六西格瑪管理在O形橡膠密封圈內徑控制中的應用

趙 晴

（中國航空工業集團公司 金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211100）

O形橡膠密封圈（簡稱O形密封圈）作為常見的橡膠密封件，結構簡單、性能可靠、拆裝方便，廣泛應用于飛機液壓和氣動系統[1-4]，其中O形特種橡膠（氟橡膠、硅橡膠和氟硅橡膠等）密封圈由于其出色的耐高溫、耐低溫和耐油等性能得到了越來越多的應用[5-8]。但由于膠料收縮率較大和波動范圍較寬，O形密封圈生產中常常出現尺寸超差[9]，因此尋找O形密封圈的膠料收縮規律并掌握其尺寸控制的方法，具有重要意義。

六西格瑪管理是一種質量流程管理與統計技術相結合的方法，遵循一套完善的改進流程[10]，運用統計工具分析數據，將數據轉換成改進決策。六西格瑪管理分為定義、測量、分析、改善和控制（DMAIC）5個階段，每個階段都有相應的管理工具和方法。六西格瑪管理比傳統的質量管理更敏捷、更具前瞻性[11]，在航空工業中得到了廣泛應用[12]。

本工作以某規格O形氟硅橡膠密封圈為例，采用六西格瑪管理方法，分析影響O形密封圈內徑的因素，對其進行改進流程控制，提高產品質量。

1 六西格瑪概述

六西格瑪在統計學上表示一個流程或產品在100萬次使用機會中只出現3.4個缺陷，六西格瑪管理的目標是消除變量、優化流程、提高質量，滿足客戶需求[13]。

依靠統計學解決問題是六西格瑪管理的特點，其運用因果圖、流程圖、時間序列圖、矩陣圖和回歸分析等工具進行數據分析。而Minitab軟件作為一個全面的統計分析工具，提供了普通統計學涉及的大多數功能，并包含了大量的質量工具，可以繪制多種統計圖形，直接顯示數據分析的過程與結果，充分滿足六西格瑪管理各個階段的數據測量、收集、分析和改進的需求，是實施全面六西格瑪管理的重要工具[14]。

2 O形密封圈內徑改進與控制

2.1 定義階段

O形密封圈的主要尺寸有內徑和截面直徑（見圖1），但經統計O形密封圈內徑超差頻率遠大于截面直徑，同一批次O形密封圈的內徑差別較大是影響產品合格率的重要原因。本工作以內徑（75±0.4） mm的O形密封圈為例進行分析。

圖1 O形密封圈示意Fig.1 Diagram of O-ring

2.2 測量階段

目前O形密封圈內徑的檢測方法是將密封圈套在有尺寸刻度的圓錐上，利用重力自然下落，讀取最終所在水平線的刻度值。由于測量儀器經過校準，因此測量誤差主要來自于檢驗員的操作和讀數。為驗證該測量系統的可靠性，需進行抽樣調查，方法如下：隨機選出10個O形密封圈，由2名檢驗員分別測量內徑并重復操作1次，檢測結果如表1所示。

表1 O形密封圈內徑測量數據Tab.1 Measurement data of O-ring inner diameters mm

利用Minitab軟件對表1數據進行精確度分析，結果表明合計量具重復性和再現性（R&R）為11.75%（＜30%），表示測試的重復性與再現性水平較高，測量系統可接受；可區分的類別數為37（＞4），表明測量系統分辨不合格能力較好，能夠用于參數分析，測量系統合格。

2.3 分析階段

該階段通過數據分析確定影響輸出的關鍵影響因子，是六西格瑪管理DMAIC流程中的中樞階段。

首先通過因果圖尋找O形密封圈內徑控制影響因子，從操作者、設備、材料、環境、測量系統和工藝方法6個方面分析，排除設定因素，初步確定模具尺寸、膠料收縮率、膠料返煉時間、膠料停放時間、用料質量、硫化壓力8個影響因子，見圖2。

圖2 因果圖Fig.2 Diagram of causes and effect

由于膠料的線膨脹因數較鋼材大約20倍，因此經模壓硫化、啟模、冷卻至室溫后，橡膠制品會產生較大收縮，目前常用的模壓橡膠制品膠料收縮率（C）計算公式如下：

式中，L1是室溫時橡膠制品尺寸，L2是室溫時模具型腔尺寸[15]。

在O形密封圈的實際生產中，硫化溫度和硫化時間是根據膠料性質和產品尺寸共同確定的，無法更改，因此再排除其作為影響因子；模具尺寸是按膠料收縮率3.2%制作的，已經固定，也排除其作為影響因子。最終選定O形密封圈內徑的影響因子為膠料收縮率、膠料返煉時間、膠料停放時間、用料質量和硫化壓力。

為了判定各影響因子對O形密封圈內徑的影響，需用統計學中假設檢驗的P值法。P值表征某一事件發生的概率，P值小于0.05表示有統計學上的顯著差異，即對立假設成立。同時，用回歸分析方法評定各影響因子對結果的貢獻率（R2），R2越接近100%，表示選定的影響因子對結果波動的貢獻率越大。當P值小于0.05且R2值較大時，表明找到了關鍵的影響因子。

隨O形密封圈生產收集的數據如表2所示。其中，由于膠料外購，因此膠料的收縮率無法控制，此處按經驗設定膠料收縮率。使用Minitab軟件作回歸分析，檢驗其回歸模型是否成立（P值是否小于0.05），并評定各影響因子對O形密封圈內徑影響的R2。O形密封圈內徑與膠料收縮率、用料質量及硫化壓力的回歸分析結果如圖3所示。

表2 O形密封圈生產數據Tab.2 Producting data of O-rings

圖3 O形密封圈內徑與3個影響因子的回歸分析Fig.3 Regression analysis of inner diameter of O-ring and three influence factors

據計算，膠料收縮率、用料質量和硫化壓力3個回歸模型的P值分別為0.003，0.003和0.005，均不大于0.05，說明3個影響因子對O形密封圈內徑統計相關，其R2分別為21.5%，21.9%和20.0%，三者之和為63.4%，說明這3個影響因子為影響O形密封圈內徑的關鍵影響因子。

2.4 改善與控制階段

該階段要確定關鍵影響因子及其之間的交互影響，以利于O形密封圈內徑達到最優值，完成流程改善，使O形密封圈質量的缺陷或變異減至最小。

本階段對O形密封圈內徑的影響因子進行試驗設計并分析，采用“一次一個+保留勝者”的方法進行試驗，對第1個影響因子設置不同的數值，其他影響因子不變，試驗確定令O形密封圈內徑達到最優的數值，并固定下來，之后繼續對第2個影響因子進行數值設置和試驗，從而得到最佳組合。試驗結果表明，O形密封圈內徑影響因子的最優組合為：膠料收縮率為3.2%，膠料返煉時間為8 min，膠料停放時間為20 min，用料質量為2.6 g，硫化壓力為12 MPa。

使用Minitab軟件做O形密封圈內徑與膠料收縮率、膠料返煉時間、膠料停放時間、用料質量及硫化壓力的矩陣圖，評定多個因子間的相關性并得出以下結論：O形密封圈內徑與膠料收縮率呈負相關，與用料質量和硫化壓力呈正相關，與膠料返煉時間和停放時間關系不明顯。

根據影響因子最優組合和關鍵影響因子對O形密封圈內徑的影響方式，可采用相應的方法進行O形密封圈內徑流程控制。其中，膠料收縮率無法改變，但可通過首檢提前確定，然后調整工藝參數（用料質量和硫化壓力的增大都會導致密封圈內徑增大）。調整結果落實到相應的工藝文件中，由操作人員參照執行，從而提高O形密封圈內徑的合格率。

按照流程控制計劃執行后，隨機抽取生產中的25個樣件進行測量，測量結果見表3。改進后O形密封圈內徑保持在（75±0.2） mm的范圍內，達到了可控制的穩定狀態。

表3 流程控制后O形密封圈內徑的測量結果Tab.3 Measurement results of inner diameter of O-rings after process control mm

3 結論

六西格瑪管理作為一種系統科學的管理方法，適用于產品設計、生產和維護等各個環節，在航空工業得到了大力推廣。本工作在O形密封圈內徑控制中開展六西格瑪管理，使用六西格瑪管理DMAIC流程分析O形密封圈內徑的影響因子，得出影響因子最優組合，確定關鍵影響因子為膠料收縮率、用料質量和硫化壓力，其中膠料收縮率與O形密封圈內徑呈負相關，用料質量和硫化壓力與O形密封圈內徑呈正相關，通過流程控制使O形密封圈內徑的合格率得到了提升。