基于DMAIC 的薄壁襯套加工質(zhì)量改進(jìn)

劉 巖，胡航兵，周鑫明，魏 琴

（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川成都 610092）

0 引言

在飛機(jī)使用的運(yùn)動(dòng)零部件之間，常通過設(shè)計(jì)襯套減少運(yùn)動(dòng)零部件的磨損，提升運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)械性能。為了更好的減重以及減少占用空間，薄壁襯套是最常見防護(hù)耐磨配件之一。由于薄壁襯套剛性較差，在實(shí)際加工時(shí)因工藝方法、切削應(yīng)力等因素的影響，非常容易出現(xiàn)變形，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率以及公司的聲譽(yù)。本文運(yùn)用DMAIC 方法，針對(duì)實(shí)際加工中存在的問題進(jìn)行改進(jìn)研究，提出改進(jìn)方向，最終提升產(chǎn)品的加工質(zhì)量[1]。

1 薄壁襯套生產(chǎn)現(xiàn)狀

薄壁襯套的材料為30NCD16，是一種鐵—鎳基高溫合金，具有良好的抗氧化性、熱疲勞性和高熱強(qiáng)性，屬于難加工材料。零件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，薄壁襯套的直徑、壁厚比大于40 mm，外圓和內(nèi)孔尺寸公差帶為6 級(jí)，按照項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)要求，孔的圓度需要控制在0.02 mm以內(nèi)。由于材料為熱處理后合金鋼，強(qiáng)度高且結(jié)構(gòu)剛性不好，加工后易變形，傳統(tǒng)加工方式為數(shù)控車床從圓棒裝夾開始，粗、精加工外圓和內(nèi)孔，一次裝夾成型后切斷結(jié)束。這種方式能保證很好的內(nèi)、外圓同軸度，但零件從機(jī)床上三爪卡盤拆卸后，往往因?yàn)閼?yīng)力釋放而產(chǎn)生零件變形，內(nèi)孔變形后圓度達(dá)到0.05～0.07 mm。薄壁襯套在半年間共投產(chǎn)558 件，合格品223 件，合格率僅為40%，不合格品全部報(bào)廢重制，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)進(jìn)度，增加了加工成本。

圖1 薄壁襯套結(jié)構(gòu)

2 基于DMAIC 的薄壁襯套加工質(zhì)量改進(jìn)

2.1 定義階段

從薄壁襯套的SIPOC 流程可知（圖2），薄壁襯套在經(jīng)歷3個(gè)加工工序后進(jìn)入檢查環(huán)節(jié)（掛標(biāo)牌不屬于加工工序），其中下料、數(shù)控車均屬于粗加工環(huán)節(jié)，對(duì)最終尺寸無影響。為找到質(zhì)量改進(jìn)點(diǎn)，對(duì)中檢環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到影響影響襯套廢品率的Pareto 圖（圖3），孔的圓度超差造成的廢品占比為97%，外圓直徑超差造成的廢品占比為1.5%，孔直徑超差造成的廢品占比為0.9%，碰傷造成的廢品占比為0.6%。由此可知，薄壁襯套廢品率高的原因主要是孔的圓度超差，因此將孔的圓度超差作為主要的質(zhì)量改進(jìn)點(diǎn)[2]。

圖2 薄壁襯套SIPOC 流程

圖3 襯套廢品的Pareto 圖

2.2 測(cè)量階段

通過定義階段確定質(zhì)量改進(jìn)點(diǎn)后，若孔的圓度超過0.02 mm則超差，而孔的圓度是通過三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量的，測(cè)量方法如圖4 所示。為避免量具導(dǎo)致的差異，需要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行分析，首先隨機(jī)選擇10個(gè)樣本零件進(jìn)行測(cè)量，通過2名測(cè)量技術(shù)人員對(duì)每個(gè)樣本重復(fù)測(cè)量2 次，將測(cè)量結(jié)果錄入Minitab 軟件中進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析（表1）。

表1 量具R&R 表

圖4 測(cè)量方法及測(cè)量零件

由測(cè)量系統(tǒng)分析結(jié)果可知，部件的方差貢獻(xiàn)率（99.92）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于合計(jì)量具的貢獻(xiàn)率（0.08），說明變異主要是因?yàn)椴考町悓?dǎo)致的。合計(jì)量具的研究變異和方差貢獻(xiàn)率都非常小，說明系統(tǒng)對(duì)研究變異的擾動(dòng)很小，同時(shí)可區(qū)分?jǐn)?shù)49＞5，說明測(cè)量系統(tǒng)是可信的，滿足要求[2]。

2.3 分析階段

針對(duì)孔的圓度超差問題，從測(cè)量系統(tǒng)、材料、操作者、環(huán)境、工藝方法、設(shè)備6 個(gè)方面進(jìn)行分析，通過頭腦風(fēng)暴的方法分析可能造成影響的因素，最終確定6 個(gè)影響因素（圖5），分別為X1應(yīng)力集中、X2 培訓(xùn)不到位、X3 一次裝夾未留余量、X4 切削參數(shù)不合理、X5 設(shè)備精度、X6 冷卻不充分。對(duì)以上6 個(gè)影響因素分別展開分析以及數(shù)據(jù)收集。

圖5 因果分析

（1）對(duì)于X1 應(yīng)力集中因素，開展對(duì)比加工試驗(yàn)，隨機(jī)選取40 件零件。鉆完初孔后，20 件零件繼續(xù)加工孔到最終尺寸，另外20 件去消除應(yīng)力后再加工孔到最終尺寸進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并測(cè)量孔的圓度尺寸合格情況（表2）。

表2 是否消除應(yīng)力的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 件

將對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果，通過Minitab 進(jìn)行卡方檢驗(yàn)分析。假定Ho：消除應(yīng)力加工孔無影響；Ha：未消除應(yīng)力加工孔有影響（圖6），通過卡方檢驗(yàn)得出P=0.027＜0.05，拒絕原假設(shè)Ho，接收Ha，即未消除應(yīng)力加工孔與有消除應(yīng)力加工孔有統(tǒng)計(jì)上的顯著不同。分析結(jié)果說明鉆完初孔后直接加工零件到最終尺寸，與鉆完初孔后消除應(yīng)力再加工到最終尺寸的合格率有顯著區(qū)別，并且影響程度大，可以確定為關(guān)鍵因素[3]。

圖6 應(yīng)力集中因素卡方檢驗(yàn)

（2）對(duì)于X2 工人培訓(xùn)不到位因素，經(jīng)查詢工人均為高級(jí)技師，每年參加理論加實(shí)際操作的培訓(xùn)均大于36 h，完全滿足加工零件的技能水平要求，因此可以排除X2 工人培訓(xùn)不到位因素。

（3）對(duì)于X3 一次裝夾未留余量因素，通過對(duì)加工過程中的受力進(jìn)行分析（圖7），發(fā)現(xiàn)一次裝夾的工藝方案中存在受力不均勻的問題，容易引起零件變形。為進(jìn)一步確認(rèn)該因素的影響，同樣開展對(duì)比試驗(yàn)[1，4]。

圖7 一次裝夾未留余量加工示意

隨機(jī)選取40 件零件，20 件零件孔一次裝夾加工到最終尺寸，另外20 件留余量，切斷再精加工到尺寸，最終測(cè)量孔的圓度合格情況見表3。

表3 孔是否留余量的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 件

將對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果，通過Minitab 進(jìn)行卡方檢驗(yàn)分析。假定Ho：一次裝夾未留余量對(duì)孔尺寸無影響；Ha：兩次裝夾孔留余量對(duì)孔尺寸有影響（圖8），通過卡方檢驗(yàn)得出P=0.025＜0.05，拒絕原假設(shè)Ho，接收Ha，即一次裝夾未留余量與兩次裝夾孔留余量對(duì)孔尺寸有統(tǒng)計(jì)上的顯著不同。分析結(jié)果說明經(jīng)過兩次裝夾孔留余量，再加工到最終尺寸的合格率有顯著區(qū)別，并且影響程度大，可以確定為關(guān)鍵因素。

圖8 一次裝夾未留余量因素卡方檢驗(yàn)

（4）對(duì)于X4 切削參數(shù)不合理、X5 設(shè)備精度、X6 冷卻不充分等因素，通過查詢機(jī)床說明書、機(jī)械加工工藝手冊(cè)等相關(guān)文件，發(fā)現(xiàn)切削參數(shù)、設(shè)備精度、冷卻方式均滿足加工要求，因此可以排除X4 切削參數(shù)不合理、X5 設(shè)備精度、X6 冷卻不充分等因素。

2.4 改進(jìn)階段

通過上述分析，在確定了2 個(gè)關(guān)鍵因素后，對(duì)其進(jìn)行以下改進(jìn)。

2.4.1 應(yīng)力集中因素改進(jìn)

零件粗加工時(shí)去除了大部分材料，零件產(chǎn)生機(jī)加內(nèi)應(yīng)力，使零件在粗加工后產(chǎn)生變形，影響內(nèi)孔尺寸。常用的消除應(yīng)力方式有兩種：①人工時(shí)效（熱處理法）對(duì)零件進(jìn)行熱處理消除應(yīng)力。按項(xiàng)目消除應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，需要保證溫度190 ℃，時(shí)間2～3 h；②自然時(shí)效法，在自然條件下使工件內(nèi)部應(yīng)力自然釋放從而使殘余應(yīng)力消除或減少，需要至少7 d 時(shí)間。通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人工時(shí)效消除應(yīng)力后再加工孔，孔的變形小、圓度好。為了提高生產(chǎn)效率，試切20 件零件選用人工時(shí)效法，零件合格率從40%上升至85%，改善效果十分明顯。

2.4.2 一次裝夾余量因素改進(jìn)

調(diào)整工藝方案，對(duì)于孔的加工先留余量后切斷，并自制工裝對(duì)零件進(jìn)行裝夾進(jìn)行二次裝夾（圖9～圖11），將孔加工到最終尺寸。使零件與工裝貼合，并用端蓋壓緊，避免零件直接受力，抵消車刀精鏜內(nèi)孔旋轉(zhuǎn)時(shí)的徑向力，減少零件變形，并通過修改工藝方案，改進(jìn)薄壁襯套的SIPOC 流程（圖12），確保后續(xù)零件的加工合格率。

圖9 自制工裝

圖10 自制工裝零件圖

圖11 零件裝夾

圖12 改進(jìn)后的薄壁襯套SIPOC 流程

為了進(jìn)一步探索薄壁襯套孔加工余量的合理性，再次開展加工余量對(duì)比試驗(yàn)。選擇留余量0.2 mm 后精加工和留余量0.5 mm 后精加工兩種方式，分別加工20 件零件，最終測(cè)量孔的圓度尺寸。通過圓度值箱線圖（圖13），采用留余量0.2 mm后精加工孔，孔的圓度尺寸更加收斂，合格率達(dá)到95%，改善效果更加明顯。

圖13 孔的圓度值箱線圖

2.5 控制階段

通過采用制初孔后增加人工時(shí)效消除應(yīng)力、精加工留余量0.2 mm、自制夾具裝夾加工等改進(jìn)措施，使薄壁襯套零件孔的圓度合格率得到明顯提高。對(duì)該零件最新批次的生產(chǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖14），合格率有效地控制在97%左右，成功完成了既定的質(zhì)量改進(jìn)目標(biāo)。目前的異常點(diǎn)主要是產(chǎn)品周轉(zhuǎn)過程造成的損壞報(bào)廢，為進(jìn)一步提升改進(jìn)效果，后期制定了產(chǎn)品周轉(zhuǎn)的防護(hù)措施，定期檢查產(chǎn)品加工和周轉(zhuǎn)過程是否滿足要求[5]。

圖14 孔的圓度值合格率及I-MR 控制圖

3 結(jié)束語

通過DMAIC 方法對(duì)薄壁襯套的加工過程進(jìn)行了質(zhì)量改進(jìn)，運(yùn)用科學(xué)有效的分析方法，找到了影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，最終通過優(yōu)化工藝加工方案、自制裝夾工裝等改進(jìn)措施，有效提升產(chǎn)品加工合格率，對(duì)于類似零件具有借鑒意義。