應(yīng)用常規(guī)控制圖原理對金剛石繩鋸自動冷壓串珠重量控制研究

王智慧，王偉熙，李運海，楊理清，莫 睿

(1.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西 桂林 541004;2.廣西超硬材料重點實驗室,廣西 桂林 541004;3.桂林海威科技股份有限公司,廣西 桂林 541004；4.桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004)

0 前言

金剛石繩鋸由鋼絲繩、串珠及固結(jié)材料組成，金剛石繩鋸質(zhì)量的好壞主要取決于串珠質(zhì)量的好壞[1]。作為串珠制作過程中的主要工序：串珠冷壓工序質(zhì)量對金剛石繩鋸質(zhì)量起著十分重要的作用[2]。隨著技術(shù)的進步，自動冷壓串珠己逐步成為串珠冷壓的主要生產(chǎn)方法，但因缺少熟練技術(shù)員工，在生產(chǎn)過程中不能及時發(fā)現(xiàn)異常并加以排除，經(jīng)常會因串珠冷壓坯重量超差過多導(dǎo)致冷壓坯不合格，這不僅增加了串珠制作成本，更增加了金剛石繩鋸質(zhì)量波動的風(fēng)險。本文應(yīng)用常規(guī)控制圖原理對自動冷壓串珠重量進行控制，使普通操作員工或管理人員能根據(jù)出現(xiàn)的異常模式査明其產(chǎn)生的原因并加以消除，以減少不合格品的機率。

1 預(yù)備工作

1.1 質(zhì)量特性的選擇

影響串珠冷壓質(zhì)量的質(zhì)量特性主要有冷壓坯重量、冷壓坯外徑及冷壓坯高度。冷壓坯外徑隨冷壓模具的磨損逐漸增大,冷壓模具的磨損是影響冷壓坯外徑唯一的因素。影響冷壓坯高度的因素相對較多，如冷壓壓力、串珠基體尺寸、冷壓模具磨損等，但冷壓坯高度偏差對串珠質(zhì)量影響較小，因而給的公差帶很寬，只要在生產(chǎn)初期調(diào)試好，很少會在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)超差。因此串珠冷壓坯外徑及高度只需定期取樣監(jiān)控即可,不必用控制圖進行監(jiān)控。冷壓坯重量偏差對串珠質(zhì)量影響很大，且影響因素很多，用常規(guī)控制圖可以對冷壓坯重量偏差進行很好的控制，根據(jù)控制圖形的異常變化模式可分析出冷壓坯重量偏差的原因。本文研究的質(zhì)量特性為冷壓坯重量。

1.2 冷壓坯重量取值約定

本文以Φ6.5串珠冷壓為例，討論應(yīng)用常規(guī)控制圖原理對自動冷壓串珠重量控制方法。

冷壓坯重量位置中心隨每批基體的平均重量不同而變化，這將不利于控制圖的繪制，為簡化控制圖，實際操作采用標準冷壓坯重量，其測量標準冷壓坯重量步驟如下：

(1)校正電子秤；

(3)去凈電子秤上的粉料，秤取冷壓坯重量。此時，電子秤上的讀數(shù)即為標準冷壓坯重量。此后，若無說明，冷壓坯重量都是指標準冷壓坯重量。標準冷壓坯重量規(guī)范為1.16±0.05g。

1.3 影響因素分析

(1)基體重量偏差：基體重量偏差是客觀存在的，生產(chǎn)中不可能做到測量每一個基體重量并進行標識,只能用批平均基體重量取代。

(2)冷壓模具磨損：冷壓坯重量隨冷壓模具磨損而變輕，為控制冷壓坯重量及延長冷壓模具使用壽命，在冷壓模具使用后期需適當增加粉料的投放量。

(3)不同機器：不同機器因冷壓模具磨損程度不同等原因，導(dǎo)致冷壓坯所控制的重量平均值有所差別。

(4)不同批次粉料：目前，串珠自動冷壓多采用容積法，不同批次的粉料因粉料粒度不同等原因，導(dǎo)致冷壓坯重量有所差別。

(5)測量工具：測量工具損壞或保養(yǎng)不到位，將導(dǎo)致稱量錯誤。

(6)計算錯誤:每種異常模式都可能因計算錯誤引起。在分析異常模式時，首先應(yīng)排除計算錯誤。

1.4 控制圖類型的選擇

適用冷壓坯重量控制圖類型有平均值圖與極差圖、平均值圖與標準差圖、中位數(shù)圖與極差圖三種。平均值圖與極差圖以方便問題查找及操作簡單等特點在生產(chǎn)現(xiàn)場質(zhì)量控制中得到了十分廣泛的應(yīng)用[4]。本文也以平均值圖與極差圖為例對冷壓坯重量進行常規(guī)控制圖分析。

1.5 檢驗合理子組與子組大小的選擇

將所抽取的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)分成一些子組，若使得組內(nèi)變差可認為僅由偶然原因造成，而組間的任何差異可以是由控制圖所欲檢測的可査明原因造成，這樣的子組稱為合理子組[5]。對冷壓坯重量的抽檢而言，每隔一定的時間間隔按簡單隨機抽樣法抽取n顆冷壓坯進行稱重,若在這一時間間隔內(nèi),基體及粉料批次不變、冷壓模具沒有更換、設(shè)備及操作人員沒有變化時,將上述n顆冷壓坯重量數(shù)據(jù)編為一個子組,這樣的子組可近似為合理子組。本文一定的時間間隔取15分鐘，這一時間間隔不一定要求完全一致，控制在10分鐘到20分鐘均可,但抽取的冷壓坯重量編組必須符合合理子組的要求。子組大小n一般取4或5，本文子組大小n取為5；子組大小n一經(jīng)確定，應(yīng)保持不變；若子組大小發(fā)生變化，將使控制圖計算變得復(fù)雜，不利于生產(chǎn)現(xiàn)場使用。

1.6 組內(nèi)過程標準差估計

組內(nèi)過程標準差估計值σ是通過收集和分析一些預(yù)備檢驗數(shù)據(jù)和測量結(jié)果得來。預(yù)備檢驗數(shù)據(jù)應(yīng)從一個連續(xù)運行的生產(chǎn)過程中逐個子組地進行收集，直到獲得20至25個子組為止[4]。注意，在收集預(yù)備檢驗數(shù)據(jù)的過程中，過程不得間歇地受到外來因素的不當影響，如原材料的供給、機器等方面的變化，換言之，在收集預(yù)備檢驗數(shù)據(jù)時，過程應(yīng)該呈現(xiàn)出一種穩(wěn)定狀態(tài)。收集的部分預(yù)備檢驗數(shù)據(jù)列為表1,本批基體的平均重量為0.93g。

表1 部分預(yù)備檢驗數(shù)據(jù)列表Table 1 Partial preliminary inspection data list

圖1 極差控制圖Fig.1 Range control chart

由圖1可見，第12子組極差R12超出了極差控制上限，說明該極差控制圖處于失控狀態(tài)，需要查明原因。通過對第12子組冷壓坯重量進行分析，發(fā)現(xiàn)第12子組第5個冷壓坯重量為1.22g,明顯高于其它冷壓坯重量,將該冷壓坯粉料及基體分離，稱得粉料重量為1.15g,基體重量為 1.00g,粉料重量在規(guī)范要求的范圍內(nèi),而基體重量超出規(guī)范較多,需對該批剩下的基體重新進行檢驗,并視檢驗結(jié)果對檢驗流程及基體供應(yīng)商生產(chǎn)流程進行改進。

表2剔除失控子組后部分預(yù)備檢驗數(shù)據(jù)列表
Table 2 Preliminary test data excluding the out of control subgroup

子組號(i)冷壓坯重量(g)Wi1Wi2Wi3Wi4Wi5WiRi11.141.171.161.181.141.1580.0481.151.161.181.221.181.1780.07111.141.151.161.191.151.1580.05121.191.181.171.171.181.1780.02241.141.151.161.171.141.1520.03平 均1.1600.0371

當極差控制圖處于受控狀態(tài)后，可繪制平均值控制圖。當子組大小n為5時，計算得子組平均值控制上限WiUCL為1.181g,子組平均值控制下限WiLCL為1.139g。剔除失控子組平均重量控制圖如圖3所示。

圖2 剔除失控子組極差控制圖Fig.2 Range control chart

圖3 剔除失控子組平均重量控制圖Fig.3 Average weight control chart without out-of-control subgroup

由圖3可見，平均重量控制圖未出現(xiàn)常規(guī)控制圖的八個模式[4]，該子組平均重量控制圖處于受控狀態(tài)。當平均重量控制圖處于受控狀態(tài)后，可進行冷壓坯重量標準差估計。

d2為與子組大小n有關(guān)的系數(shù)，當n=5時，d2=2.326[4]。

1.7 過程能力評估

當過程處于受控狀態(tài)后，才可評估過程能力。過程能力一般用過程能力指數(shù)表示。

PCI=(WUTL-WLTL)/(6σ0)=1.04

式中：PCI為過程能力指數(shù);

WUTL、WLTL為冷壓坯重量上、下極限；

PCI為1時，過程能力剛好滿足規(guī)范要求。在許多實際工作中，通常取PCI等于1.33為最小可接受值[6]，因為總存在一些抽樣誤差，而且不可能存在永遠完全處于統(tǒng)計控制狀態(tài)的過程。然而，在自動串珠冷壓過程中，由于影響的因素較多，特別是串珠基體重量很難控制，很難在保持冷壓坯重量公差不變的條件下，使PCI達到1.33的要求，實際操作中，保持PCI大于1時，也能使冷壓坯重量較好的滿足要求。

表2中的W84等于1.22g,超出了冷壓坯重量規(guī)范上限,但該過程仍判為受控。引起該現(xiàn)象的原因分析己超出本文討論范圍，本文不作討論。

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)控制圖繪制及過程受控判定

圖4 極差控制圖 Fig.4 Range control chart

圖5 平均值控制圖Fig.5 Average control chart

每隔約15分鐘按簡單隨機抽樣,抽取5粒冷壓坯,并確保抽取的5粒冷壓坯能編成一個合理子組[4],秤取該5粒冷壓坯重量,并記錄在與表1表頭相同的表格中,計算該子組極差及平均重量。將該子組極差點繪在如圖4的極差圖上，若該點落在上、下控制線RiUCL、RiLCL之間(含控制線上)，說明該過程極差處于受控狀態(tài)，否則，該過程極差處于失控狀態(tài)，需暫停生產(chǎn)，查明原因后才能生產(chǎn)。

該過程極差處于受控狀態(tài)后，將該子組平均重量點繪在如圖5的平均值控制圖上。若平均值控制圖未出現(xiàn)常規(guī)控制圖中的八個模式，說明該生產(chǎn)過程處于受控狀態(tài)，否則，該生產(chǎn)過程處于失控狀態(tài)，需暫停生產(chǎn)，查明原因后才能再生產(chǎn)。

當過程保持受控狀態(tài)，或偶有過程失控、但事后能查明原因時，應(yīng)定期重新估計冷壓坯重量標準差及過程能力，重新評估時須取最近連續(xù)20～25個子組數(shù)據(jù)進行標準差估計及過程能力評估。若新估計的標準差與在用的標準差相差較大(如超過10%)時，應(yīng)根據(jù)重新估計的標準差，繪制新的極差控制圖及平均值控制圖。每次評估，過程能力指數(shù)應(yīng)大于1，標準差不能有逐步上升的趨勢，否則，將容易出現(xiàn)不合格品批，此時，須引起公司管理層的重視。

2.2 平均控制圖常見失控模式及原因分析

(1)1個點落在A區(qū)以外

如圖6所示,第22點落在了上控制線WiUCL之外，第84點落在了下控制線WiLCL之外，表明第21點與22點及第83點與84點之間的過程失控,需查明原因才能生產(chǎn)。引起該現(xiàn)象的可能原因為：A、串珠基體重量偏差；B、串珠冷壓模具磨損；C、不同批次粉料；D、測量工具不準。經(jīng)調(diào)查，第84點是因冷壓模具磨損，第22點是因基體換成另一批次而基體的批平均重量沒有變換。

圖6 1個點落在A區(qū)以外Fig.6 one point out of Area A

(2)連續(xù)6點遞減

如圖7所示，第24點至第29點連續(xù)6點遞減，盡管各點均落在上下控制線以內(nèi)，但該過程己處于失控狀態(tài),需查明原因才能生產(chǎn)。經(jīng)查，引起該模式的原因為串珠冷壓模具嚴重磨損，提示需更換冷壓模具。

圖7 連續(xù)6點遞減Fig.7 Continuous 6-point decline

(3)連續(xù)14點中相鄰點交替上下

如圖8所示，第12點至第25點連續(xù)14點中相鄰點交替上下，盡管各點均落在上下控制線以內(nèi)，但該過程己失控,需查明原因后才能生產(chǎn)。引起該現(xiàn)象的原因為：交替抽取兩臺機器生產(chǎn)的冷壓坯。經(jīng)查，該兩臺機器各項性能很好,均使用較新的模具,具體原因卻是一臺機器將子組平均值定在WiCL之上，一臺機器將子組平均值定在WiCL之下所引起,這種模式在實際操作中出現(xiàn)的幾率很小。

圖8 連續(xù)14點中相鄰點交替上下Fig.8 14 consecutive alternate points

(4)連續(xù)3點中有2點落在中心線同一側(cè)的B區(qū)以外

如圖9所示，第22點～第24點及第47點～第49點間連續(xù)3點中有2點落在中心線同一側(cè)的B區(qū)以外，盡管各點均落在控制線以內(nèi)，但該過程己失控,需查明原因后才能生產(chǎn)。

圖9 連續(xù)3點中有2點落在中心線同一側(cè)的B區(qū)以外 Fig.9 2 out of 3 consecutive points are out of Area B on the same side of the center line

經(jīng)查：

第22點～第24點模式失控原因是因粉料偏重引起，需減少粉料重量才能生產(chǎn)，否則，將因冷壓坯超重過多導(dǎo)致冷壓批不合格。

第47點～第49點模式失控原因是因冷壓模具磨損導(dǎo)致漏料引起的，出現(xiàn)該模式時，提示需要調(diào)整粉料重量或更換冷壓模具。否則，將因冷壓坯偏輕過多導(dǎo)致冷壓批不合格。

(5)連續(xù)5點中有4點落在中心線同一側(cè)的C區(qū)以外

如圖10所示，第22點～第26點及第71點～第75點間連續(xù)5點中有4點落在中心線同一側(cè)的C區(qū)以外，盡管各點均落在控制線以內(nèi)，但該過程己失控,需查明原因后才能生產(chǎn)。

圖10 連續(xù)5點中有4點落在中心線同一側(cè)的C區(qū)以外 Fig.10 4 out of 5 consecutive points are out Of Area C on the same side of the center line

經(jīng)查：

第22點～第26點模式失控原因是因粉料偏重引起，需減少粉料重量才能生產(chǎn)，否則，將因冷壓坯超重過多導(dǎo)致冷壓批不合格。

第71點～第75點模式失控原因是因冷壓模具磨損導(dǎo)致漏料引起的，出現(xiàn)該模式時，提示需要調(diào)整粉料重量或更換冷壓模具。否則，將因串珠冷壓坯偏輕過多導(dǎo)致冷壓批不合格。

(6)連續(xù)8點落在中心線兩側(cè)且無一在C區(qū)內(nèi)

如圖11所示，第21點至第28點間連續(xù)8點落在中心線兩側(cè)且無一在C區(qū)內(nèi)，盡管各點均在控制線以內(nèi)，但該過程己失控,需查明原因后才能生產(chǎn)。經(jīng)查引起該現(xiàn)象的原因為：抽取兩臺機器生產(chǎn)的冷壓坯。經(jīng)查，該兩臺機器各項性能很好，均使用較新的模具，一臺機器將子組平均值定在WiCL之上，一臺機器將子組平均值定在WiCL之下所引起,這種模式在實際操作中出現(xiàn)的幾率小。

圖11 連續(xù)8點落在中心線兩側(cè)且無一在C區(qū)內(nèi) Fig.11 8 consecutive points on both sides of the center line and none of them in Area C

3 結(jié)論

(1)用常規(guī)控制圖可以對串珠冷壓坯重量進行很好的控制，生產(chǎn)中可根據(jù)平均值控制圖圖形的變化可分析出導(dǎo)致串珠冷壓坯重量失控的原因,并加以消除。

(2)平均值控制圖和極差控制圖以方便問題查找及操作簡單等特點在生產(chǎn)現(xiàn)場質(zhì)量控制中得到十分廣泛的應(yīng)用。利用平均值控制圖和極差控制圖對串珠冷壓坯重量進行控制是十分有效的。

(3)引起串珠冷壓坯重量失控的主要因素有串珠基體重量超差、冷壓模具磨損、將不同機器抽取的串珠冷壓坯重量點繪在同一張控制圖上、不同批次粉料影響、測量工具不準及計算錯誤等，其中以串珠基體重量超差出現(xiàn)的機率最高，其次是冷壓模具磨損，其它幾種因素出現(xiàn)的機率較少。

(4)平均重量控制圖若出現(xiàn)常規(guī)控制圖中的八個模式，說明該生產(chǎn)過程處于失控狀態(tài)，須暫停生產(chǎn)，查明原因。否則，將會因過程失控使串珠冷壓坯重量超差過多導(dǎo)致冷壓批不合格。