六西格瑪工具在鑄鐵合金質量改善中的應用

張 超 周炳海

（同濟大學 機械與能源工程學院 上海 201804）

核電的和平利用在世界上已有60多年的歷史，如今核電與火電、水電并稱為世界三大電力供應支柱。第三代核電技術是當今世界核電發(fā)展的主流。CAP1400核電站是在引進消化吸收三代核電技術的基礎上，通過再創(chuàng)新形成具有自主知識產權的大型核電技術品牌。依托于CAP1400大型先進壓水堆核電廠重大專項，國家核電積極組織制造企業(yè)、科研院所、高等院校等開展關鍵設備材料研制，悉心培育三代核電設備自主化能力，CAP1400關鍵設備正在實現(xiàn)自主化研制。

S公司是機械工業(yè)工程材料技術的核心研發(fā)機構，2014年承接了壓力容器支座用減摩板（以下簡稱“減摩板”，如圖1所示）的研制任務，2016年該產品樣件研制成功并順利通過核能行業(yè)協(xié)會鑒定，至此，減摩板具備了批量生產的條件。在批產的過程中，減摩板用鑄鐵合金的缺陷率高達40%，對公司造成巨大的經濟損失和浪費。因此，擬運用六西格瑪工具和方法，對核電減摩板用鑄鐵合金進行質量改善，以降低鑄鐵合金的缺陷率，減少公司的經濟損失。

圖1 核電減摩板實物圖

1 六西格瑪工具及鑄鐵合金生產流程的介紹

1.1 核電減摩板用鑄鐵合金的生產流程

鑄鐵合金是減摩板的重要組成部分，用來承載壓力容器本體結構重量，并將載荷傳遞到廠房建筑結構上，以保證壓力容器本體結構位置的穩(wěn)定[1]。另外，鑄鐵合金具有良好的減摩性能，在極限工況下，當鑲嵌在其上方的石墨柱被壓碎失效后，它仍能有效釋放壓力容器因熱變形產生的應力，確保壓力容器本體結構的安全。

核電減摩板用鑄鐵合金早期全部來自進口，直至2016年，S公司打破國外壟斷，率先實現(xiàn)了該類產品的國產化研制，其基本的生產工藝流程如圖2所示。

圖2 核電減摩板用鑄鐵合金生產流程

1.2 基于六西格瑪流程的質量改善

六西格瑪誕生于全面質量管理蓬勃發(fā)展的 20世紀80年代，是對全面質量管理特別是對質量改進理論的繼承和發(fā)展[2-3]。它是一套系統(tǒng)的、集成的業(yè)務改進方法體系，是旨在持續(xù)改進組織業(yè)務流程，實現(xiàn)顧客滿意的管理方法。它通過系統(tǒng)地、集成地采用業(yè)務改進流程，并對現(xiàn)有過程進行定義（define）、測量（measure）、分析（analyze）、改進（improve）、控制（control）——簡稱DMAIC流程，消除過程缺陷和無價值作業(yè)，從而提高質量和服務、降低成本、縮短運轉周期，達到顧客滿意，增強組織競爭力[4]。

2 六西格瑪DMAIC質量改善流程

2.1 定義階段（Define）

對S公司生產的每批次鑄鐵合金進行整理和分析。首先利用調查表對數(shù)據(jù)進行收集和整理，然后以柏拉圖為主要工具，詳見圖3所示，識別出“關鍵的少數(shù)”，從而對主要矛盾進行針對性的改善。

圖3 鑄鐵合金缺陷分類

從圖3可知，80%的缺陷主要集中在兩個方面，分別是力學性能和金相組織，其中力學性能缺陷占總缺陷的64%。如果可以徹底解決上述問題，產品缺陷率將從現(xiàn)在的 40%降低到 8%，滿足改善活動的目標，如圖4所示。

圖4 改善目標

因此，將改善活動主要集中在以上兩個方面，以提高力學性能為切入點，逐一分析影響上述缺陷的潛在原因，提出可行性方案，并驗證改善效果，降低產品缺陷率。

2.2 測量階段（Measure）

測量是項目分析的關鍵環(huán)節(jié)，是以事實和數(shù)據(jù)驅動管理的具體體現(xiàn)，也是連接分析階段的橋梁。通過測量階段的數(shù)據(jù)收集和評估工作，可以獲得對問題和改進機會的定量認識，并在此基礎上獲得項目實施方面的信息[5-6]。表1是三個檢測機構對鑄鐵合金化學元素的檢測結果，表2和圖5是根據(jù)此數(shù)據(jù)進行的MSA分析。

表1 元素化學成分的測試結果

表2 重復性與再現(xiàn)性的分析結果

圖5 重復性與再現(xiàn)性分析圖

表2顯示的主要是波動源方差分析和測量系統(tǒng)分析的計算結果。容易看到%GageR&R=0.24406%＜10%，%P/T=3.98%＜10%，可見重復性和再現(xiàn)性的水平都很高?？蓞^(qū)分的類別數(shù)為35（＞5），可見測量系統(tǒng)識別過程變異的能力較強。綜上所述，測量系統(tǒng)合格，即三家檢測機構的測量結果可以相互驗證，重復性和再現(xiàn)性滿足項目要求。

圖5是一張六合一的圖形。如左上圖所示，量具R&R的百分比貢獻條形高度為0.16%（＜1%），左中圖的數(shù)據(jù)點絕大多數(shù)落在控制線之內，且此控制范圍較窄，說明重復性誤差較小；左下圖中絕大多數(shù)平均值點落在控制域之外，說明過程實際波動較大，同時表明測量系統(tǒng)能力較強；右上圖均值連線的變化較大，而均值周圍的散點分布卻很集中，表明過程實際的波動較大，而重復性與再現(xiàn)性的波動較小[7]；右下圖連線的波動很大，且三條連線接近水平，說明過程實際的波動較大，而人員與元素的交互作用較??；右中圖均值連線的變化較小，說明重復性和再現(xiàn)性的波動較小。綜上，測量系統(tǒng)滿足使用要求。

2.3 分析階段（Analyze）

分析階段的目標或目的是收集有關現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)，找出變異產生的潛在根源，減少改進階段的變量個數(shù)，確認哪些造成高風險的輸入變量，并將改善情況在一定程度上進行量化。

改善小組借助魚骨圖等工具，在人員、設備、物料、方法、測試、環(huán)境六個方面（5M1E）開展頭腦風暴，集思廣益，發(fā)揮團體智慧[8]，從不同角度找出影響鑄件力學性能及金相組織的所有可能因素，針對可能的原因提出相應的驗證方案并實施驗證，如圖6所示。

圖6 鑄鐵力學和金相問題魚骨圖

（1）人員：崗位不穩(wěn)定，員工質量意識不足，工藝操作不熟練。

（2）設備：中頻爐控溫系統(tǒng)不良，模具設計不合理，過程檢測設備精度不足。

（3）物料：原料成分混雜，回爐料占比過多。

（4）方法：石墨形態(tài)非A型石墨，元素配比不合理，冷卻速度過快，鑄件壁厚影響，熱處理工藝參數(shù)不合理。其中，元素配比被識別為關鍵影響因素，因此將在改善環(huán)節(jié)中重點加以驗證。

（5）測試：測量器具未按規(guī)定校驗，重復性和再現(xiàn)性能力不足。

（6）環(huán)境：澆注溫度過高或過低，光照不足影響操作者視線。

2.4 改善階段（Improve）

2.4.1 實驗設計（DOE）

磷（P）是有害元素，在實際生產中不主動添加，并嚴格控制其含量在規(guī)格限以內。鑄鐵合金的其它7種元素按照高水平和低水平進行2水平7因子的部分因子折疊試驗，試驗考慮隨機化原則，共設置16次試驗，試驗結果如表3所示（“1”表示高水平，“-1”表示低水平），高水平和低水平的數(shù)值如表4所示。

表3 正交試驗方案及結果

表4 元素高水平和低水平含量(%)

標準化效應的Pareto圖如圖7所示。從圖7中可以看出，顯著影響抗拉強度的因素依次為：C含量；C和Si的交互作用，即CE或Si/C；C和Mo的交互作用；Mn含量。

圖7 標準化效應的Pareto圖

2.4.2 實驗驗證

在充分考慮了化學成分和鑄件力學及組織的關系后，對鑄鐵合金澆注時的化學成分進行優(yōu)化設計，新的控制標準如表5所示。

表5 新制定的鑄鐵合金化學成分的控制標準（質量分數(shù)，%）

按照新制定的成分控制標準，分別澆注了3批次鑄鐵合金產品，單鑄試棒的測試結果如表6所示。

表6 鑄鐵合金的測試結果(%)

從表6中可以看出，當元素含量控制在優(yōu)化后的范圍時，鑄鐵合金的強度比均值（342MPa）提高了100MPa左右，金相組織也全部達標。由此可見，通過優(yōu)化元素配比，鑄鐵合金的力學性能和金相組織全部合格，達到了預期的改善效果。

2.5 控制階段（Control）

控制的目的在于保持項目取得的成效并持續(xù)改進。改善小組將過程改善成果進行文件化，并更新到質量管理體系文件中，建立持續(xù)的控制計劃。通過質量管理體系的有效運行，對過程進行持續(xù)的測量和控制，使得鑄鐵合金的產品質量進入到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)。改善小組形成新的程序文件和作業(yè)標準，并明確相應的負責人[9]，清單如表7所示。

表7 標準化操作程序

3 結語

本質量改善項目是通過六西格瑪DMAIC流程和工具展開的，對核電減摩板用鑄鐵合金國產化生產過程中的力學和組織缺陷進行改善，從而降低制造過程的缺陷率，減少公司的經濟損失。通過此次改善項目的實施，對六西格瑪改善流程有了更深的理解，它提供了諸多完善的理論工具和管理思想，有助于工程技術人員走出思想誤區(qū)，學會用更科學的方法快速有效的解決問題并保持改善成果，更為日后相關課題的研究提供了一定的借鑒意義。