統(tǒng)計(jì)過程控制在鋼鐵制造業(yè)質(zhì)量管理中的應(yīng)用研究

王梅林，趙 爽

(華北理工大學(xué)管理學(xué)院 河北唐山 063210)

0 引 言

制造業(yè)作為社會(huì)發(fā)展的支持產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)經(jīng)營處于重要地位。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有了很多質(zhì)量管理工具，但是對(duì)質(zhì)量管理工具的要求仍非常高，如果想要建立一套有效的質(zhì)量管理措施，就要面臨諸多挑戰(zhàn)[1]。面對(duì)日益加劇的社會(huì)發(fā)展壓力，企業(yè)必須通過提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高用戶滿意度來保持綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

鋼卷板材產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、家電、建筑等行業(yè)。板材初加工剪切后，再經(jīng)過一系列變形加工，如沖壓、折彎、翻邊、拉拔等，形成基礎(chǔ)零部件和成型件。隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)自動(dòng)化程度都在提高，相應(yīng)地也對(duì)原料板材質(zhì)量的一致性提出了更高的要求。例如汽車行業(yè)內(nèi)的報(bào)廢率為 3‰以內(nèi)，即要求1000塊板料的不合格數(shù)量不超過 3塊，部分連續(xù)工作企業(yè)則要求從卷板到成型過程報(bào)廢率不高于1‰。根據(jù)質(zhì)量體系要求，出廠前產(chǎn)品檢驗(yàn)分為免檢、抽檢和必檢幾類，基本的檢驗(yàn)是用部分取樣樣品表示板卷整體的生產(chǎn)質(zhì)量，而實(shí)際上樣板的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)僅真實(shí)代表樣板，不能代表全部卷板的質(zhì)量情況，因此，傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測(cè)不能滿足加工產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量要求，也無法指導(dǎo)過程中的改善和進(jìn)步。表面上看似是產(chǎn)品和技術(shù)的問題，實(shí)則更多的是質(zhì)量管理和服務(wù)意識(shí)問題[2]。

1 統(tǒng)計(jì)過程控制簡(jiǎn)介

統(tǒng)計(jì)過程控制(Statistical Process Control，SPC)作為五大質(zhì)量工具(SPC、MSA、PPAP、APQP、FMEA)之一，貫穿于產(chǎn)品開發(fā)的全過程，并長期應(yīng)用于量產(chǎn)階段。其在制造行業(yè)的主要作用是控制和預(yù)防，即根據(jù)一系列連續(xù)數(shù)據(jù)，按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，計(jì)算出極差和標(biāo)準(zhǔn)差，形成控制圖，因此，基本的使用原理是運(yùn)行統(tǒng)計(jì)概率學(xué)對(duì)生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算，量化過程評(píng)價(jià)并給出初步異常判斷，指導(dǎo)原因分析和措施的制定。其實(shí)施分為分析和監(jiān)控2個(gè)階段。

2 質(zhì)量一致性

2.1 制造流程

按工序大范圍來說，鋼卷的生產(chǎn)分為煉鋼、熱軋、冷軋3個(gè)步驟，分別形成板坯、熱軋卷和冷軋卷 3類產(chǎn)品。各工序按照相應(yīng)的質(zhì)量設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的化學(xué)成分、幾何尺寸(寬、厚、徑)、力學(xué)性能等特性滿足設(shè)計(jì)需求。

2.2 質(zhì)量一致性

每個(gè)生產(chǎn)工序有很多關(guān)鍵性過程，使得最終產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)與用戶要求一致。例如煉鋼步驟的成分控制，決定了板卷最終的成分構(gòu)成和比例。每個(gè)環(huán)節(jié)重點(diǎn)控制一部分產(chǎn)品質(zhì)量，為滿足用戶的質(zhì)量要求，提出了一致性的概念。鋼卷質(zhì)量一致性指的是，單件不同位置，各項(xiàng)質(zhì)量特性均勻一致，相同質(zhì)量設(shè)計(jì)生產(chǎn)情況下，不同件次的各項(xiàng)質(zhì)量特性均勻一致，即減小波動(dòng)。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值范圍通常寬泛，但是制造終端對(duì)產(chǎn)品特性如尺寸、性能等要求相對(duì)嚴(yán)格。因此僅僅按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，產(chǎn)品必然會(huì)出現(xiàn)不滿足用戶要求的情況。SPC作為統(tǒng)計(jì)質(zhì)量管理工具，能精確而科學(xué)地檢驗(yàn)和判斷制造水平是否滿足要求，并量化對(duì)質(zhì)量一致性的評(píng)價(jià)。

除此之外，對(duì)于同一種產(chǎn)品在不同生產(chǎn)線生產(chǎn)，或同一產(chǎn)品在同一生產(chǎn)線不同時(shí)間生產(chǎn)，出廠檢驗(yàn)應(yīng)當(dāng)不出現(xiàn)明顯的產(chǎn)品特性指標(biāo)變化，保證交付用戶的一批產(chǎn)品整體質(zhì)量均勻無波動(dòng)。這在一定程度上加大了制造難度。為確保項(xiàng)目組成員能夠及時(shí)提供真實(shí)數(shù)據(jù)以指導(dǎo)下階段工作，就要學(xué)會(huì)合理利用質(zhì)量 管理軟件工具，將記錄、統(tǒng)計(jì)與大數(shù)據(jù)、流程深入 結(jié)合[3]。

3 SPC的應(yīng)用研究

產(chǎn)品的前期開發(fā)遵循產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃(Advanced Product Quality Planning，APQP)這一質(zhì)量工具原理，開發(fā)項(xiàng)目從市場(chǎng)調(diào)研和先期策劃開始，識(shí)別用戶的需求，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品需求。前期工作完成后，在試驗(yàn)階段需進(jìn)行失效模式分析，這一階段開發(fā)的主要輸出產(chǎn)物是產(chǎn)品開發(fā)關(guān)于技術(shù)質(zhì)量最核心的內(nèi)容。

3.1 產(chǎn)品開發(fā)階段

在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)期應(yīng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和失效模式分析，對(duì)產(chǎn)品特性清單列舉的內(nèi)容逐一計(jì)算流程能力。設(shè)計(jì)開發(fā)質(zhì)量是影響產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量中最關(guān)鍵的因素，不斷改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)質(zhì)量已成為企業(yè)降低生產(chǎn)成本、縮短產(chǎn)品交貨周期、提高競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要環(huán)節(jié)[4]。產(chǎn)品開發(fā)分為樣件、小試、中試和批量 4個(gè)階段，一般來說，實(shí)驗(yàn)室的樣件生產(chǎn)設(shè)計(jì)整體水平高，因此，樣件階段的質(zhì)量設(shè)計(jì)結(jié)果比批量的質(zhì)量結(jié)果好，樣件設(shè)計(jì)的流程能力也應(yīng)該高于批量設(shè)計(jì)的流程能力。在設(shè)計(jì)階段主要應(yīng)完成產(chǎn)品特性的識(shí)別和失效評(píng)估，根據(jù)產(chǎn)品特性識(shí)別結(jié)果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，判斷可行性。

3.2 量產(chǎn)過程控制階段

設(shè)計(jì)階段通過驗(yàn)證后進(jìn)入量產(chǎn)階段，需要進(jìn)行過程參數(shù)的定量評(píng)價(jià)，這一階段需根據(jù)開發(fā)階段定義的特性完成過程特性的識(shí)別、研究和失效分析。量產(chǎn)移交前應(yīng)對(duì)開發(fā)項(xiàng)做能力研究，當(dāng)初始產(chǎn)品能力和過程能力研究結(jié)果滿足量產(chǎn)條件后才具備移交條件，這一過程不僅僅是對(duì)保證特性的過程點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)，相應(yīng)也對(duì)各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)、經(jīng)營指標(biāo)做出預(yù)判。過程能力滿足要求是保證產(chǎn)品特性質(zhì)量的前提條件。

3.3 量化評(píng)價(jià)指標(biāo)

有別于傳統(tǒng)的比例比較和數(shù)量比較，SPC運(yùn)用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以將數(shù)據(jù)的分布制作成控制圖，通過計(jì)算流程能力來表示某項(xiàng)參數(shù)的控制能力。流程能力值在行業(yè)內(nèi)普遍以1.33作為基準(zhǔn)線，數(shù)據(jù)科學(xué)依據(jù)可參考六西格瑪(6σ)管理的相應(yīng)概念。通過繪制控制圖，計(jì)算均值和方差以及標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)一步算出流程能力值，用以量化表示數(shù)據(jù)的控制能力。流程能力區(qū)別于按比例或者按數(shù)量統(tǒng)計(jì)的基本比較，可以進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)并起到一定的預(yù)判作用，便于指導(dǎo)后續(xù)的改進(jìn)方向，一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，可根據(jù)數(shù)據(jù)異常或者趨勢(shì)預(yù)警下一段數(shù)據(jù)走勢(shì)，提前采取相關(guān)手段控制數(shù)據(jù)的惡化，這是十分重要的判異預(yù)警功能。

3.4 案例數(shù)據(jù)分析

以某材料厚度為例，在開發(fā)階段對(duì)同批多塊樣件測(cè)量厚度，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某材料樣件厚度測(cè)量數(shù)據(jù) Tab.1 Thickness measurement data of a material sample

對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的連續(xù)3個(gè)樣件的厚度進(jìn)行測(cè)量，并簡(jiǎn)要計(jì)算波動(dòng)值。通過數(shù)據(jù)計(jì)算樣件厚度的CPk達(dá)到2.51，控制能力較好，厚度特性具備移交條件，可進(jìn)入下一階段。當(dāng)數(shù)據(jù)流程或者控制能力偏低甚至低于0.67時(shí)、控制圖波動(dòng)大、控制限超出規(guī)格或發(fā)現(xiàn)直方圖明顯偏倚等現(xiàn)象時(shí)，表明能力不足則不能移交。一方面是通過前期數(shù)據(jù)判斷，量產(chǎn)后控制能力會(huì)更差；另一方面是質(zhì)量指標(biāo)或質(zhì)量成本不能滿足策劃指標(biāo)要求，即項(xiàng)目不滿足要求，在評(píng)審階段也應(yīng)不予通過。

4 結(jié) 語

使用SPC工具將流程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算分析，可以量化流程能力，將生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)化進(jìn)行量化比較。其技術(shù)創(chuàng)新性在于指導(dǎo)和評(píng)價(jià)產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目以及量產(chǎn)移交后的生產(chǎn)作業(yè)，較傳統(tǒng)的僅以統(tǒng)計(jì)和比較來判斷項(xiàng)目是否達(dá)標(biāo)更為科學(xué)。因?yàn)樵趯?shí)際評(píng)價(jià)中，數(shù)據(jù)群體依靠均值、中位數(shù)或者一些加權(quán)算法能滿足邏輯論斷，但整個(gè)數(shù)據(jù)群的控制能力是無法量化比較的，故存在一定風(fēng)險(xiǎn)。使用SPC質(zhì)量工具，一方面是在初始能力研究中對(duì)樣本進(jìn)行控制能力研究，可以科學(xué)有效判斷一定條件下開發(fā)生產(chǎn)滿足需求的能力；另一方面是在量產(chǎn)移交后，對(duì)特性控制能力評(píng)價(jià)、過程特性的控制能力評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)生產(chǎn)和預(yù)測(cè)趨勢(shì)的作用，根據(jù)控制圖判斷趨勢(shì)和異常，能有效找準(zhǔn)問題點(diǎn)，為排查問題提供數(shù)據(jù)理論依據(jù)，這也表明了SPC是一種適合研發(fā)和生產(chǎn)的質(zhì)量工具。■