基于精益六西格瑪方法的K418C 殼型小棒質量控制研究

劉佳，都建京，王曄

（1.中國航發北京航空材料研究院，北京 100095；2.哈爾濱理工大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150008）

鎳基高溫合金由于其優異的高溫力學性能[1—3]，被廣泛用于石化、煤化和制堿工業中[4—5]，尤其在國防工業中用于制造先進飛機發動機渦輪熱端部件[6—7]。隨著鑄造技術的不斷發展，鎳基高溫合金在吸氣發動機中的應用比例已經高達50%以上。此外，鎳基高溫合金的使用溫度甚至可以到達其0.8 倍熔點的溫度范圍，而在這個溫度以下進行使用時，零件的使用壽命甚至高達10 萬h[8]，而且是一種非常理想的航空航天材料。對于鑄造材料而言，其鑄態顯微組織往往決定著材料的各方面性能[9]，而在實際生產過程中，鎳基高溫合金常常因鑄造過程中產生的氧化夾雜缺陷而報廢，因此如何快速而又有效地控制鎳基高溫合金中常出現的氧化夾雜缺陷，是鑄造鎳基高溫合金生產中的重要環節。

隨著企業生產管理技術的逐步完善和發展，能夠有效改善產品質量、減低成本、穩健提升企業競爭的方法已經在企業生產管理和生產流程改善中扮演著越來越重要的角色。通過對實際生產過程中的大量數據進行實時監測和統計，對影響生產產品質量的因素進行準確掌握，這就能夠為工藝流程的調整和控制提供高效、可靠的依據[10]。此外，作為一種有效的質量管理和優化方法，精益六西格瑪管理方法將精益生產與傳統六西格瑪法進行結合，對于降低并解決實際生產過程中的缺陷問題來說，是最佳的選擇[11]。與傳統方法相比，該方法采用精益生產中用于分析客戶價值的工具，可以為六西格瑪法提供更加真實、可靠的依據[12]，因此近年來，許多學者都開始采用精益六西格瑪管理方法，對產品質量的改善和控制、合格率的提高等方面進行了大量的研究。

2003 年開始，寶鋼在其熱軋精益生產過程中正式推行“六西格瑪精益運營”，對解決不同問題的兩類管理方式進行高效的整合，在國內塑造了較為完善的“六西格瑪精益運營”優化系統[13]。同年中航第一集團也嘗試對六西格瑪的基礎架構進行建立。胡金辰通過精益六西格瑪法對變速器副箱氣缸使用過程中的漏氣故障進行調查分析，確定了5 個主要影響因素，即氣缸體大內孔同軸度、氣缸體的外止口對小孔同軸度、氣缸體小內孔的粗糙度、氣缸體大內孔尺寸、副箱氣缸結構缺陷，并加以改進，取得了良好的效果[14]。此外精益六西格瑪管理方法不僅在企業中得到了廣泛的認可，國內許多高校的學者也對精益六西格瑪管理方法進行了大量的研究。王帥等運用精益六西格瑪理論，對WD-400 挖掘機滑動軸承的裝配進行了質量控制的研究，找出了影響裝配質量的關鍵因素，并有效降低了其不合格率[15]。山東大學的胡京開對某公司曲軸加工過程中的質量問題和成品的使用故障進行了研究，運用六西格瑪質量管理理論，解決了影響SL80 曲軸使用的重大質量問題，不僅有效解決了曲軸加工質量的預防和控制，還提升了曲軸加工質量控制水平和顧客滿意度[16]。通過Minitab 軟件對某企業印刷電路板的加工質量進行了六西格瑪統計質量控制，并確定出影響假焊率過高的兩個主要因素為焊接溫度和松香比重，改進和優化的結果表明，印刷電路板的生產過程已經穩定可控[17]。

目前國內外關于該理論的研究已經趨于成熟，現階段的研究主要集中在精益生產和六西格瑪的整合，以及精益六西格瑪在各個行業的應用研究。北京航空材料研究院熔鑄中心是國內大型母合金生產基地。由航材院采用殼型工藝生產的K418C 小棒母合金，具有無縮孔特點，一直備受客戶青睞。另一方面，由于產品技術工藝的復雜性高，殼型工藝生產的K418C小棒的發貨率較低。對此，熔鑄中心通過精益六西格瑪項目，解決生產制造的瓶頸問題，提高產品質量，為合理優化生產流程提供理論支撐。

1 試驗

1.1 材料及檢測

采用的合金為K418C 鎳基高溫合金，該合金屬于γ'相沉淀強化型的鎳基高溫合金，比重較輕，在900 ℃下具有良好的抗氧化和抗疲勞性能，并有良好的持久和疲勞強度。但該合金在熔煉生產過程中極易產生氧化物夾雜缺陷，極大影響了鑄件的成品率。文中主要進行檢測的缺陷即為氧化物夾雜缺陷，相應的檢測方法如下：①單位，1 個熔煉爐次；② 數據類型，可數型數據；③缺陷部位，全表面；④ 缺陷，夾雜物；⑤ 缺陷規律，無；⑥ 測量方法，由正常視力（5.0～5.3）的檢驗員，在18 W 燈管照射條件下，距離物料10～20 cm 進行目視檢驗；⑦ 抽樣方法，100%（每根檢驗）。

圖1 氧化物夾雜缺陷形貌Fig.1 Morphology of oxide inclusion defect

1.2 精益六西格瑪方法

精益化六西格瑪，是精益生產與六西格瑪的結合，具有兩者的優點，能夠提高質量更好的產品，更好滿足客戶需求，使客戶滿意度和忠誠度達到最高從而占有市場。同時這種先進管理模式能夠不斷的改進創新，減少成本提高效率，又能提高市場反應能力，使競爭者難以模仿，提高企業的競爭力，使企業始終保持旺盛的生命力并保持前進。精益六西格瑪技術體系法以流程為對象，消除浪費，降低成本。六西格瑪方法通過減少過程中的變異，提高流程的質量。精益生產可以提高流程的效率，降低成本，能夠快速解決問題。如果將兩者有機結合起來，相互補充，既能提高流程的效率和質量，又能使企業的效益最大化。精益六西格瑪管理可以縮短交付周期，提高效率，提高產品質量，降低企業的生產成本，為企業帶來巨大的利潤。采用精益六西格瑪對產品進行精益化管控，其收益具體表現在：①降低產品缺陷的出現率，提高產品合格率；② 減少材料浪費，降低成本；③減少流程中的變異，提高產品的穩定性。

2 結果與討論

2.1 缺陷的確定和測量（DM 階段）

定義階段也被常稱為D 階段（Define），是整個精益六西格瑪管理項目過程的第一步，也是決定項目管理過程的關鍵階段。在對項目進行改進前，首先需要對待解決的問題建立宏觀的評價機制，也就是明確產生問題的所在（Define）。根據項目選擇的“3M”原則，即Meaningful（有意義）、Manageable（可管理）和Measurable（可測量），通過內部來源和外部來源兩種方式確定項目來源：①內部來源，從2017年4 月開始至2018 年4 月，對VIM 爐制備的殼型工藝K418C 合金小棒的生產過程進行了全程跟蹤，在此期間K418C 合金小棒的生產總量約為16.1 萬根，產品合格率為93.58%，不合格率中因存在目視可見夾雜物而報廢的根數占報廢總數的54.56%，如圖2所示，由于可見夾雜物而造成的產品損失率較高；② 外部來源，通過走訪客戶，傾聽客戶投訴，通過顧客需求VOC 識別工具，了解到產品的夾雜對客戶的產品有著關鍵的影響作用，甚至會影響到客戶的產品質量，因此，將降低夾雜率作為項目目標，這樣能夠不僅能夠提高產品質量，提高發貨率，還能增加產品訂單。

圖2 各缺陷在不合格率中造成的損失比Fig.2 Loss ratio in disqualification ration caused by each defect

測量階段也被常稱為M 階段（Measure），是整個精益六西格瑪管理項目過程中的連接橋梁，這一階段決定了定義階段和分析階段之間的銜接是否良好。只有通過完整的收集數據才能進行有效分析，并最終獲得對問題和改進的定量認識。首先建立了影響夾雜物缺陷的各個因素的因果圖，如圖3 所示。為了進一步確定主要影響因素Xs，通過頭腦風暴、貼黃紙以及因果圖等數據處理方法，共找出13 個會影響夾雜物產生的主要因素，即圖2 中所標示的X1—X13。

圖3 引起夾雜物缺陷各個因素的因果Fig.3 Cause-effect diagram of various factors causing inclusion defects

2.2 數據的分析和整理（A 階段）

在分析階段（Analysis），采用對方差分析、矩陣圖、一般線性模型等方法對數據進行處理，其結果表明，影響夾雜物缺陷的關鍵因素Xs為：坩堝掉砂級別（X10）和殼型吸灰時長（X8）。方差分析曲線如圖4 所示，其中坩堝掉砂級別和殼型吸灰時長的貢獻率分別為80.7%和4.4%，其影響較為顯著。此外根據在現場所繪制的K418C 小棒生產的實際流程圖，如圖5 所示，并與工藝文件規定的流程圖進行對比發現，原有的工藝流程中殼型吸灰時長沒有特別要求，而陶瓷殼型的面層涂料含Al2O3，這導致高溫下殼型吸灰不易操作，吸灰不徹底，此外冒口沒有防護也會導致Al2O3氧化夾雜物缺陷的發生。坩堝制備過程中普遍采用的六頭鋼釬對鎂砂的搗打效果不佳也會帶來氧化鎂夾雜的風險。

從上述分析可以得出，氧化物夾雜的主要成分為氧化鎂和氧化鋁，因此對生產的鑄錠進行隨機選取，利用掃描電鏡和能譜分析儀對鑄錠表面的填充物進行微觀觀察的和成分分析，圖6 給出了選取試樣的缺陷選取位置和相應的能譜分析結果，可以明顯看出其氧化夾雜物均為MgO 和Al2O3夾雜，與數據分析的夾雜物來源相一致。

2.3 改進與控制階段（IC 階段）

圖4 影響夾雜物缺陷的關鍵因素Xs 的數值分析結果Fig.4 Numerical analysis results of key factor affecting inclusion defects

圖5 改善前后現場所繪制的K418C 小棒生產的實際流程Fig.5 Actual flow charts of K418C stick production drawn at site before and after improvement

圖6 缺陷選取位置和相應的能譜分析結果Fig.6 Location of selected defects and corresponding results of EDS

根據上述A 階段獲得的數據處理結果，對實際生產流程進行優化，由于陶瓷殼型在儲存和運輸過程中，常會有夾雜異物掉入型腔內部，因此要求供應商在運輸前先對陶瓷殼型進行清洗，并在運輸保存階段對冒口和澆口杯進行包裹防塵防護，可以再次避免異物進入殼型內部；此外原有工藝要求操作工人在高溫下進行陶瓷殼型的清理工作，很難保證清理徹底，因此，將清理工作優化至室溫進行，然后加以防護避免二次污染，同時在常溫下吸殼，可以使操作者更有效、準確地控制吸殼時間。針對坩堝掉砂，就需要使熔煉坩堝更加密實，則搗打工序的工作至關重要，搗打不實會使坩堝材料掉入金屬液內形成夾雜。從改進坩堝制備工具的角度出發，將原有的六頭鋼釬改進為單頭鋼釬，如圖7 所示，可以使熔煉坩堝具有一定的強度，并對坩堝的烘烤工藝進行了改進，根據長時低溫去氣，短時高溫燒結的原理，對坩堝的烘烤工藝進行調整。最后從人員操作的角度進行改進，采取固化操作，編制標準作業，規范操作工人的操作動作，并在現場建立儀表板，對夾雜率進行實時監控，建立了如表1所示的流程控制計劃數據單，其中“能力”指的是“過程能力指數”，即工序長期保證產品質量標準的程度；“正確決定”則表征檢驗員目視檢測缺陷樣品的成功率；NDC（Number of Distinct Categories）為測量系統分析中的計算分組數；Gage R &R（Gage Repeatability and Reproducibility）為檢測系統的再現性和重復性。最終根據實際測量的結果建立了如圖8 所示的氧化夾雜缺陷的I-MR 控制圖，即單值控制圖和移動極差控制圖，表明工藝改進后產品中的氧化夾雜缺陷已基本保持長期穩定。

圖7 優化前后采用的六頭鋼釬和單頭鋼釬Fig.7 Six-head steel and single head steel used before and after optimization

表1 實際生產采用的流程控制計劃數據單Tab.1 Process control plan data sheet used in actual production

圖8 氧化夾雜缺陷的I-MR 控制Fig.8 I-MR control diagram of oxidation inclusion defects

2.4 工藝改善效果分析

流程優化前后因夾雜報廢的小棒根數得到有效改善，其DPMO（Defects per million opportunities）由改善前的53034 降低至10355，改善率高達80.5%，改善效果非常明顯。根據從熔鑄過程各個工序中進行監控，抽取樣品進行檢測，得到夾雜報廢的小棒根數的時間序列圖以及相應項目整個過程中DPMO 的變化分別如圖9a 和b 所示。分析可知，在實施精益六西格瑪項目改善后，K418C 殼型小棒產生夾雜的趨勢有顯著下降，達到改善目標且得到了客戶的認可。此外改善后的效果已經能夠進行有效控制，使其能夠保持項目取得的成效。

3 結論

圖9 夾雜報廢的小棒根數的時間序列趨勢分析和整個項目各階段中DPMO 的改善情況Fig.9 Time series trend analysis with the number of scrap sticks and the improvement of DPMO in each stage of the whole project

采用精益六西格瑪的方法，通過因果圖、方差分析等分析手段，結合掃描電鏡和能譜分析等檢測手段，準確地找出影響產品質量的關鍵因素。采用精益方法進行了相應的優化和改善，在工藝流程優化后的批量生產中，避免了檢測量大和檢測成本的不利因素，將因夾雜報廢的小棒根數的 DPMO 降低了80.5%，不僅有效提高了產品的合格率，而且節省材料費140 余萬元/年。隨著材料行業的不斷發展，對于高純凈度的母合金需求越來越大，航空航天、核電工業對于母合金的純凈度也越來越高，所以，運用精益六西格瑪方法結合理化性能測試、失效分析等方法，對于分析夾雜物來源，提高產品質量將會有很大的提升。