應(yīng)用六西格瑪改進(jìn)方法提高激光三維零件切割精度

中航工業(yè)發(fā)展研究中心

中航工業(yè)精益六西格瑪研究所 趙 兵

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 段愛(ài)琴

激光切割是自1990年左右在我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)并逐漸成熟應(yīng)用的一種激光加工技術(shù)，迄今為止，在激光加工領(lǐng)域，仍占據(jù)主要市場(chǎng)份額。激光切割工藝的原理是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束(聚焦光束直徑一般為0.1～0.2mm)照射工件，照射點(diǎn)材料溫度急劇上升，到達(dá)沸點(diǎn)后，材料開(kāi)始汽化，并形成孔洞。隨著光束與工件的相對(duì)移動(dòng)，最終使材料形成切縫，切縫處熔渣被一定壓力的輔助氣體吹除。因而其主要優(yōu)勢(shì)是：非接觸加工，切邊無(wú)機(jī)械應(yīng)力，切割速度快，熱影響小，工件變形小，光束無(wú)慣性，可實(shí)現(xiàn)高速切割，并可在任意地方開(kāi)始切割或停止切割。一般而言，切割零件的尺寸精度主要取決于切割設(shè)備的數(shù)控工作臺(tái)的機(jī)械精度和控制精度，以及零件的特征，采用高精度的切割裝置與控制技術(shù)，零件的尺寸精度可達(dá)到±0.1mm。激光切割既可用于碳鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金等金屬材料的切割，同時(shí)也可用于非金屬材料的切割，既可用于平板零件的切割，也可用于空間三維零件的切割。

目前，可以用于空間三維零件切割的設(shè)備有2類(lèi)：二維(X、Y)編程，Z軸隨動(dòng)設(shè)備；五軸聯(lián)動(dòng)的設(shè)備。由于各種條件的限制，目前在我國(guó)的實(shí)際應(yīng)用中，廣泛采用二維半設(shè)備進(jìn)行空間三維零件的切割。

采用二維半設(shè)備進(jìn)行空間三維零件的切割存在1個(gè)重要限制，即由于不能完全進(jìn)行法向切割，只能斜切，因而帶來(lái)嚴(yán)重的切割精度問(wèn)題。斜切對(duì)精度影響可按公式(1)計(jì)算，從公式(1)可以發(fā)現(xiàn)這種精度影響：當(dāng)工件與切割垂直方向的角度越大，影響就越大，切口斜度越大；同時(shí)材料厚度越厚，其影響也越大。如果材料厚度為2mm，傾斜角為45°，正背面尺寸差df-b為2mm，這種誤差是激光精密切割難以接受的誤差，即使后續(xù)采用打磨的手段，也很難保證精度。

df-b=δtanα，df-b為正背面尺寸差，δ為材料厚度，α為斜角(見(jiàn)圖1)。

圖1 斜切示意圖Fig.1 General view for bevelling

為了解決該問(wèn)題，本項(xiàng)目組采用平面工位劃線(xiàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)工位對(duì)線(xiàn)法向切割的方法來(lái)滿(mǎn)足空間三維零件切割的形位精度要求(切割流程如圖2所示)。但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)線(xiàn)切割時(shí)輪廓精度波動(dòng)很大，不能保證其合格率。本項(xiàng)目組采用六西格瑪改進(jìn)方法對(duì)其過(guò)程進(jìn)行了研究，并有效地解決了該問(wèn)題。

圖2 三維零件的實(shí)際切割流程Fig.2 Actual cutting process flow for 3D components

1 研究方法及試驗(yàn)過(guò)程

1.1 六西格瑪改進(jìn)方法介紹

六西格瑪是一套系統(tǒng)的、集成的業(yè)務(wù)改進(jìn)方法體系，是旨在持續(xù)改進(jìn)企業(yè)業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)客戶(hù)滿(mǎn)意的管理方法。它可以實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷的過(guò)程設(shè)計(jì)(Design for Six Sigma, DFSS)，并對(duì)現(xiàn)有過(guò)程進(jìn)行過(guò)程界定(Define)、測(cè)量(Measure)、分析(Analyze)、改進(jìn)(Improve)、控制(Control)，簡(jiǎn)稱(chēng)DMAIC流程，消除過(guò)程缺陷和無(wú)價(jià)值作業(yè)，從而提高質(zhì)量和服務(wù)、降低成本、縮短運(yùn)轉(zhuǎn)周期，達(dá)到客戶(hù)完全滿(mǎn)意，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

本項(xiàng)目的研究采用在激光切割數(shù)控機(jī)床裝夾1個(gè)試驗(yàn)件，在試驗(yàn)件給定位置使用低功率激光劃線(xiàn)。然后不移動(dòng)試驗(yàn)件位置，利用機(jī)床自帶的He-Ne指示光對(duì)已劃好的線(xiàn)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，記錄實(shí)際測(cè)量的坐標(biāo)值，并與原給定坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)二者差值的記錄和處理，研究其實(shí)際能達(dá)到的精度，并尋求改進(jìn)方法。圖3為激光頭及重新定位對(duì)點(diǎn)示意圖。

本項(xiàng)目對(duì)于缺陷的定義為：劃線(xiàn)后每點(diǎn)重新定位精度超過(guò)±0.065mm；

測(cè)量方法：在激光切割數(shù)控機(jī)床上測(cè)量特征點(diǎn)重新定位坐標(biāo)與理論坐標(biāo)的最大差值；

合格率要求：DPMO ＜ 50000。

圖3 激光頭及重新定位對(duì)點(diǎn)示意圖Fig.3 Photos for laser head and repositioning

2 研究結(jié)果及分析

2.1 現(xiàn)有方法重新定位精度實(shí)現(xiàn)能力測(cè)量和評(píng)估

首先對(duì)目前采用的方法滿(mǎn)足重新定位精度需求的能力進(jìn)行分析。本項(xiàng)目采用目前現(xiàn)有方法、技術(shù)和人員設(shè)計(jì)了一組試驗(yàn)，精確評(píng)估其對(duì)重新定位精度的滿(mǎn)足程度。采用時(shí)間序列圖分析實(shí)際測(cè)量的108組試驗(yàn)結(jié)果(如圖4所示)。時(shí)間序列圖是一種用于評(píng)估一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)中的模式和行為的工具。時(shí)間序列圖根據(jù)X軸上均勻的時(shí)間間隔在Y軸上顯示觀(guān)測(cè)值。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：重新定位精度Y值波動(dòng)比較大，最大誤差可達(dá)到0.6mm和-0.4mm。這樣的重新定位誤差難以滿(mǎn)足零件整體的精度要求。重新定位精度應(yīng)該不超過(guò)±0.065mm，才能滿(mǎn)足零件整體精度要求。

圖4 現(xiàn)有方法重新定位精度的時(shí)間序列圖Fig.4 Time series graph using current method

為了更精確地分析現(xiàn)有方法在滿(mǎn)足重新定位精度需求上的能力，采用質(zhì)量工具中的能力分析工具，對(duì)以上收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行能力分析(如圖5)。結(jié)果表明，長(zhǎng)期能力Z值僅為-0.54，也就是其每百萬(wàn)的缺陷率達(dá)到695000；長(zhǎng)期能力是指過(guò)程在較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)所表現(xiàn)出的過(guò)程輸出波動(dòng)的大小，過(guò)程不僅受到隨機(jī)因素的影響，而且受到其他因素的影響。但是從其短期能力來(lái)看(短期能力是指過(guò)程僅受到隨機(jī)因素的影響時(shí)，過(guò)程輸出波動(dòng)的大小，它是過(guò)程的固有能力)，Z值為0.92，即在目前技術(shù)下，如果有很好的控制，每百萬(wàn)的缺陷率可達(dá)到171056，這一數(shù)值距離本項(xiàng)目每百萬(wàn)的缺陷率50000這樣的目標(biāo)有比較大的差距，因而必須通過(guò)改善技術(shù)和控制來(lái)綜合解決提高重新定位精度這一難題。

2.2 影響重新定位精度的原因分析

首先利用因果圖(或魚(yú)刺圖)工具分析影響重新定位精度的可能原因。因果圖是一種揭示過(guò)程輸出缺陷或問(wèn)題與其潛在原因之間關(guān)系的圖表，也是表達(dá)和分析其因果關(guān)系的重要工具和文檔。分析結(jié)果表明(如圖6所示)：從材料、設(shè)備、人員、方法、測(cè)量、環(huán)境等6個(gè)方面考量，可能影響到重新定位精度不合格的主要參數(shù)有：操作人員的操作技能、劃線(xiàn)方式、對(duì)線(xiàn)方式、參照方法、光線(xiàn)以及指示光與激光的重合度等。

圖5 現(xiàn)有方法重新定位精度的長(zhǎng)期和短期能力評(píng)估Fig.5 Process capability analysis using current method

圖6 用因果圖工具分析影響重新定位精度不合格的主要可能因素Fig.6 Cause and effect graph of possible main factors for repositioning precision

因果圖的結(jié)果只是給出了各個(gè)可能的影響因素，下面利用假設(shè)檢驗(yàn)這種數(shù)學(xué)方法詳細(xì)分析各個(gè)可能因素對(duì)于重新定位精度的影響。

(1)利用單因子方差分析各個(gè)因素(X)對(duì)重新定位精度(Y)均值的影響

首先利用單因子方差分析各個(gè)因素(X)對(duì)重新定位精度(Y)均值的影響。單因子方差分析是一種比較多個(gè)總體的均值的一種假設(shè)檢驗(yàn)方法。單因子方差分析如下所示：

結(jié)果表明，所有目前假定的因素(操作者(X3)、劃線(xiàn)方式(X5)等)對(duì)重新定位精度(Y)的均值影響都不顯著(P＜0.05)，貢獻(xiàn)率僅分別為2.2%和3.12%。

(2)利用等方差分析各個(gè)因素(X)對(duì)重新定位精度(Y)標(biāo)準(zhǔn)差的影響

在正態(tài)分布中，表征參量一個(gè)是均值，另一個(gè)是其標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差表征了過(guò)程的波動(dòng)性。雖然以上單因子方差分析結(jié)果表明，目前的主要因素對(duì)均值影響不顯著，但是等方差分析可以知道其對(duì)波動(dòng)性的影響是否顯著。圖7為操作者(X3)、劃線(xiàn)方式(X5)的等方差分析結(jié)果。結(jié)果表明，操作者(X3)、劃線(xiàn)方式(X5)對(duì)于重新定位精度(Y)標(biāo)準(zhǔn)差具有顯著影響(P＜0.05)。而其他因素如光線(xiàn)以及指示光與激光的重合度等對(duì)其影響不顯著。

2.3 提高重新定位精度的改善措施

上述研究表明，操作者(X3)、劃線(xiàn)方式(X5)對(duì)于重新定位精度(Y)標(biāo)準(zhǔn)差具有顯著影響。對(duì)比現(xiàn)有方法可知，操作者(X3)用人眼直接對(duì)點(diǎn)，由于操作者判斷標(biāo)準(zhǔn)、觀(guān)測(cè)位置、以及精神集中程度等諸多不確定性因素的影響，很難減少這種波動(dòng)性，必須采用受操作者自身因素影響小的技術(shù)措施來(lái)改善波動(dòng)。將對(duì)線(xiàn)方法由人眼直接對(duì)點(diǎn)，改進(jìn)為CCD攝像頭對(duì)點(diǎn)，人根據(jù)屏幕上的圖像進(jìn)行調(diào)整(如圖8所示)。

而對(duì)于劃線(xiàn)方式(X5)對(duì)重新定位精度(Y)標(biāo)準(zhǔn)差的影響，解決方法是使用其波動(dòng)最小的方法，即采用十字線(xiàn)的方法。

采用這兩種改善方法之后，重新設(shè)計(jì)一組試驗(yàn)，從數(shù)據(jù)上分析改善措施的有效性。表1為改善前后標(biāo)準(zhǔn)差的變化情況。

2.4 改善后重新定位精度的評(píng)估及控制措施

圖7 操作者(X 3)、劃線(xiàn)方式(X 5)的等方差分析結(jié)果Fig.7 Equal variation test for operator(X 3)and marking method(X 5)

圖8 CCD圖像對(duì)點(diǎn)方法Fig.8 CCD image pointing method

表1 改善前后重新定位精度(Y)標(biāo)準(zhǔn)差的變化情況

首先通過(guò)時(shí)間序列圖來(lái)直觀(guān)分析改進(jìn)后的效果。圖9結(jié)果表明，在進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)后，所有的定位差值都在規(guī)格線(xiàn)之內(nèi)。該圖也清楚表明，改進(jìn)措施對(duì)重新定位精度的波動(dòng)性產(chǎn)生很大影響。進(jìn)一步利用能力分析方法評(píng)估改進(jìn)后的滿(mǎn)足重新定位精度需求上的能力，結(jié)果表明(圖10 改善后重新定位精度的長(zhǎng)期能力評(píng)估)，其長(zhǎng)期能力的Z值達(dá)到1.8，也就是其DPMO達(dá)到35930，達(dá)到了課題的目標(biāo)，表明改進(jìn)方法的有效性。

為了在實(shí)際應(yīng)用中更加快捷、方便地應(yīng)用CCD系統(tǒng)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)和制造了一套快速插拔的安裝裝置，并且購(gòu)置安裝了直接屏幕顯示的CCD系統(tǒng)(如圖11所示)。

圖9 改善后重新定位精度的時(shí)間序列圖Fig.9 Time series plot for improved repositioning precision

圖10 改善后重新定位精度的長(zhǎng)期能力評(píng)估Fig.10 Long-term capability for improved repositioning precision

圖11 快速插拔的安裝裝置和直接屏幕顯示的CCD系統(tǒng)Fig.11 Quick pulling installation device and CCD system for direct screen display

3 結(jié)論

本項(xiàng)目研究表明：

(1)六西格瑪改進(jìn)方法和工具是一種現(xiàn)有流程和技術(shù)改進(jìn)的有效手段，可以高效率地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。

(2)解決采用二維半設(shè)備進(jìn)行空間三維零件的切割時(shí)，由于斜切產(chǎn)生的切割精度問(wèn)題，其措施之一是：采用平面工位劃線(xiàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)工位對(duì)線(xiàn)法向切割的方法，來(lái)滿(mǎn)足空間三維零件切割的形位精度要求。對(duì)于由此產(chǎn)生的重新定位精度問(wèn)題，通過(guò)采用合適的CCD攝像頭，以及采用合適的劃線(xiàn)方法，最終精度可控制在±0.065mm，合格率可控制在96%以上。