基于六西格瑪?shù)腻F形艙段高精度加工工藝優(yōu)化

任秀麗 張 楠 宋星洲 張 儒 張 崢 李 然

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

傳統(tǒng)航天制造企業(yè)面對(duì)多品種、小批量、研制與批產(chǎn)混線生產(chǎn)的壓力，既要以最快的速度完成高質(zhì)量的產(chǎn)品交付，又要以最少的資源消耗進(jìn)行低成本控制，對(duì)復(fù)雜工藝過(guò)程的要求越來(lái)越高。針對(duì)某復(fù)雜工藝航天錐形艙段產(chǎn)品裝配效率低、一次合格率低等問(wèn)題，開(kāi)展了基于六西格瑪方法定義-測(cè)量-分析-改善-控制（Define Measure Analyze Improve Control，DMAIC）的工藝優(yōu)化分析，通過(guò)分析找到加工過(guò)程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，并確定最優(yōu)工藝參數(shù)，經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證改善效果良好[1-2]。

1 問(wèn)題介紹

某航天產(chǎn)品為錐形結(jié)構(gòu)，有3 個(gè)端框，艙壁側(cè)面靠近大端具有4 個(gè)高精度的舵軸安裝孔，其位置如圖1所示。舵軸孔為階梯結(jié)構(gòu)，具有很高的孔徑精度要求。

圖1 舵軸孔位置

中間框定位銷(xiāo)孔與小端面定位銷(xiāo)孔呈異面孔位置關(guān)系（見(jiàn)圖2），連線形成的夾角與理論值的扭角偏差要求小于3'。該產(chǎn)品工藝較復(fù)雜，加工精度高且難度大，在前期生產(chǎn)過(guò)程中一次合格率較低。

圖2 中間框與小端定位銷(xiāo)孔理論連線位置關(guān)系

2 基于六西格瑪?shù)募庸すに噧?yōu)化分析

2.1 定義階段

定義階段是六西格瑪?shù)钠瘘c(diǎn)。參考閆偉等[3]提出的品質(zhì)關(guān)鍵點(diǎn)（Critical to Quality，CTQ）識(shí)別算法得到本項(xiàng)目的質(zhì)量要點(diǎn)，分別為舵軸孔直徑、平行度、位置度和扭角偏差。以上要點(diǎn)均應(yīng)滿(mǎn)足圖紙要求，而且產(chǎn)品的一次合格率至少要達(dá)到90%。對(duì)某個(gè)批次產(chǎn)品生產(chǎn)缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體見(jiàn)表1。

表1 缺陷統(tǒng)計(jì)

進(jìn)行Pareto 圖統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3 所示，發(fā)現(xiàn)缺陷類(lèi)型主要集中于扭角偏差、位置度及平行度這3個(gè)方面，因此將項(xiàng)目的產(chǎn)品加工質(zhì)量合格率定義為Y，由扭角偏差合格率Y1、位置度合格率Y2和平行度合格率Y3組成。

圖3 缺陷數(shù)據(jù)Pareto 圖統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

2.2 測(cè)量階段

2.2.1 測(cè)量系統(tǒng)分析

對(duì)Y1進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析，采用Minitab 軟件對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量值的量具R＆R 方差分析，結(jié)果顯示本測(cè)量系統(tǒng)可以信賴(lài)。對(duì)Y1進(jìn)行過(guò)程能力分析，正態(tài)概率圖計(jì)算結(jié)果表明過(guò)程符合正態(tài)分布，但是過(guò)程能力指數(shù)Cpk=0.24，距離行業(yè)水平的1.33 還有很大差距。

2.2.2 流程變量分析及因果矩陣分析

根據(jù)頭腦風(fēng)暴法對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)各工藝流程進(jìn)行人、機(jī)、料、法、環(huán)的分析，共識(shí)別出46 個(gè)輸入影響變量，主要包括機(jī)床加工參數(shù)、鉆模定位情況等。評(píng)估各變量對(duì)Y1、Y2、Y3的影響情況，得出因果矩陣并進(jìn)行過(guò)程輸入的Pareto 圖分析，識(shí)別主要影響占比為82%的16 個(gè)因子。

2.2.3 失效模式分析

參考鄢蓉[4]的工藝失效模式及后果分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）的識(shí)別要素，通過(guò)流程、輸入、潛在失效模式等幾個(gè)要素對(duì)因果矩陣分析出的16 個(gè)影響因子進(jìn)行FMEA 失效模式分析，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)，再進(jìn)行細(xì)化和Pareto 圖分析，然后按照風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)由高到低進(jìn)行排序，找出占比為89%的7 個(gè)重要影響因子。

2.3 分析階段

本階段需要對(duì)Y1、Y2、Y3與測(cè)量階段得出的7 個(gè)影響因子X(jué)1～X7之間的相互影響進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)分析，得出影響Y1、Y2、Y3的顯著影響因子。先選取X1的雙樣本t 檢驗(yàn)分析過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。雙樣本t 檢驗(yàn)分析用于比較兩組獨(dú)立樣本的均值是否存在顯著差異，根據(jù)分布表或者計(jì)算機(jī)軟件確定統(tǒng)計(jì)量對(duì)應(yīng)的P 值。若P 值小于顯著性水平0.050，則認(rèn)為兩組數(shù)據(jù)的均值存在顯著差異。

X1輸入為定位工藝孔超差，僅影響Y1扭角。制定樣本水平為定位工藝孔扭角偏差不超過(guò)0.5'和定位工藝孔扭角偏差大于0.5'，收集40 個(gè)樣本進(jìn)行雙樣本t 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，分析得出兩種樣本結(jié)果符合正態(tài)性檢驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)條件的驗(yàn)證結(jié)果符合等方差檢驗(yàn)。分別假設(shè)X1對(duì)Y1無(wú)影響（原假設(shè)）和X1對(duì)Y1有影響（備擇假設(shè)），對(duì)假設(shè)檢驗(yàn)進(jìn)行雙樣本t 分析，得出P=0.028 ＜0.050，備擇假設(shè)成立，即X1定位工藝孔超差情況具有統(tǒng)計(jì)明顯性，是Y1的顯著影響因子。

參考X1的雙樣本t 檢驗(yàn)分析，對(duì)其余6 個(gè)重要影響因子進(jìn)行分析，最終確定只有4 個(gè)比較重要的影響因子，即X1～X4對(duì)Y1、Y2、Y3存在顯著影響，具體情況見(jiàn)表2。

表2 分析階段影響因子

2.4 改善階段

改善階段是在分析階段的基礎(chǔ)上，確定影響Y的主要因子X(jué)，尋求X與Y的關(guān)系，建立X的允許變動(dòng)范圍。

2.4.1 優(yōu)化改善及實(shí)施

對(duì)2 個(gè)關(guān)鍵影響因子中的X1及X2進(jìn)行優(yōu)化改善，將小端鉆模和中間框鉆模從分體式組合鉆模改制為一個(gè)整體式鉆模，有效解決了2 個(gè)鉆模定位偏差造成公差累積的問(wèn)題。改善實(shí)施后，經(jīng)過(guò)程能力分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Y1的Cpk水平提高0.6。

2.4.2 DOE 分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design of Experiment，DOE）是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)[5]。針對(duì)X3和X4這2 個(gè)影響因子進(jìn)行DOE 分析，分析結(jié)果如表3 所示。

表3 DOE 分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)DOE 分析，Y2、Y3與X3、X4的因子回歸結(jié)果顯示，X3、X4對(duì)應(yīng)的P＜0.05，均影響顯著；彎曲計(jì)算的P＜0.05，表明產(chǎn)品出現(xiàn)彎曲，但可以忽略。因此，X3、X4因子均是影響Y2與Y3的顯著因素。

2.4.3 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)及分析

響應(yīng)曲面法（Response Surface Methodology，RSM）是一種通過(guò)構(gòu)建連續(xù)變量的曲面模型對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的影響因素及相互作用進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種方法[6]。本研究的RSM 采用12 組標(biāo)準(zhǔn)序、3 個(gè)中心點(diǎn)建立X3、X4的DOE 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行相應(yīng)曲面回歸分析。Y3、Y2與X3和X4的等值線圖，分別如圖4和圖5 所示。

圖4 Y3 與X3、X4 的等值線圖

圖5 Y2 與X3、X4 的等值線圖

根據(jù)圖4 和圖5 可以得出以下結(jié)論：當(dāng)產(chǎn)品定位裝夾力矩為90～120 N·m、安裝間隙為0.00～0.04 mm時(shí)，平行度取得最佳值，在0.05 以?xún)?nèi)；當(dāng)產(chǎn)品定位裝夾力矩為75 ～105 N·m、安裝間隙為0.0 ～0.2 mm時(shí)，位置度取得最佳值，為436.45 ～436.55；綜合考慮平行度和位置度取交集，當(dāng)產(chǎn)品定位裝夾力矩為90 ～105 N·m、安裝間隙為0.00 ～0.04 mm 時(shí)得到最佳值，當(dāng)產(chǎn)品定位裝夾力矩為60 ～150 N·m、安裝間隙為0.0 ～0.18 mm 時(shí)可滿(mǎn)足工藝要求，否則超差；考慮到工藝方法和可實(shí)現(xiàn)性，最終選擇最優(yōu)參數(shù)組合為傳動(dòng)支架安裝間隙小于0.1 mm，產(chǎn)品定位裝夾力矩為100 N·m±5 N·m。

2.5 控制階段

控制階段是固化改進(jìn)成果的重要步驟，主要建立項(xiàng)目的控制計(jì)劃，保持改善成果的持續(xù)和穩(wěn)定。將最優(yōu)工藝參數(shù)應(yīng)用于后續(xù)某批次生產(chǎn)中，分別對(duì)Y1、Y2、Y3進(jìn)行過(guò)程能力分析，結(jié)果見(jiàn)表4。改進(jìn)后，Cpk提升顯著，且Y的一次合格率平均值由41.7%提升至96.6%。

表4 過(guò)程能力分析結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某復(fù)雜工藝航天錐形艙段產(chǎn)品裝配一次合格率低等問(wèn)題，開(kāi)展基于六西格瑪方法DMAIC 的工藝優(yōu)化分析，確定影響產(chǎn)品裝配的關(guān)鍵影響因素，并通過(guò)實(shí)施專(zhuān)項(xiàng)改進(jìn)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析找到最優(yōu)的工藝參數(shù)。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用驗(yàn)證后，產(chǎn)品一次裝配合格率由41.7%提高至96.6%，為產(chǎn)品生產(chǎn)創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益，符合當(dāng)前高質(zhì)量、高效率、高效益的“三高”發(fā)展目標(biāo)。