耐磨環(huán)的質(zhì)量改進(jìn)研究

陳 瑩，趙 清

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 前言

現(xiàn)如今，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及農(nóng)業(yè)向工業(yè)的轉(zhuǎn)型，國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)械的需求量越來越大，其質(zhì)量性能要求也越來越高[1]。耐磨環(huán)作為機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵零部件也受到了越來越多的關(guān)注。

耐磨環(huán)為泵送系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，泵工作狀態(tài)下易出現(xiàn)機(jī)械故障和效率低等現(xiàn)象，會(huì)對(duì)工廠制造業(yè)領(lǐng)域造成不良影響。泵在不良操作條件下，耐磨環(huán)仍可以運(yùn)轉(zhuǎn)，這對(duì)泵起到防御作用，同時(shí)可以控制液體的回收循環(huán)情況。所以，進(jìn)一步優(yōu)化耐磨環(huán)性能刻不容緩。傳統(tǒng)的耐磨環(huán)是以異種金屬材料制備而成，但是由于金屬材料的特性所限，阻礙了泵體功能的進(jìn)一步提高[2]。耐磨環(huán)工作原理見圖1。兩個(gè)柱塞缸輪換工作，耐磨環(huán)需在耐磨板上進(jìn)行不斷地往復(fù)滑動(dòng)[3]。因此，接觸面常出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，造成密封不嚴(yán)，故將會(huì)不定時(shí)的更換[4]。然而，更換過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，降低了生產(chǎn)效率。所以，提高耐磨環(huán)的質(zhì)量顯得尤為重要，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 耐磨環(huán)的問題現(xiàn)狀分析

耐磨環(huán)的硬質(zhì)合金是保證耐磨性的重要基礎(chǔ)。其中，影響耐磨環(huán)耐磨損性能的重要因素主要有硬度、溫度、強(qiáng)度以及表面粗糙度等。本文抽取了100 個(gè)廢棄的耐磨環(huán)，并統(tǒng)計(jì)了各種廢棄耐磨環(huán)的數(shù)量，見表 1。

表1 耐磨環(huán)毀壞原因統(tǒng)計(jì)

耐磨環(huán)毀壞原因并不是只有一個(gè)，而是多個(gè)原因共同造成的，為找出影響耐磨環(huán)質(zhì)量的“關(guān)鍵的少數(shù)和次要的多數(shù)”，利用Minitab軟件繪制出排列圖進(jìn)行分析[5]，如圖2所示。

圖2 毀壞原因的Pareto圖

根據(jù)圖 2所示，造成耐磨環(huán)毀壞的主要原因有強(qiáng)度、粗糙度和硬度幾種因素，因此，對(duì)強(qiáng)度、硬度和表面粗糙度三種主要因素的影響作用進(jìn)行分析。

初步分析可知，材料配比影響耐磨環(huán)的強(qiáng)度和硬度，而表面粗糙度一般是由加工過程所造成的，因此，造成耐磨環(huán)毀壞的主要原因是材料本身，其次可能是生產(chǎn)過程能力不足。所以，對(duì)生產(chǎn)過程能力進(jìn)行深入分析。

2 過程能力分析

耐磨環(huán)的生產(chǎn)過程有十一道工序，初步分析后，確定開槽部分是十分關(guān)鍵的工序，若這部分工序達(dá)不到要求，槽深不合格或者是平整度不夠，都會(huì)使得與之配套的硬質(zhì)合金不能很好的發(fā)揮其耐磨性能。用排列圖對(duì)開槽工序中耐磨環(huán)質(zhì)量出現(xiàn)問題的原因進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 開槽工序不合格原因的Pareto圖

2.1 SPC 分析

由上述分析得知，耐磨環(huán)的深度問題是研究的主要問題。隨機(jī)選取125組數(shù)據(jù)，見表2。

(3)根據(jù)公式

得R圖的控制限：

表2 耐磨環(huán)深度數(shù)據(jù) cm

(4)根據(jù)公式

(5)作控制圖運(yùn)用Minitab軟件繪制耐磨環(huán)深度的均值極差控制圖，如圖4所示。

從圖4看出極差和均值均在界內(nèi)；由判穩(wěn)準(zhǔn)則:連續(xù)25個(gè)點(diǎn)，界外的點(diǎn)數(shù)d=0；連續(xù)35個(gè)點(diǎn)，界外的點(diǎn)數(shù)d≤1；連續(xù)100個(gè)點(diǎn)，界外的點(diǎn)數(shù)d≤2；，生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)過程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)，生產(chǎn)平穩(wěn)。

圖4 耐磨環(huán)深度的均值極差控制圖

2.2 SPD分析

計(jì)算短期過程能力指數(shù)[7]：

μ=M=24.5

T=TU-TL=0.6

長(zhǎng)期過程能力指數(shù)即過程性能指數(shù)

由表中數(shù)據(jù)計(jì)算得

繪制產(chǎn)品的工藝過程能力圖如圖5所示。

圖5 工藝過程能力圖

根據(jù)GB/T4091-2001，要求CP≥1.33，這是4σ控制的情況，由計(jì)算的結(jié)果可知，CP=0.55<1.33，工藝過程能力欠佳。因此分析問題并采取相應(yīng)措施，需進(jìn)一步優(yōu)化處理。

2.3 頭腦風(fēng)暴法

采用頭腦風(fēng)暴法，對(duì)工藝、職員、機(jī)械設(shè)備、周圍環(huán)境等主要方面來分析及改進(jìn)。

(1)工藝方面。對(duì)加工工序進(jìn)行完善，前后對(duì)比見圖6。

圖6 改進(jìn)前后的加工工序比較

(2)人員方面。開槽工序，前一道工序有四臺(tái)車床,而該工序僅有一臺(tái)，使得該機(jī)床工作量過大。經(jīng)觀察，操作者在一個(gè)生產(chǎn)周期中操作時(shí)間為3 min，而在次周期中機(jī)器有效加工時(shí)間為10 min，根據(jù)公式

可以算出可同時(shí)操作4臺(tái)機(jī)器?？紤]到實(shí)際情況，可以讓操作者同時(shí)操作兩臺(tái)機(jī)器。

(3)機(jī)器方面。A公司多為老舊設(shè)備，已經(jīng)不能滿足精度要求。然而，設(shè)備是確保生產(chǎn)過程能否進(jìn)行的重要基礎(chǔ)。設(shè)置更加精密的定位裝置設(shè)備，加強(qiáng)自動(dòng)化程度，有助于提高加工質(zhì)量。因此，有必要更換老舊設(shè)備，增加新設(shè)備的投入。

(4)環(huán)境方面。A公司車間里充斥著讓人暈眩的噪音和刺鼻的氣味。其中，鑄造車間更是酷熱難當(dāng)。這無形中會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量。為了解決此類問題，工作場(chǎng)地需配備有效的通風(fēng)系統(tǒng)及必要的安全保障技術(shù)，廠房?jī)?nèi)的空氣中有害物質(zhì)必須嚴(yán)格控制在相關(guān)環(huán)保規(guī)定以下。噪音應(yīng)控制在85 dB以下[8]。此外，工作車間應(yīng)具備良好的自然采光及照明系統(tǒng)。同時(shí)，需要落實(shí)現(xiàn)場(chǎng)5S，為生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品提供良好的基礎(chǔ)。

3 耐磨環(huán)硬質(zhì)合金配方實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

耐磨環(huán)硬質(zhì)合金配方問題是 A公司面臨的頭號(hào)難題。目前，已驗(yàn)證三種配方在試驗(yàn)后增大了耐磨環(huán)的耐磨性、提高了硬度。但是，具體采用哪一種配方，需要進(jìn)一步研究。因此，針對(duì)貴公司要求，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[9]的方法，對(duì)三種配方進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而為A公司提供最佳方案。

(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。按照企業(yè)要求，選出最佳方案。

(2)試驗(yàn)指標(biāo)。耐磨環(huán)的耐磨性和使用壽命達(dá)到期望的要求，表現(xiàn)為較高的硬度和強(qiáng)度，數(shù)值越大越好。

(3)確定因子水平。耐磨環(huán)硬質(zhì)合金的成分有九種以上，為便于試驗(yàn)設(shè)計(jì)，只考慮耐磨環(huán)的主要成分因素，WC、Ni、Cr、Fe 四種成分含量(%)分別對(duì)應(yīng)A、B、C、D，選擇了三種方案，如表 3所示。

表3耐磨環(huán)硬質(zhì)合金的主要成分因素-水平表

水平A/%B/%C/%D/%160～6314310～13264～6715514～17368～8016718～21

A公司硬質(zhì)合金的材料配比一次為 300 kg，表3列出的是單位原材料中 WC、Ni、Cr、Fe 四種主要成分的含量。綜合考察抗彎強(qiáng)度和硬度，對(duì)試驗(yàn)逐個(gè)評(píng)價(jià)，按效果打分，將打分的結(jié)果作為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，這樣把多指標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為了單指標(biāo)問題。試驗(yàn)計(jì)劃與結(jié)果見表4所示。

對(duì)指標(biāo)的影響程度依次是：C、D、B(A)、A(B)。所以，最佳條件是C3D1B2A1。

4 Topsis法評(píng)價(jià)

根據(jù)本文的分析和改善方案，用Topsis法[10]進(jìn)行評(píng)價(jià)。

評(píng)價(jià)方案所選指標(biāo)為生產(chǎn)量、銷售量、開槽合格率、銅焊合格率、總合格率和平均使用壽命，所記錄數(shù)據(jù)為2016年3月份至9月份的結(jié)果，見表5。

表4 試驗(yàn)計(jì)劃與結(jié)果

表5 A公司2016年3-9月份主要指標(biāo)

平均使用壽命屬于低優(yōu)指標(biāo)，為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確度，應(yīng)把平均壽命轉(zhuǎn)化為高優(yōu)指標(biāo)，即把其倒數(shù)值乘以 100，可得歸一化矩陣為：

A=

由矩陣A可得，最優(yōu)和最劣方案分別為

從表6可以看出，從3月至9月生產(chǎn)狀況呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，最近的9月最好。所以，可以認(rèn)定，改善方案是可行的。

月份D?iD-iCi排序結(jié)果30 40890 20490 3338640 35700 15970 3091750 26150 20340 4375460 29950 16530 3556570 20640 39020 6541380 16820 34370 6714290 19340 40900 67891

5 結(jié)論

本文通過質(zhì)量管理方法和試驗(yàn)分析，結(jié)合Minitab軟件，提出了耐磨環(huán)基體硬質(zhì)合金元素最佳配比方案，并對(duì)關(guān)鍵工序進(jìn)行了改進(jìn)，使得耐磨環(huán)的合格率提高到了98%。提高了公司的質(zhì)量水平，削減了質(zhì)量損失，贏得了經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的借鑒作用。

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