phẩm này, phụ thuộc vào quy luật phân bố của các chi tiết trục và lỗ Tuy nhiên, các phân tích, tính toán lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy rằng, khi phân nhóm và phối hợp

chọn các chi tiết lắp ghép giữa các nhóm một cách hợp lý, có thể giảm đáng kể tỉ lệ phế phẩm

lắp ráp trong sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ, nâng cao hiệu quả kinh tế

Trong khuôn khổ bài báo, các nội dung được đề cập mới chỉ nghiên cứu sơ bộ, tính toán

cụ thể cho một vài trường hợp phân bố lý thuyết và thực nghiệm cụ thể Tuy vậy, những suy

luận về hiệu quả của phương pháp được đề xuất vẫn hợp lý khi áp dụng cho các dạng phân bố

lý thuyết và thực nghiệm khác nhau của các loạt chi tiết lắp Những kết quả đó cho phép mở

một hướng nghiên cứu thú vị về lắp chọn để ứng dụng cho sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ Cần

có những nghiên cứu sâu sắc và đầy đủ hơn về phương pháp phân nhóm, thuật toán phối hợp

lựa chọn các chi tiết lắp giữa các nhóm, mối quan hệ giữa tỉ lệ phế phẩm, phương pháp phân nhóm và quy luật phân bố các chi tiết lắp… để có thể ứng dụng phương pháp vào quá trình

sản xuất thực tế

[1] GS.TS Nguyễn Đắc Lộc, Công nghệ chế tạo máy theo hướng tự động hóa sản xuất, Nhà

xuất bản Khoa học kỹ thuật, 2005

[2] Benjamin Schleich, Sandro Wartzack, Approaches for the assembly simulation of skin model shapes, Computer-Aided Design, Volume 65, August 2015, Pages 18–33

[3] John A Schey, Introduction to Manufacturing Process, Third Edition, New York –

London, 2000

[4] Huiwang, Yiming Rong, Dongxiang, Mechanical assembly planning using ant colony optimization, Computer-Aided Design,Volume 47, February 2014, Pages 59–71

[5] Бурцев В.М., Васильев А.С и др.Технология машиностроения в Том 2 Изд МГТУ

им Баумана - 2001

[6] Замятин В.К Технология и оснащение сборочного производства машиноприборостроения: Справочник – «Машиностроение» - 1995

[7] Ю.Ф Набатников, Фам Куок Хоанг, А В Баранов, В.В Девятьярова

Особенности селективной сборки деталей машин в горном машиностроении,

Сборник научных трудов, Семинар «Современноые технологии в горном машиностроении», Москва 2014

1 Ph ạm Quốc Hoàng Học viện Kỹ thuật quân sự

Email: phqhoang@gmail.com DĐ: 0984775668

2 Lê Xuân Hùng Học viện Kỹ thuật quân sự

Email: Xuanhungctm@gmail.com DĐ: 0988395529