六西格瑪管理系統(tǒng)在解決鑄造缺陷方面的應用

戚鵬超，許景峰，張 明，徐玉龍，胡 德，徐繼柱

（濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261101）

六西格瑪管理是一套系統(tǒng)的、集成的改進方法體系，是通過持續(xù)改進、減少變異實現(xiàn)客戶滿意的管理方法。六西格瑪管理分為五個階段，每個階段對應各自的任務不同。簡言之基于PDCA 原則，首先定義（define）行為集合和目標的關系，對目標結果對應的測量（measure）進行確認，分析（analyze）行為集合與目標結果的關系，發(fā)現(xiàn)改進（improve）結果的可控制的行為現(xiàn)象及其隨機波動幅度的控制范圍，對這些行為的執(zhí)行過程進行控制（control），也就是對現(xiàn)有過程定義、測量、分析、改進、控制的五大階段，簡稱DMAIC 流程。

我廠某鑄件在生產(chǎn)過程中，鑄造缺陷較嚴重，廢品率較同類鑄件高，達到9.47%，使用六西格瑪DMAIC 方法進行改進，最終廢品率降低至2.94%，效果顯著。本文從DMAIC 各個階段開展工作進行陳述。

1 定義階段（Define）

定義階段主是任務是對開展該項目的當前狀況闡明，將客戶聲音轉(zhuǎn)換為CTQ（關鍵質(zhì)量特性）。

將該機體鑄件的缺陷進行分類統(tǒng)計，做帕累托圖（見圖1）進行分析，找出缺陷占比較多的類別，分別為偏芯和縮松缺陷，如圖2、圖3 所示。本項目主要針對這兩種缺陷進行研究。同時明確了基線水平為廢品率9.47%，目標水平為廢品率降至3%以下。

圖1 廢品特征的pareto 圖

圖2 偏芯缺陷示意圖

圖3 縮松缺陷示意圖

缺陷具體定義及檢驗方法如表1 所示。

表1 缺陷定義及檢驗方法

2 測量階段（Measure）

測量階段主要任務是對關鍵指標Y 的數(shù)據(jù)真實性檢驗，并定性的篩選出一些Y 的影響因子X，同時在該階段針對可能的關鍵X 采取快速改善措施。

針對兩種缺陷分別做MSA 分析，偏芯缺陷采用超聲波測厚儀檢查判定（R&R 分析），3 名檢驗人員對10 件待測件分別測量2 次厚度值，部分數(shù)據(jù)如表2，mintab 分析結果如圖4 所示。

表2 數(shù)據(jù)收集表

圖4 及minitab 分析結果表明，%GR&R=20.21%＜30%，且可區(qū)分的類別數(shù)為6，重復性再現(xiàn)性水平較高，結合小組評價，該測量系統(tǒng)滿足要求。

圖4 重復性與再現(xiàn)性分析圖

縮松缺陷采用人員目測判定（屬性一致性分析），3 名檢驗人員對20 件鑄件進行判定，其中5 件為縮松廢品，5 件為良好產(chǎn)品，10 件為不易區(qū)分是否縮松產(chǎn)品，部分數(shù)據(jù)如表3，mintab 分析結果如圖5 所示。

表3 數(shù)據(jù)收集表

圖5 評估一致性結果

圖5 及minitab 分析結果顯示評審人員自身、人員之間、人員與標準的Kappa 值均超過0.8，該測量系統(tǒng)滿足要求。

后續(xù)從人機料法環(huán)等方面先后做宏觀流程圖、微觀流程圖、C&E 矩陣、FMEA 分析對因子X 進行定性篩選，篩選出4 個因子，輸出因子改善計劃見表4.選擇一個X1 進行快贏改進，改進前水道間使用3 個芯撐固定，改進后改為6 個芯撐（雙排）進行固定，提高砂芯間支撐力，減少變形趨勢，如圖6 所示。

表4 因子改善計劃表

圖6 芯撐使用工藝改進

3 分析階段（Analyze）

分析階段主要任務是對可能的關鍵因子X 進行驗證，進一步篩選出顯著的真正的關鍵因子。

對X2 因子碳當量采用機理分析，由鑄造手冊中“V（縮松、縮孔總）=V（液態(tài)收縮）+V（凝固收縮）-V（石墨化膨脹）+V（型壁增加的縮孔）”，鐵液的化學成分，特別是C、Si 含量（碳當量）的選擇，直接影響鑄件的VV 石墨化膨脹，碳當量增加，析出的石墨增加，石墨化膨脹體積增加，則由該機理表明碳當量對縮松缺陷影響顯著，在改進階段進行分析改進。

對X3 因子配料工藝配比采用卡方檢驗的方式，選用兩種配比（質(zhì)量分數(shù)）方案分別進行試驗。

方案一：生鐵5%、廢鋼65%、回爐料30%；方案二：生鐵5%、廢鋼60%、回爐料35%.通過收集數(shù)據(jù)進行卡方檢驗（如圖7）P=0.726＞0.05，說明配料工藝配比對縮松缺陷影響不顯著，該因子剔除。

圖7 卡方檢驗結果

對X4 因子芯骨類別，小組認為芯骨空心（現(xiàn)用）與實心（其他鑄件使用）顯著影響芯骨的抗彎性能進而影響水道芯的抗彎性能，但仍需要進行驗證。采用空心芯骨與實心芯骨的對比，雙樣本T 檢驗的方式，使用超聲波測厚儀測量壁厚反映偏芯程度，部分數(shù)據(jù)如下，對兩組數(shù)據(jù)的正態(tài)性、獨立性、穩(wěn)定性、等方差性進行分析，滿足要求，可進行雙樣本T 檢驗。

雙樣本T minitab 軟件分析結果如圖8 所示，P=0.004＜0.05，拒絕原假設，接受備擇假設，芯骨類別對偏芯缺陷影響顯著，并根據(jù)箱線圖選擇實心芯骨。

圖8 雙樣本T 檢驗結果及箱線圖

A 階段完成之后篩選出X2 因子和X4 因子影響顯著，X4 芯骨類別已經(jīng)隨即進行改善，X2 碳當量I 階段進行改善。

4 改進階段（Improve）

改進階段主要任務是針對關鍵的X 實施改善對策，確定最佳參數(shù)。

對碳當量C、Si 含量的選擇采取DOE 試驗的方式，2 因子2 水平表示方法如表5，增加2 個中心點，重復2 次，共需進行10 次試驗。

表5 兩因子兩水平及其表示方法

通過minitab 軟件生成10 組隨機試驗，將驗證結果帶入，進行分析，通過方差分析表主效應和交互作用P＜0.05，判斷模型總體有效，無失擬彎曲。通過殘差分析得知殘差是正態(tài)且是隨機的。最終輸出等值線圖、響應曲面圖如圖9、圖10 所示，確定最優(yōu)設置為ω（C）：3.75%，ω（Si）：1.90%（±0.02%）.

圖9 DOE 分析殘差圖、交互作用圖

圖10 響應優(yōu)化器

生產(chǎn)驗證過程，芯骨的更換及雙排芯撐的使用，雖然偏芯缺陷的發(fā)生率顯著降低，但實心芯骨造成的重量增加（勞動強度增加）及雙排芯撐容易造成芯撐不化的缺陷隨生產(chǎn)數(shù)量增加而顯現(xiàn)。普通工藝無法徹底解決此問題，因此嘗試使用TRIZ 工具突破性工藝改進。

項目組跳出原有框架，對現(xiàn)有技術矛盾（鐵水不產(chǎn)生浮力）和技術要求（水道芯彎曲程度可接受）進行分析，借助TRIZ 中的合并原理和預先反作用原理發(fā)散思維。提出方案：水道芯與側邊芯預先組合，通過螺栓把緊后再整體下入砂型。改進前后結構如圖11、圖12 所示。

圖11 改進前進、回水道芯、側邊芯分別下入砂型

圖12 改進后進、回水道芯先跟側邊芯用螺栓預把緊再整體下入砂型

5 控制階段（Control）

控制階段主要任務是將前面階段制定的改善措施固化下來，并對改善結果及效益情況最終確認。

對該機體措施更改之后的廢品率情況進行跟蹤6 個月，如圖13 所示，廢品率降至2.94%，完成了項目目標，對收益進行核算，預計年產(chǎn)生經(jīng)濟效益120 萬元。對分析及改進階段采取的措施進行固化到作業(yè)指導書或者圖紙中，并對效果進行持續(xù)的跟蹤。

圖13 廢品率的P 控制圖

6 結論

六西格瑪DMAIC 流程的開展，與我廠解決鑄造缺陷的實際問題相結合，最終將廢品率降至目標水平，且項目開展過程中的諸多結論都具有可借鑒性，特別是細長類砂芯預組防變形工藝對我廠解決其他鑄件的偏芯問題提供了解決思路。