耐磨環的質量改進研究

陳 瑩，趙 清

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 前言

現如今，隨著經濟的快速發展以及農業向工業的轉型，國內對機械的需求量越來越大，其質量性能要求也越來越高[1]。耐磨環作為機械設備的關鍵零部件也受到了越來越多的關注。

耐磨環為泵送系統的關鍵零件，泵工作狀態下易出現機械故障和效率低等現象，會對工廠制造業領域造成不良影響。泵在不良操作條件下，耐磨環仍可以運轉，這對泵起到防御作用，同時可以控制液體的回收循環情況。所以，進一步優化耐磨環性能刻不容緩。傳統的耐磨環是以異種金屬材料制備而成，但是由于金屬材料的特性所限，阻礙了泵體功能的進一步提高[2]。耐磨環工作原理見圖1。兩個柱塞缸輪換工作，耐磨環需在耐磨板上進行不斷地往復滑動[3]。因此，接觸面常出現磨損現象，造成密封不嚴，故將會不定時的更換[4]。然而，更換過程費時費力，降低了生產效率。所以，提高耐磨環的質量顯得尤為重要，具有廣闊的發展前景。

1 耐磨環的問題現狀分析

耐磨環的硬質合金是保證耐磨性的重要基礎。其中，影響耐磨環耐磨損性能的重要因素主要有硬度、溫度、強度以及表面粗糙度等。本文抽取了100 個廢棄的耐磨環，并統計了各種廢棄耐磨環的數量，見表 1。

表1 耐磨環毀壞原因統計

耐磨環毀壞原因并不是只有一個，而是多個原因共同造成的，為找出影響耐磨環質量的“關鍵的少數和次要的多數”，利用Minitab軟件繪制出排列圖進行分析[5]，如圖2所示。

圖2 毀壞原因的Pareto圖

根據圖 2所示，造成耐磨環毀壞的主要原因有強度、粗糙度和硬度幾種因素，因此，對強度、硬度和表面粗糙度三種主要因素的影響作用進行分析。

初步分析可知，材料配比影響耐磨環的強度和硬度，而表面粗糙度一般是由加工過程所造成的，因此，造成耐磨環毀壞的主要原因是材料本身，其次可能是生產過程能力不足。所以，對生產過程能力進行深入分析。

2 過程能力分析

耐磨環的生產過程有十一道工序，初步分析后，確定開槽部分是十分關鍵的工序，若這部分工序達不到要求，槽深不合格或者是平整度不夠，都會使得與之配套的硬質合金不能很好的發揮其耐磨性能。用排列圖對開槽工序中耐磨環質量出現問題的原因進行分析，如圖3所示。

圖3 開槽工序不合格原因的Pareto圖

2.1 SPC 分析

由上述分析得知，耐磨環的深度問題是研究的主要問題。隨機選取125組數據，見表2。

(3)根據公式

得R圖的控制限：

表2 耐磨環深度數據 cm

(4)根據公式

(5)作控制圖運用Minitab軟件繪制耐磨環深度的均值極差控制圖，如圖4所示。

從圖4看出極差和均值均在界內；由判穩準則:連續25個點，界外的點數d=0；連續35個點，界外的點數d≤1；連續100個點，界外的點數d≤2；，生產系統的生產過程處于統計控制狀態，生產平穩。

圖4 耐磨環深度的均值極差控制圖

2.2 SPD分析

計算短期過程能力指數[7]：

μ=M=24.5

T=TU-TL=0.6

長期過程能力指數即過程性能指數

由表中數據計算得

繪制產品的工藝過程能力圖如圖5所示。

圖5 工藝過程能力圖

根據GB/T4091-2001，要求CP≥1.33，這是4σ控制的情況，由計算的結果可知，CP=0.55<1.33，工藝過程能力欠佳。因此分析問題并采取相應措施，需進一步優化處理。

2.3 頭腦風暴法

采用頭腦風暴法，對工藝、職員、機械設備、周圍環境等主要方面來分析及改進。

(1)工藝方面。對加工工序進行完善，前后對比見圖6。

圖6 改進前后的加工工序比較

(2)人員方面。開槽工序，前一道工序有四臺車床,而該工序僅有一臺，使得該機床工作量過大。經觀察，操作者在一個生產周期中操作時間為3 min，而在次周期中機器有效加工時間為10 min，根據公式

可以算出可同時操作4臺機器。考慮到實際情況，可以讓操作者同時操作兩臺機器。

(3)機器方面。A公司多為老舊設備，已經不能滿足精度要求。然而，設備是確保生產過程能否進行的重要基礎。設置更加精密的定位裝置設備，加強自動化程度，有助于提高加工質量。因此，有必要更換老舊設備，增加新設備的投入。

(4)環境方面。A公司車間里充斥著讓人暈眩的噪音和刺鼻的氣味。其中，鑄造車間更是酷熱難當。這無形中會影響產品的質量。為了解決此類問題，工作場地需配備有效的通風系統及必要的安全保障技術，廠房內的空氣中有害物質必須嚴格控制在相關環保規定以下。噪音應控制在85 dB以下[8]。此外，工作車間應具備良好的自然采光及照明系統。同時，需要落實現場5S，為生產高質量產品提供良好的基礎。

3 耐磨環硬質合金配方實驗設計

耐磨環硬質合金配方問題是 A公司面臨的頭號難題。目前，已驗證三種配方在試驗后增大了耐磨環的耐磨性、提高了硬度。但是，具體采用哪一種配方，需要進一步研究。因此，針對貴公司要求，采用正交試驗設計[9]的方法，對三種配方進行評估，進而為A公司提供最佳方案。

(1)實驗目的。按照企業要求，選出最佳方案。

(2)試驗指標。耐磨環的耐磨性和使用壽命達到期望的要求，表現為較高的硬度和強度，數值越大越好。

(3)確定因子水平。耐磨環硬質合金的成分有九種以上，為便于試驗設計，只考慮耐磨環的主要成分因素，WC、Ni、Cr、Fe 四種成分含量(%)分別對應A、B、C、D，選擇了三種方案，如表 3所示。

表3耐磨環硬質合金的主要成分因素-水平表

水平A/%B/%C/%D/%160～6314310～13264～6715514～17368～8016718～21

A公司硬質合金的材料配比一次為 300 kg，表3列出的是單位原材料中 WC、Ni、Cr、Fe 四種主要成分的含量。綜合考察抗彎強度和硬度，對試驗逐個評價，按效果打分，將打分的結果作為試驗結果進行數據分析，這樣把多指標問題轉化為了單指標問題。試驗計劃與結果見表4所示。

對指標的影響程度依次是：C、D、B(A)、A(B)。所以，最佳條件是C3D1B2A1。

4 Topsis法評價

根據本文的分析和改善方案，用Topsis法[10]進行評價。

評價方案所選指標為生產量、銷售量、開槽合格率、銅焊合格率、總合格率和平均使用壽命，所記錄數據為2016年3月份至9月份的結果，見表5。

表4 試驗計劃與結果

表5 A公司2016年3-9月份主要指標

平均使用壽命屬于低優指標，為了提高計算的準確度，應把平均壽命轉化為高優指標，即把其倒數值乘以 100，可得歸一化矩陣為：

A=

由矩陣A可得，最優和最劣方案分別為

從表6可以看出，從3月至9月生產狀況呈現上升的趨勢，最近的9月最好。所以，可以認定，改善方案是可行的。

月份D?iD-iCi排序結果30 40890 20490 3338640 35700 15970 3091750 26150 20340 4375460 29950 16530 3556570 20640 39020 6541380 16820 34370 6714290 19340 40900 67891

5 結論

本文通過質量管理方法和試驗分析，結合Minitab軟件，提出了耐磨環基體硬質合金元素最佳配比方案，并對關鍵工序進行了改進，使得耐磨環的合格率提高到了98%。提高了公司的質量水平，削減了質量損失，贏得了經濟效益，對實際生產具有一定的借鑒作用。

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