基于SPC 的汽車零部件質(zhì)量問題預(yù)警與改善

●徐雨晴 朱玉杰 郝藝婷

一、引言

在汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU 的生產(chǎn)過程中，容易出現(xiàn)由于散熱問題所導(dǎo)致的不良品產(chǎn)生，導(dǎo)致由于質(zhì)量問題引起的一系列成本的損失，因此為了解決產(chǎn)品質(zhì)量問題，提高工序能力，就需要采用有效的監(jiān)控預(yù)警以及改善方法對現(xiàn)狀進(jìn)行改善。

劉艷秋在統(tǒng)計過程控制(SPC)在質(zhì)量管理中的應(yīng)用研究中詳細(xì)的闡述了兩種質(zhì)量工具：控制圖以及工序能力在企業(yè)中的應(yīng)用，提出了企業(yè)質(zhì)量管理的思路和參考方式。費(fèi)一正在基于SPC的車間制造質(zhì)量管理系統(tǒng)研究中將SPC 技術(shù)與計算機(jī)信息技術(shù)相結(jié)合,建立了質(zhì)量管理系統(tǒng)體系框架,開發(fā)了車間級的制造過程質(zhì)量管理系統(tǒng)。王桂英、韓東在汽車發(fā)動機(jī)裝配線的SPC 質(zhì)量控制系統(tǒng)設(shè)計中，以汽車發(fā)動機(jī)裝配件為研究對象，利用SPC 控制圖實(shí)現(xiàn)了對關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控，并利用工件編碼在質(zhì)量裝配環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了對全體工件的追溯。周小康、全世平在基于SPC 的乘用車離合器生產(chǎn)質(zhì)量控制研究中利用SPC 控制圖實(shí)現(xiàn)了汽車離合器生產(chǎn)工序的質(zhì)量監(jiān)控并利用魚骨圖分析法對工序進(jìn)行剖析，解決了汽車離合器分離指結(jié)合高度存在的不穩(wěn)定性問題。

本文不僅通過SPC 單變量平均值- 極差控制圖實(shí)現(xiàn)了對陶瓷銅片點(diǎn)膠貼裝工藝的的質(zhì)量監(jiān)控，而且結(jié)合5M1E 魚骨圖分析、專家打分法以及矩陣法給出了針對本工藝的詳細(xì)改善思路以及改善優(yōu)先級，提高了工藝改善的可行性。

二、工序選擇及控制圖的初次建立

（一）工序及參數(shù)的確定

SPC 統(tǒng)計過程控制是指利用過程質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律，利用統(tǒng)計技術(shù)對工序?qū)嵤┍O(jiān)控的過程。利用控制界限區(qū)分工序的正常波動和異常波動，從而達(dá)到預(yù)警的目的。不同的控制圖適用于不同的生產(chǎn)類型及數(shù)據(jù)類型，本文根據(jù)數(shù)據(jù)情況選用平均值- 極差控制圖進(jìn)行分析。

A 公司主營產(chǎn)品之一為汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU，而在生產(chǎn)過程中，會出現(xiàn)由于散熱性不良所造成的報廢產(chǎn)品出現(xiàn)，為了改善工藝能力，最終鎖定對產(chǎn)品散熱性起決定因素的陶瓷銅片點(diǎn)膠貼裝這一生產(chǎn)工序進(jìn)行SPC 統(tǒng)計過程質(zhì)量控制，并建立參數(shù)陶瓷銅片與鋁基本（散熱片）間散熱熱阻平均值- 極差控制圖實(shí)現(xiàn)對工藝的監(jiān)控及提前預(yù)警。

（二）平均值- 極差控制圖的初次建立

控制圖又稱休哈特圖，是美國休哈特博士于1924 年發(fā)明的?？刂茍D分為兩種，即分析用控制圖和控制用控制圖，分析用控制圖通常用來確定工序是否處于穩(wěn)態(tài)，控制用控制圖則是在工序達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，對工序?qū)崟r監(jiān)控，利用控制界限區(qū)分工序的正常波動和異常波動，從而達(dá)到預(yù)警的目的。

為了建立控制圖，針對陶瓷銅片與鋁基本間散熱電阻進(jìn)行了抽樣檢測，按照自然生產(chǎn)順序，單件流u 形線上每10 個產(chǎn)品測一組散熱電阻，每組連續(xù)取5 個產(chǎn)品的散熱電阻作為一批次，共得到25 個批次數(shù)據(jù)，即子組數(shù)k=25，子組容量n=5，共取得N=125 個樣本，生產(chǎn)節(jié)拍約為2min，抽樣間隔時間約為20 分鐘，所有電阻檢測值全部取自一個班次12 小時之內(nèi)，數(shù)據(jù)取自基本相同的生產(chǎn)條件，這樣的抽樣方法保證了樣本內(nèi)僅有偶然因素影響，系統(tǒng)性原因反映為樣本間差異，具體數(shù)據(jù)見表1。其中散熱電阻規(guī)格控制限為1.6～1.9K/W。

表1 熱阻測量數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1 中的計算可知：

通過計算，可得出R 圖的上控制限為UCL=D4×R=0.234899，下控制限不考慮記為0，控制中心線CL=R=0.11112,平均值控制圖上控制限UCL=+A2×R=1.7764，下控制限LCL=-A2×=1.648172，控制中心線CL==1.712286，其中所涉及的參數(shù)A2、D4分別為均值控制圖控制界限因數(shù)和極差控制圖控制界限因數(shù)，可通過查計量控制圖系數(shù)表獲得，形成的平均值控制圖和極差控制圖見圖1 和圖2。

圖1 平均值控制圖

圖2 極差控制圖

三、工藝能力判定及改善

（一）過程能力指數(shù)計算

過程能力實(shí)為工序能力，是指工序處于控制狀態(tài)下的實(shí)際加工能力，也是在人員、機(jī)器設(shè)備、材料、方法、環(huán)境、測試等質(zhì)量因素處于穩(wěn)定狀態(tài)下所表現(xiàn)出來的保證過程質(zhì)量的能力，屬于工序的固有屬性。過程能力通過過程能力指數(shù)Cp來度量，當(dāng)過程中心有偏移時，引入偏移量ε 和偏移系數(shù)k 來計算調(diào)整后的過程能力指數(shù)Cpk。當(dāng)過程能力指數(shù)Cpk小于1 時，應(yīng)利用5M1E魚骨圖對影響工序的各個因素進(jìn)行剖析，找到影響工序能力的根本原因并進(jìn)行改善，在工序有了本質(zhì)的改善，過程能力指數(shù)大于等于1 后，才可使用重新計算的控制圖的上下限并進(jìn)行控制。當(dāng)過程能力指數(shù)大于等于1 但工藝仍不令人滿意時，可使用同樣的方法進(jìn)行改善，改善的思路可以參考本文提出的打分法結(jié)合影響程度- 改善可行性矩陣進(jìn)行改善優(yōu)先級的判斷。

基于表1 計算可以得出偏移量ε=0.03771，修正系數(shù)k=0.0251424，其中TU和TL分別為控制上限和控制下限，T 為控制限公差，d2為中心線系數(shù)，可查表獲得，過程能力指數(shù)Cpk=0.7835＜1，由于過程能力嚴(yán)重不足，因此不可將圖1 和圖2轉(zhuǎn)為控制用控制圖，應(yīng)在過程能力指數(shù)提升至1 以上后重新計算控制圖。

（二）5M1E 魚骨圖分析

為提升陶瓷銅片點(diǎn)膠工藝的工藝能力，本文采用5M1E 魚骨圖分析法去尋找出現(xiàn)報廢的原因和控制方法。在陶瓷銅片點(diǎn)膠貼裝根據(jù)工藝可分為兩部分，分別為散熱片點(diǎn)膠和陶瓷銅片貼裝，在散熱片點(diǎn)膠這一工藝中，可能出現(xiàn)的問題點(diǎn)包括：膠水重量；膠水黏度；膠的導(dǎo)熱性；散熱片平整度和粗糙度；膠盤內(nèi)膠高；點(diǎn)膠頭初速度；點(diǎn)膠頭懸停高度等。在陶瓷銅片貼裝工藝中，問題可能出在壓合銷釘壓力;裝貼頭彈簧彈性；裝貼頭移動穩(wěn)定性；壓合銷釘水平度；陶瓷銅片表面平整度。其他的問題還包括原材料的存放環(huán)境、灰塵顆粒影響以及測試針的質(zhì)量等。一旦通過控制圖發(fā)現(xiàn)異常出現(xiàn)時，可以通過魚骨圖對異常發(fā)生原因問題初篩。

（三）專家打分及矩陣法

在經(jīng)過5M1E 魚骨圖法的問題點(diǎn)尋找和分析后，經(jīng)過實(shí)地調(diào)研，排除了目前并未引發(fā)質(zhì)量問題的因素。在實(shí)際改善中，由于成本、人力等現(xiàn)實(shí)條件的制約，很難對余下每一個影響因素都進(jìn)行迅速有效的改善，因此在改善過程中，應(yīng)對采取科學(xué)的方式對所有改善點(diǎn)進(jìn)行分析，找到對工藝影響最大，最需要緊急改善，相對來說改善成本最低的方面進(jìn)行改善。在確定改善優(yōu)先級前，通過經(jīng)驗(yàn)及調(diào)查，已經(jīng)將不存在問題的改善點(diǎn)篩出，并采用專家打分法對余下改善點(diǎn)進(jìn)行打分，其中改善可行性是在改善過程中需要花費(fèi)的成本多少、人力多少以及可施行的綜合指標(biāo)，影響程度是指問題發(fā)生頻次以及造成相關(guān)時間及成本損失的綜合指標(biāo)。隨著影響程度增大，改善可行性增強(qiáng)，分?jǐn)?shù)不斷增高，滿分為10 分，打分詳情見表2。

圖3 陶瓷銅片點(diǎn)膠工藝5M1E 分析魚骨圖

表2 影響程度及改善可行性打分表

圖4 影響程度- 改善可行性矩陣

在打分結(jié)束后，通過影響程度- 改善可行性矩陣對改善點(diǎn)進(jìn)行分級，通過矩陣可以很直觀地看到每個改善點(diǎn)所處的位置，判定思路應(yīng)為優(yōu)先解決矩陣右上方改善點(diǎn)，由于矩陣由打分范圍組成，并不精確，因此應(yīng)結(jié)合打分表，做出準(zhǔn)確的改善優(yōu)先級判斷，改善分析如下：

影響工藝能力最重要的因素為膠重和壓合銷釘?shù)膲毫?，影響程度均? 分，因此要想提高工藝能力，這兩個問題必須解決。目前對膠重的測量全部為手工稱重，在精度控制上上存在不足，因此升級設(shè)備是非常必要的，增加高精度的膠重稱量設(shè)備保證生產(chǎn)中的膠重控制，避免因膠重問題導(dǎo)致的報廢品產(chǎn)生；壓合銷釘?shù)膲毫ΡO(jiān)測也應(yīng)提高精度并達(dá)到實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)壓合銷釘?shù)膲毫?shù)出現(xiàn)異常時，方便工程師及時處理并分析導(dǎo)致壓力異常的原因；除此之外，一些改善可行性極高的，改善程序相對簡單的也應(yīng)當(dāng)優(yōu)先解決，諸如技術(shù)員在換型時刮刀高度調(diào)整出現(xiàn)偏差導(dǎo)致不良產(chǎn)生，通過培訓(xùn)等手段可以在幾乎不耗費(fèi)成本的情況下就得以解決；對于影響程度均為6 分的陶瓷銅片表面平整度、鋁板表面平整度、裝貼頭移動穩(wěn)定性、壓合銷釘水平度中應(yīng)該優(yōu)先通過抽測的方式改進(jìn)由于陶瓷銅片表面平整度、鋁板表面平整度問題引發(fā)的不良品產(chǎn)生，再去解決改善難度相對較高的裝貼頭移動穩(wěn)定性、壓合銷釘水平度問題?？傊?，解決問題的思路應(yīng)是優(yōu)先解決對工藝能力影響高的問題，若影響程度相近，則優(yōu)先解決改善可行性高的問題，如果有改善可行性極高的問題，雖然對工藝能力影響較弱，也應(yīng)優(yōu)先解決，排除潛在風(fēng)險，按照優(yōu)先級的順序逐一解決。

四、改善后控制圖的再次建立及應(yīng)用

（一）控制用控制圖的建立

在經(jīng)過改善分析后，該公司升級了膠重稱量設(shè)備，提高了設(shè)備稱量精度，并且實(shí)現(xiàn)了壓合銷釘壓力的實(shí)時高精度監(jiān)測，并積極對技術(shù)員及工人進(jìn)行培訓(xùn)消除操作風(fēng)險。經(jīng)過改善后再次使用同先前數(shù)據(jù)采集相同的方法再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)見表3。

表3 改善后熱阻數(shù)據(jù)采集表

圖5 平均值控制圖

圖6 極差控制圖

同理計算可得出R 圖的上控制限為UCL=D4×=0.15291，下控制限不考慮記為0，控制中心線CL==0.07233,平均值控制圖上控制限UCL=+A2×R=1.766072，下控制限LCL=-A2×R=1.682604，控制中心線CL=X=1.724338，過程能力指數(shù)Cpk=1.332827≥1，且兩個控制圖均通過了控制圖異常的八種模式，因此可以將分析用控制圖轉(zhuǎn)為控制用控制圖進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警，形成的極差控制圖和平均值控制圖見圖5 和圖6。

（二）控制用控制圖的使用

首先，確定抽樣頻次，并在控制圖上打點(diǎn)。由于目前工序能力還存在不足，抽樣頻次應(yīng)按照與建立控制圖同樣的抽樣方式進(jìn)行抽樣并監(jiān)控。

其次，記錄人員除了應(yīng)將記錄的時間，參數(shù)等信息記錄并存檔外，還應(yīng)將諸如設(shè)備的開關(guān)機(jī)、換型、斷電等相關(guān)的計劃事件和非計劃事件都做好對應(yīng)的記錄，目的是為了在收集了足夠的數(shù)據(jù)之后，方便歸納數(shù)據(jù)特點(diǎn)及對應(yīng)原因。

最后，在記錄數(shù)據(jù)完成后，就是利用控制圖對異常進(jìn)行判斷和控制，控制圖異常通常有八種判定模式，即控制圖上一個點(diǎn)位于控制限外；連續(xù)9 個點(diǎn)落在中心線同一側(cè)；連續(xù)6 點(diǎn)遞增或遞減；連續(xù)14 點(diǎn)中相鄰點(diǎn)交替上下；連續(xù)3 點(diǎn)中有兩點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的B 區(qū)外；連續(xù)5 點(diǎn)中有4 點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的C區(qū)外；連續(xù)15 點(diǎn)落在中心線兩側(cè)的C 區(qū)內(nèi)；連續(xù)8 點(diǎn)落在中心線兩側(cè)且無一點(diǎn)在C 區(qū)內(nèi)。當(dāng)出現(xiàn)上述8 種異常時，應(yīng)及時通知工程師進(jìn)行原因分析并做出后續(xù)動作，形成預(yù)報式的質(zhì)量管控，及時止損，異常出現(xiàn)原因的分析思路可以參考前文的5M1E 魚骨圖分析。

（三）改善成果

A 公司按照改善優(yōu)先級，將影響程度為9 分的膠重問題以及壓合銷釘壓力問題通過升級設(shè)備的方式進(jìn)行改善，通過完善技術(shù)員及員工培訓(xùn)消除操作及保養(yǎng)過程中造成的產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險。經(jīng)過上述改善后過程能力指數(shù)Cpk由0.7835 增長為1.3328，實(shí)現(xiàn)了大幅度的提高，證明改善體系和方法是行之有效的，若想在工序能力上有進(jìn)一步的提升，應(yīng)該持續(xù)的利用控制圖進(jìn)行監(jiān)控并對引發(fā)質(zhì)量問題的原因進(jìn)行更加細(xì)化的分析，并參照本文提出的方法進(jìn)行改善。

五、結(jié)語

本文針對汽車零部件陶瓷銅片點(diǎn)膠貼裝工藝進(jìn)行了完整的SPC 統(tǒng)計過程控制分析，工藝能力提升分析及改善思路分析。通過計算過程能力指數(shù)判斷該工藝的過程能力，并通過5M1E 魚骨圖對引起工藝不良的因素進(jìn)行分析；通過結(jié)合專家打分法和影響程度- 改善可行性矩陣法確定了改善方法及改善優(yōu)先級；在SPC 統(tǒng)計過程控制分析中，建立出參數(shù)的平均值- 極差控制圖實(shí)現(xiàn)該工藝質(zhì)量問題的預(yù)警，形成了完整的基于統(tǒng)計過程控制的質(zhì)量監(jiān)控與改善方法。