基于精益六西格瑪方法的K418C 殼型小棒質(zhì)量控制研究

劉佳，都建京，王曄

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150008）

鎳基高溫合金由于其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能[1—3]，被廣泛用于石化、煤化和制堿工業(yè)中[4—5]，尤其在國防工業(yè)中用于制造先進(jìn)飛機發(fā)動機渦輪熱端部件[6—7]。隨著鑄造技術(shù)的不斷發(fā)展，鎳基高溫合金在吸氣發(fā)動機中的應(yīng)用比例已經(jīng)高達(dá)50%以上。此外，鎳基高溫合金的使用溫度甚至可以到達(dá)其0.8 倍熔點的溫度范圍，而在這個溫度以下進(jìn)行使用時，零件的使用壽命甚至高達(dá)10 萬h[8]，而且是一種非常理想的航空航天材料。對于鑄造材料而言，其鑄態(tài)顯微組織往往決定著材料的各方面性能[9]，而在實際生產(chǎn)過程中，鎳基高溫合金常常因鑄造過程中產(chǎn)生的氧化夾雜缺陷而報廢，因此如何快速而又有效地控制鎳基高溫合金中常出現(xiàn)的氧化夾雜缺陷，是鑄造鎳基高溫合金生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。

隨著企業(yè)生產(chǎn)管理技術(shù)的逐步完善和發(fā)展，能夠有效改善產(chǎn)品質(zhì)量、減低成本、穩(wěn)健提升企業(yè)競爭的方法已經(jīng)在企業(yè)生產(chǎn)管理和生產(chǎn)流程改善中扮演著越來越重要的角色。通過對實際生產(chǎn)過程中的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測和統(tǒng)計，對影響生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的因素進(jìn)行準(zhǔn)確掌握，這就能夠為工藝流程的調(diào)整和控制提供高效、可靠的依據(jù)[10]。此外，作為一種有效的質(zhì)量管理和優(yōu)化方法，精益六西格瑪管理方法將精益生產(chǎn)與傳統(tǒng)六西格瑪法進(jìn)行結(jié)合，對于降低并解決實際生產(chǎn)過程中的缺陷問題來說，是最佳的選擇[11]。與傳統(tǒng)方法相比，該方法采用精益生產(chǎn)中用于分析客戶價值的工具，可以為六西格瑪法提供更加真實、可靠的依據(jù)[12]，因此近年來，許多學(xué)者都開始采用精益六西格瑪管理方法，對產(chǎn)品質(zhì)量的改善和控制、合格率的提高等方面進(jìn)行了大量的研究。

2003 年開始，寶鋼在其熱軋精益生產(chǎn)過程中正式推行“六西格瑪精益運營”，對解決不同問題的兩類管理方式進(jìn)行高效的整合，在國內(nèi)塑造了較為完善的“六西格瑪精益運營”優(yōu)化系統(tǒng)[13]。同年中航第一集團也嘗試對六西格瑪?shù)幕A(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行建立。胡金辰通過精益六西格瑪法對變速器副箱氣缸使用過程中的漏氣故障進(jìn)行調(diào)查分析，確定了5 個主要影響因素，即氣缸體大內(nèi)孔同軸度、氣缸體的外止口對小孔同軸度、氣缸體小內(nèi)孔的粗糙度、氣缸體大內(nèi)孔尺寸、副箱氣缸結(jié)構(gòu)缺陷，并加以改進(jìn)，取得了良好的效果[14]。此外精益六西格瑪管理方法不僅在企業(yè)中得到了廣泛的認(rèn)可，國內(nèi)許多高校的學(xué)者也對精益六西格瑪管理方法進(jìn)行了大量的研究。王帥等運用精益六西格瑪理論，對WD-400 挖掘機滑動軸承的裝配進(jìn)行了質(zhì)量控制的研究，找出了影響裝配質(zhì)量的關(guān)鍵因素，并有效降低了其不合格率[15]。山東大學(xué)的胡京開對某公司曲軸加工過程中的質(zhì)量問題和成品的使用故障進(jìn)行了研究，運用六西格瑪質(zhì)量管理理論，解決了影響SL80 曲軸使用的重大質(zhì)量問題，不僅有效解決了曲軸加工質(zhì)量的預(yù)防和控制，還提升了曲軸加工質(zhì)量控制水平和顧客滿意度[16]。通過Minitab 軟件對某企業(yè)印刷電路板的加工質(zhì)量進(jìn)行了六西格瑪統(tǒng)計質(zhì)量控制，并確定出影響假焊率過高的兩個主要因素為焊接溫度和松香比重，改進(jìn)和優(yōu)化的結(jié)果表明，印刷電路板的生產(chǎn)過程已經(jīng)穩(wěn)定可控[17]。

目前國內(nèi)外關(guān)于該理論的研究已經(jīng)趨于成熟，現(xiàn)階段的研究主要集中在精益生產(chǎn)和六西格瑪?shù)恼希约熬媪鞲瘳斣诟鱾€行業(yè)的應(yīng)用研究。北京航空材料研究院熔鑄中心是國內(nèi)大型母合金生產(chǎn)基地。由航材院采用殼型工藝生產(chǎn)的K418C 小棒母合金，具有無縮孔特點，一直備受客戶青睞。另一方面，由于產(chǎn)品技術(shù)工藝的復(fù)雜性高，殼型工藝生產(chǎn)的K418C小棒的發(fā)貨率較低。對此，熔鑄中心通過精益六西格瑪項目，解決生產(chǎn)制造的瓶頸問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，為合理優(yōu)化生產(chǎn)流程提供理論支撐。

1 試驗

1.1 材料及檢測

采用的合金為K418C 鎳基高溫合金，該合金屬于γ'相沉淀強化型的鎳基高溫合金，比重較輕，在900 ℃下具有良好的抗氧化和抗疲勞性能，并有良好的持久和疲勞強度。但該合金在熔煉生產(chǎn)過程中極易產(chǎn)生氧化物夾雜缺陷，極大影響了鑄件的成品率。文中主要進(jìn)行檢測的缺陷即為氧化物夾雜缺陷，相應(yīng)的檢測方法如下：①單位，1 個熔煉爐次；② 數(shù)據(jù)類型，可數(shù)型數(shù)據(jù)；③缺陷部位，全表面；④ 缺陷，夾雜物；⑤ 缺陷規(guī)律，無；⑥ 測量方法，由正常視力（5.0～5.3）的檢驗員，在18 W 燈管照射條件下，距離物料10～20 cm 進(jìn)行目視檢驗；⑦ 抽樣方法，100%（每根檢驗）。

圖1 氧化物夾雜缺陷形貌Fig.1 Morphology of oxide inclusion defect

1.2 精益六西格瑪方法

精益化六西格瑪，是精益生產(chǎn)與六西格瑪?shù)慕Y(jié)合，具有兩者的優(yōu)點，能夠提高質(zhì)量更好的產(chǎn)品，更好滿足客戶需求，使客戶滿意度和忠誠度達(dá)到最高從而占有市場。同時這種先進(jìn)管理模式能夠不斷的改進(jìn)創(chuàng)新，減少成本提高效率，又能提高市場反應(yīng)能力，使競爭者難以模仿，提高企業(yè)的競爭力，使企業(yè)始終保持旺盛的生命力并保持前進(jìn)。精益六西格瑪技術(shù)體系法以流程為對象，消除浪費，降低成本。六西格瑪方法通過減少過程中的變異，提高流程的質(zhì)量。精益生產(chǎn)可以提高流程的效率，降低成本，能夠快速解決問題。如果將兩者有機結(jié)合起來，相互補充，既能提高流程的效率和質(zhì)量，又能使企業(yè)的效益最大化。精益六西格瑪管理可以縮短交付周期，提高效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來巨大的利潤。采用精益六西格瑪對產(chǎn)品進(jìn)行精益化管控，其收益具體表現(xiàn)在：①降低產(chǎn)品缺陷的出現(xiàn)率，提高產(chǎn)品合格率；② 減少材料浪費，降低成本；③減少流程中的變異，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 缺陷的確定和測量（DM 階段）

定義階段也被常稱為D 階段（Define），是整個精益六西格瑪管理項目過程的第一步，也是決定項目管理過程的關(guān)鍵階段。在對項目進(jìn)行改進(jìn)前，首先需要對待解決的問題建立宏觀的評價機制，也就是明確產(chǎn)生問題的所在（Define）。根據(jù)項目選擇的“3M”原則，即Meaningful（有意義）、Manageable（可管理）和Measurable（可測量），通過內(nèi)部來源和外部來源兩種方式確定項目來源：①內(nèi)部來源，從2017年4 月開始至2018 年4 月，對VIM 爐制備的殼型工藝K418C 合金小棒的生產(chǎn)過程進(jìn)行了全程跟蹤，在此期間K418C 合金小棒的生產(chǎn)總量約為16.1 萬根，產(chǎn)品合格率為93.58%，不合格率中因存在目視可見夾雜物而報廢的根數(shù)占報廢總數(shù)的54.56%，如圖2所示，由于可見夾雜物而造成的產(chǎn)品損失率較高；② 外部來源，通過走訪客戶，傾聽客戶投訴，通過顧客需求VOC 識別工具，了解到產(chǎn)品的夾雜對客戶的產(chǎn)品有著關(guān)鍵的影響作用，甚至?xí)绊懙娇蛻舻漠a(chǎn)品質(zhì)量，因此，將降低夾雜率作為項目目標(biāo)，這樣能夠不僅能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高發(fā)貨率，還能增加產(chǎn)品訂單。

圖2 各缺陷在不合格率中造成的損失比Fig.2 Loss ratio in disqualification ration caused by each defect

測量階段也被常稱為M 階段（Measure），是整個精益六西格瑪管理項目過程中的連接橋梁，這一階段決定了定義階段和分析階段之間的銜接是否良好。只有通過完整的收集數(shù)據(jù)才能進(jìn)行有效分析，并最終獲得對問題和改進(jìn)的定量認(rèn)識。首先建立了影響夾雜物缺陷的各個因素的因果圖，如圖3 所示。為了進(jìn)一步確定主要影響因素Xs，通過頭腦風(fēng)暴、貼黃紙以及因果圖等數(shù)據(jù)處理方法，共找出13 個會影響夾雜物產(chǎn)生的主要因素，即圖2 中所標(biāo)示的X1—X13。

圖3 引起夾雜物缺陷各個因素的因果Fig.3 Cause-effect diagram of various factors causing inclusion defects

2.2 數(shù)據(jù)的分析和整理（A 階段）

在分析階段（Analysis），采用對方差分析、矩陣圖、一般線性模型等方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其結(jié)果表明，影響夾雜物缺陷的關(guān)鍵因素Xs為：坩堝掉砂級別（X10）和殼型吸灰時長（X8）。方差分析曲線如圖4 所示，其中坩堝掉砂級別和殼型吸灰時長的貢獻(xiàn)率分別為80.7%和4.4%，其影響較為顯著。此外根據(jù)在現(xiàn)場所繪制的K418C 小棒生產(chǎn)的實際流程圖，如圖5 所示，并與工藝文件規(guī)定的流程圖進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，原有的工藝流程中殼型吸灰時長沒有特別要求，而陶瓷殼型的面層涂料含Al2O3，這導(dǎo)致高溫下殼型吸灰不易操作，吸灰不徹底，此外冒口沒有防護也會導(dǎo)致Al2O3氧化夾雜物缺陷的發(fā)生。坩堝制備過程中普遍采用的六頭鋼釬對鎂砂的搗打效果不佳也會帶來氧化鎂夾雜的風(fēng)險。

從上述分析可以得出，氧化物夾雜的主要成分為氧化鎂和氧化鋁，因此對生產(chǎn)的鑄錠進(jìn)行隨機選取，利用掃描電鏡和能譜分析儀對鑄錠表面的填充物進(jìn)行微觀觀察的和成分分析，圖6 給出了選取試樣的缺陷選取位置和相應(yīng)的能譜分析結(jié)果，可以明顯看出其氧化夾雜物均為MgO 和Al2O3夾雜，與數(shù)據(jù)分析的夾雜物來源相一致。

2.3 改進(jìn)與控制階段（IC 階段）

圖4 影響夾雜物缺陷的關(guān)鍵因素Xs 的數(shù)值分析結(jié)果Fig.4 Numerical analysis results of key factor affecting inclusion defects

圖5 改善前后現(xiàn)場所繪制的K418C 小棒生產(chǎn)的實際流程Fig.5 Actual flow charts of K418C stick production drawn at site before and after improvement

圖6 缺陷選取位置和相應(yīng)的能譜分析結(jié)果Fig.6 Location of selected defects and corresponding results of EDS

根據(jù)上述A 階段獲得的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，對實際生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化，由于陶瓷殼型在儲存和運輸過程中，常會有夾雜異物掉入型腔內(nèi)部，因此要求供應(yīng)商在運輸前先對陶瓷殼型進(jìn)行清洗，并在運輸保存階段對冒口和澆口杯進(jìn)行包裹防塵防護，可以再次避免異物進(jìn)入殼型內(nèi)部；此外原有工藝要求操作工人在高溫下進(jìn)行陶瓷殼型的清理工作，很難保證清理徹底，因此，將清理工作優(yōu)化至室溫進(jìn)行，然后加以防護避免二次污染，同時在常溫下吸殼，可以使操作者更有效、準(zhǔn)確地控制吸殼時間。針對坩堝掉砂，就需要使熔煉坩堝更加密實，則搗打工序的工作至關(guān)重要，搗打不實會使坩堝材料掉入金屬液內(nèi)形成夾雜。從改進(jìn)坩堝制備工具的角度出發(fā)，將原有的六頭鋼釬改進(jìn)為單頭鋼釬，如圖7 所示，可以使熔煉坩堝具有一定的強度，并對坩堝的烘烤工藝進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)長時低溫去氣，短時高溫?zé)Y(jié)的原理，對坩堝的烘烤工藝進(jìn)行調(diào)整。最后從人員操作的角度進(jìn)行改進(jìn)，采取固化操作，編制標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)，規(guī)范操作工人的操作動作，并在現(xiàn)場建立儀表板，對夾雜率進(jìn)行實時監(jiān)控，建立了如表1所示的流程控制計劃數(shù)據(jù)單，其中“能力”指的是“過程能力指數(shù)”，即工序長期保證產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的程度；“正確決定”則表征檢驗員目視檢測缺陷樣品的成功率；NDC（Number of Distinct Categories）為測量系統(tǒng)分析中的計算分組數(shù)；Gage R &R（Gage Repeatability and Reproducibility）為檢測系統(tǒng)的再現(xiàn)性和重復(fù)性。最終根據(jù)實際測量的結(jié)果建立了如圖8 所示的氧化夾雜缺陷的I-MR 控制圖，即單值控制圖和移動極差控制圖，表明工藝改進(jìn)后產(chǎn)品中的氧化夾雜缺陷已基本保持長期穩(wěn)定。

圖7 優(yōu)化前后采用的六頭鋼釬和單頭鋼釬Fig.7 Six-head steel and single head steel used before and after optimization

表1 實際生產(chǎn)采用的流程控制計劃數(shù)據(jù)單Tab.1 Process control plan data sheet used in actual production

圖8 氧化夾雜缺陷的I-MR 控制Fig.8 I-MR control diagram of oxidation inclusion defects

2.4 工藝改善效果分析

流程優(yōu)化前后因夾雜報廢的小棒根數(shù)得到有效改善，其DPMO（Defects per million opportunities）由改善前的53034 降低至10355，改善率高達(dá)80.5%，改善效果非常明顯。根據(jù)從熔鑄過程各個工序中進(jìn)行監(jiān)控，抽取樣品進(jìn)行檢測，得到夾雜報廢的小棒根數(shù)的時間序列圖以及相應(yīng)項目整個過程中DPMO 的變化分別如圖9a 和b 所示。分析可知，在實施精益六西格瑪項目改善后，K418C 殼型小棒產(chǎn)生夾雜的趨勢有顯著下降，達(dá)到改善目標(biāo)且得到了客戶的認(rèn)可。此外改善后的效果已經(jīng)能夠進(jìn)行有效控制，使其能夠保持項目取得的成效。

3 結(jié)論

圖9 夾雜報廢的小棒根數(shù)的時間序列趨勢分析和整個項目各階段中DPMO 的改善情況Fig.9 Time series trend analysis with the number of scrap sticks and the improvement of DPMO in each stage of the whole project

采用精益六西格瑪?shù)姆椒?，通過因果圖、方差分析等分析手段，結(jié)合掃描電鏡和能譜分析等檢測手段，準(zhǔn)確地找出影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。采用精益方法進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化和改善，在工藝流程優(yōu)化后的批量生產(chǎn)中，避免了檢測量大和檢測成本的不利因素，將因夾雜報廢的小棒根數(shù)的 DPMO 降低了80.5%，不僅有效提高了產(chǎn)品的合格率，而且節(jié)省材料費140 余萬元/年。隨著材料行業(yè)的不斷發(fā)展，對于高純凈度的母合金需求越來越大，航空航天、核電工業(yè)對于母合金的純凈度也越來越高，所以，運用精益六西格瑪方法結(jié)合理化性能測試、失效分析等方法，對于分析夾雜物來源，提高產(chǎn)品質(zhì)量將會有很大的提升。