基于精益六西格瑪?shù)耐苏诒翁幚碣|(zhì)量改善研究

劉鵬飛，朱 雷，張廣偉

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 工業(yè)與智能中心，河南 鄭州 450007)

退遮蔽處理主要是利用有機(jī)溶劑和堿性活化劑對(duì)油墨層進(jìn)行滲透、溶解、溶脹，破壞油墨層對(duì)基材的附著力，并通過化學(xué)反應(yīng)破壞油墨層的空間結(jié)構(gòu)，使油墨層中的高分子鏈斷裂，從而使油墨層從基材上剝離。

某公司一款鋁合金手機(jī)外殼在完成后蓋(Back Glass，BG)拋光處理后，需要對(duì)BG面噴涂一層厚度為30～50 μm的油墨遮蔽層(起防護(hù)作用)，以避免在后續(xù)數(shù)控機(jī)床(Computerised Numerical Control Machine，CNC)加工、搬運(yùn)過程中產(chǎn)生碰傷和刮傷；待CNC完成5-7夾的加工后，需要通過退遮蔽處理去除油墨遮蔽層，為陽(yáng)極染色處理環(huán)節(jié)提供光潔、平整的表面。為滿足CNC加工過程的防護(hù)要求，在遮蔽環(huán)節(jié)的百格測(cè)試中，油墨附著力等級(jí)需達(dá)到4B以上。但在退遮蔽處理中，油墨殘留和浮水印卻成了長(zhǎng)期困擾企業(yè)的難題。本文借助精益生產(chǎn)[1]和六西格瑪管理(簡(jiǎn)稱精益六西格瑪)的理念、工具、方法，按照定義(Define)、測(cè)量(Measure)、分析(Analyze)、改進(jìn)(Improve)和控制(Control)5個(gè)階段(簡(jiǎn)稱DMAIC)[2-3]，優(yōu)化工藝流程和工藝參數(shù)，以解決退遮蔽處理后產(chǎn)品的油墨殘留不良問題，降低企業(yè)的維修、報(bào)廢成本和訂單交付壓力。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

該款手機(jī)鋁制外殼采用龍門式清洗機(jī)進(jìn)行退遮蔽處理。其處理工序包括NaOH預(yù)處理、STP-01脫漆、C-02脫脂、超聲波水洗、烘干等。每道工序的反應(yīng)時(shí)間以及槽液的溫度、濃度、pH值等參數(shù)都是影響產(chǎn)品最終良率的因素。后制程陽(yáng)極染色對(duì)產(chǎn)品表面的清潔度要求極高。為保障產(chǎn)品的良率，生產(chǎn)該款手機(jī)的企業(yè)每輪班需安排36名檢驗(yàn)人員對(duì)退遮蔽處理的不良產(chǎn)品進(jìn)行攔截。而產(chǎn)品退遮蔽返修的成本高達(dá)5.6 元/件，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品整體生產(chǎn)成本的顯著增加。相關(guān)生產(chǎn)部門雖多次嘗試解決該問題，但無法通過常規(guī)分析查找根本原因，退遮蔽處理的產(chǎn)品不良率一直未得到有效控制。

2 定義階段與測(cè)量階段

在DMAIC改善的定義階段，對(duì)連續(xù)2周內(nèi)退遮蔽處理產(chǎn)品的品質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在687 682 件產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)樣本中，油墨殘留不良品數(shù)量累計(jì)為36 471件，占整個(gè)樣本數(shù)的5.3%，居所有不良項(xiàng)目(包括油墨殘留、浮水印、腐蝕點(diǎn)、碰刮傷和其他)的首位，在所有不良品中占59.5%。圖1所示為退遮蔽處理后產(chǎn)品不良項(xiàng)目的Pareto圖。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，本文確定將油墨殘留不良品數(shù)量控制在退遮蔽處理產(chǎn)品總量的2.5%以內(nèi)為改善目標(biāo)。

圖1 退遮蔽處理后產(chǎn)品不良項(xiàng)目的Pareto圖

在DMAIC改善的測(cè)量階段，由生產(chǎn)部門提供30件產(chǎn)品樣本(包括24件良品、6件不良品)，并在樣本背面進(jìn)行編碼，隨機(jī)抽取3個(gè)產(chǎn)品質(zhì)檢員；讓各質(zhì)檢員分別對(duì)全部產(chǎn)品樣本進(jìn)行2次檢驗(yàn)，得到180組檢驗(yàn)數(shù)據(jù)；針對(duì)這3個(gè)檢驗(yàn)員的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)行Minitab軟件，輸出量具運(yùn)行圖(圖2)，并通過Fleiss的Kappa 統(tǒng)計(jì)量分析，進(jìn)行了不同檢驗(yàn)員的檢驗(yàn)結(jié)果一致性分析(圖3)。

圖2 針對(duì)3個(gè)檢驗(yàn)員檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的量具運(yùn)行圖

圖3 不同檢驗(yàn)員的檢驗(yàn)結(jié)果一致性分析示意圖

分析可知，3個(gè)檢驗(yàn)員的檢驗(yàn)結(jié)果一致性較強(qiáng)，測(cè)量系統(tǒng)合格。

3 分析階段

在DMAIC改善的分析階段，借助因子篩選漏斗模型，通過流程分析查找退遮蔽處理的影響因子，并通過因果矩陣分析、失效模式與影響分析 (Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA)確定關(guān)鍵輸入變量，為下一階段的針對(duì)性改進(jìn)做準(zhǔn)備。因果矩陣分析結(jié)果如表1所示。

表1 因果矩陣分析結(jié)果

針對(duì)各工序的輸入變量，通過因果矩陣分析可確定影響油墨殘留的關(guān)鍵工序和關(guān)鍵輸入變量。關(guān)鍵工序?yàn)镹aOH預(yù)處理和STP-01脫漆；關(guān)鍵輸入變量從得分高到低依次為NaOH預(yù)處理工序的斜插式掛具，STP-01脫漆工序的未剝離油墨層，NaOH預(yù)處理工序的槽液濃度、槽液溫度、反應(yīng)時(shí)間，以及STP-01脫漆工序的斜插式掛具、槽液濃度、槽液溫度、反應(yīng)時(shí)間，共9個(gè)[4]。

本文針對(duì)因果矩陣分析所得9個(gè)關(guān)鍵輸入變量(即關(guān)鍵因子)進(jìn)行FMEA，分嚴(yán)重性、發(fā)生率、可探測(cè)度3項(xiàng)，按1—10的得分值進(jìn)行了評(píng)定。FMEA的結(jié)果如表2所示。

表2 FMEA的結(jié)果

由FMEA原理可知，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)(Risk Priority Number，簡(jiǎn)稱R)=嚴(yán)重性得分×發(fā)生率得分×可探測(cè)度得分。由表2可知：退遮蔽處理采用斜插式掛具時(shí)R為210；對(duì)應(yīng)NaOH預(yù)處理過程槽液溫度、濃度和反應(yīng)時(shí)間，R均為168;對(duì)應(yīng)STP-01脫漆過程未剝離的油墨層，R為175。改進(jìn)階段應(yīng)重點(diǎn)圍繞R≥168 對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵因子進(jìn)行優(yōu)化，而STP-01脫漆工序的其他輸入變量可在后期進(jìn)行規(guī)范[5]。

4 改進(jìn)階段

在DMAIC改善的改進(jìn)階段，要對(duì)斜插式掛具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)工藝流程和NaOH預(yù)處理工序各因子進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 掛具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

整個(gè)退遮蔽處理過程所用掛具為斜插式掛具框。其外框?yàn)椴讳P鋼材質(zhì)，內(nèi)框?yàn)榫勐纫蚁┎馁|(zhì)。工件呈60°傾斜放入掛具中，與掛具內(nèi)框的接觸區(qū)域有4個(gè)。由于內(nèi)框與產(chǎn)品的接觸區(qū)域存在力的作用，在NaOH預(yù)處理、STP-01脫漆和C-02脫脂過程中，這4個(gè)接觸區(qū)域的油墨層與槽液不可能充分接觸并發(fā)生分解反應(yīng)，接觸區(qū)域中心點(diǎn)的油墨會(huì)受到掛具內(nèi)框的遮擋防護(hù)，油墨的高分子鏈很難在退遮蔽處理中完全斷裂，油墨對(duì)工件的附著力不會(huì)完全解除，脫漆劑也無法完全滲透并溶解油墨，導(dǎo)致接觸區(qū)域中心位置存在點(diǎn)狀的油墨殘留。

本文對(duì)同一掛具的40個(gè)試驗(yàn)工件進(jìn)行了NaOH預(yù)處理，并針對(duì)所有預(yù)處理后的試驗(yàn)工件，在各工件上選取2個(gè)相同的接觸區(qū)和2個(gè)相同的非接觸區(qū)進(jìn)行了百格測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)：接觸區(qū)域的油墨附著力為ASTM(Standard Test Methods for Measuring Adhesion by Tape Test)等級(jí)1B(指切口邊緣大片剝落，部分格子全部剝落，被剝落面積為35%～65%)的工件數(shù)量占工件總數(shù)的17.5%，為ASTM等級(jí)0B(指切口邊緣大片剝落、部分格子未全部剝落，被剝落面積大于65%)的工件數(shù)量占工件總數(shù)的82.5%；非接觸區(qū)域的油墨附著力均為ASTM等級(jí)0B。

通過改進(jìn)現(xiàn)有掛具結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)撐式掛具，工件與掛具之間的接觸點(diǎn)被移至工件內(nèi)腔，工件外部油墨層不接觸掛具更無任何接觸點(diǎn)，使槽液與油墨能充分反應(yīng)，將工件油墨殘留的不良率降到了1.5%。

4.2 工藝流程的優(yōu)化

在NaOH預(yù)處理后，工件表面的油脂經(jīng)過皂化反應(yīng)基本得以清除，油墨中的高分子鏈發(fā)生斷裂并被剝離，這有助于STP-01脫漆劑迅速滲透并溶解油墨；但在金屬與塑膠的接合縫隙處、按鍵孔中仍有油脂殘留。這些殘留油脂會(huì)對(duì)其周圍油墨產(chǎn)生很強(qiáng)的吸附作用，也會(huì)對(duì) STP-01脫漆劑產(chǎn)生阻隔作用而削弱溶劑的分子滲透性，使溶解溶脹的作用變差。

為此，可將C-02脫脂工序前移至STP-01脫漆工序之前，通過超聲波脫脂處理除掉工件塑膠縫隙及按鍵孔中的殘留油脂；同時(shí)，通過C-02脫脂，進(jìn)一步去除油墨層的油脂，削弱油墨對(duì)基材的附著力，增強(qiáng)主溶劑的溶解力，使主溶劑能充分溶解油墨層,加大脫漆速度,改善退遮蔽處理的效果。

4.3 NaOH預(yù)處理工序各因子的優(yōu)化

4.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在因果矩陣分析和FMEA的基礎(chǔ)上，可通過實(shí)驗(yàn)對(duì)NaOH預(yù)處理的槽液濃度、槽液溫度和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，以獲得最佳的油墨去除效果。NaOH預(yù)處理工序三因子兩水平的實(shí)驗(yàn)設(shè)置情況如表3所示。

表3 NaOH預(yù)處理工序三因子兩水平的實(shí)驗(yàn)設(shè)置情況

實(shí)驗(yàn)借助Minitab軟件，采取隨機(jī)和重復(fù)化(角點(diǎn)復(fù)制兩次) 原則，兼顧 “均衡分散，整齊可比”的正交實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，進(jìn)行了全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了23×2=16次具體實(shí)驗(yàn)、7個(gè)效應(yīng)項(xiàng)(3個(gè)因子以及兩兩因子間的交互作用、3個(gè)因子的共同作用)。

4.3.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

按實(shí)驗(yàn)設(shè)置完成16次具體實(shí)驗(yàn)，得到了表4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入Minitab軟件，可得到圖4所示標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pareto圖。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pareto圖

由圖4可看出，單個(gè)因子槽液濃度A和槽液溫度B，以及兩因子AB交互作用的標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)均跨越了對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)2.306%的統(tǒng)計(jì)顯著性參考線。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果的估計(jì)效應(yīng)可算出：預(yù)測(cè)擬合優(yōu)度為76.85%，調(diào)整后的擬合優(yōu)度為89.15%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析結(jié)果如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析結(jié)果

由表5可知，槽液濃度、槽液溫度以及槽液濃度×槽液溫度的P值均小于0.05。由此可得到下列結(jié)論：?jiǎn)我蜃硬垡簼舛華和槽液溫度B是效應(yīng)顯著因子，且無失擬現(xiàn)象，而反應(yīng)時(shí)間C的效應(yīng)不顯著；槽液濃度A和槽液溫度B交互作用顯著，而AC、BC以及ABC的交互作用不顯著。

為便于對(duì)比，本文通過移除一些效應(yīng)項(xiàng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行優(yōu)化，得出了優(yōu)化后標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)Pareto圖(圖5)、優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)結(jié)果的估計(jì)效應(yīng)和系數(shù)(表6)、優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析結(jié)果(表7)。

圖5 優(yōu)化后標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)Pareto圖

表6 優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)結(jié)果的估計(jì)效應(yīng)和系數(shù)

表7 優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析結(jié)果

由圖5可看出，單個(gè)因子槽液濃度A和槽液溫度B，以及因子AB交互作用的標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)均跨越了對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)2.262%的統(tǒng)計(jì)顯著性參考線。

分析表6、表7可知：優(yōu)化后擬合優(yōu)度為90%；在優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析結(jié)果中，槽液濃度、槽液溫度以及槽液濃度×槽液溫度的P值均小于0.05。參考文獻(xiàn)[6]，根據(jù)優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出下列最佳編碼方程式：實(shí)驗(yàn)結(jié)果=0.029 500-0.006×槽液濃度-0.003 375×槽液溫度+0.003 375×槽液濃度×槽液溫度。

4.3.3 最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)與效果評(píng)價(jià)

為了進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)，本文采用Minitab的響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，在響應(yīng)優(yōu)化器設(shè)置選項(xiàng)中選擇“望小”，將最大值設(shè)為2.5%，目標(biāo)值設(shè)為2.0%，經(jīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)搜索得到了最優(yōu)參數(shù)的設(shè)計(jì)結(jié)果。在槽液濃度為90 g/L、槽液溫度為82.07 ℃、反應(yīng)時(shí)間為 5 min 的條件下，油墨殘留不良率可取得最小值2.34%。

為了驗(yàn)證最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)的效果，可按最優(yōu)參數(shù)

(即槽液濃度90 g/L，槽液溫度82.07 ℃，反應(yīng)時(shí)間5 min)重新實(shí)驗(yàn)，并隨機(jī)抽取10筐物料進(jìn)行全檢，統(tǒng)計(jì)不良率數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，油墨殘留不良率落在了95%預(yù)測(cè)區(qū)間內(nèi)。這說明所設(shè)計(jì)最優(yōu)參數(shù)有效。

5 控制階段

在DMAIC改善的控制階段，導(dǎo)入新型掛具，調(diào)整工藝流程，重新制定NaOH預(yù)處理工序和STP-01脫漆工序的作業(yè)指導(dǎo)書,調(diào)整槽液監(jiān)控規(guī)范和日常點(diǎn)檢表，并對(duì)設(shè)備操作員工進(jìn)行適當(dāng)培訓(xùn)，提高日常點(diǎn)檢的稽核要求，逐步完善作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和日常管理規(guī)范，以確保退遮蔽處理的產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性。

本文連續(xù)觀測(cè)并記錄24 d退遮蔽處理的產(chǎn)品品質(zhì)數(shù)據(jù)，繪制了圖6所示油墨殘留的單獨(dú)觀測(cè)值和移動(dòng)極差控制曲線。

由圖6可看出，單獨(dú)觀測(cè)值和移動(dòng)極差均在控制范圍內(nèi)(上限和下限之間)。這表明退遮蔽處理過程是受控制的，質(zhì)量改善的效果良好。

(a) 單獨(dú)觀測(cè)值控制曲線

6 結(jié) 語(yǔ)

本文基于精益六西格瑪?shù)睦砟?、工具和方法，重點(diǎn)解決某品牌手機(jī)鋁合金外殼退遮蔽處理的質(zhì)量問題；通過DMAIC改善，采用流程分析、因果矩陣分析、失效模式與影響分析，篩選了關(guān)鍵輸入變量；通過掛具結(jié)構(gòu)改進(jìn)、工藝流程優(yōu)化，并借助Minitab軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)能達(dá)到目標(biāo)值的最優(yōu)參數(shù)，完善作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)退遮蔽處理產(chǎn)品不良率的有效控制。