汽車覆蓋件模具鑄件加工余量的管控研究

許斌，李銳揚(yáng)，李狀，宋祥翔，楊達(dá)

(1.現(xiàn)代汽車模具(山東)有限公司，山東日照 276800；2.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南昆明 650224)

0 引言

汽車覆蓋件沖壓模具是汽車整車生產(chǎn)用的重要工藝裝備，它通過自身特殊型面進(jìn)行拉延及后工程修邊、翻邊、整形等工序，利用沖壓設(shè)備將鋼板加工成汽車覆蓋件產(chǎn)品。現(xiàn)代模具加工高精度、高效率的現(xiàn)實(shí)需求，要求模具鑄件型面具有更高的加工余量質(zhì)量要求。

目前汽車覆蓋件模具使用的鑄件多采用實(shí)型鑄造(full molding casting,FMC)，又稱消失模鑄造(expendable pattern casting，EPC)，原理是利用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)模具進(jìn)行3D設(shè)計(jì)，用可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)或共聚物珠粒經(jīng)預(yù)發(fā)泡后制成泡沫板(塊)，作為實(shí)型加工用原材料。利用數(shù)控機(jī)床對(duì)泡沫板塊分層加工、黏合形成模具形狀，后對(duì)實(shí)型進(jìn)行噴刷涂料、烘干、造型、澆注，使泡沫實(shí)型逐漸分解消失，金屬液體隨實(shí)型的形狀在砂箱中成型，冷卻后得到汽車覆蓋件模具鑄件毛坯。

目前國(guó)內(nèi)使用實(shí)型鑄造方法鑄造的毛坯質(zhì)量與國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家的同類產(chǎn)品相比，還有一定差距。例如，制作實(shí)型用的泡沫原材料質(zhì)量較差，實(shí)型加工、檢驗(yàn)手段不夠先進(jìn)，鑄造工藝控制不完善，造成國(guó)內(nèi)鑄件的型面余量大多在10～20 mm。與發(fā)達(dá)國(guó)家的同類產(chǎn)品對(duì)比，日韓等國(guó)也是采用FMC鑄造方法進(jìn)行鑄造，但是鑄件產(chǎn)品的型面余量大多在6～8 mm，鑄件尺寸精度高、型面組織優(yōu)良、硬度及耐磨性較強(qiáng)。

據(jù)近三年采購(gòu)鑄件的型面余量測(cè)量統(tǒng)計(jì)，模具長(zhǎng)度在2 000～3 500 mm的MIP(made in plant) PART拉延模型面實(shí)際加工余量為5～30 mm，其中型面實(shí)際加工余量在5～13 mm的模具占比16%，在13～16 mm的模具占比52%，在16 mm以上的模具占比32%。可以看出，在采集的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，型面加工余量在16 mm以上的占比較大，造成加工車間工作量增加，加工效率降低。

1 汽車覆蓋件模具鑄件型面加工余量過大問題分析

從模具鑄造到加工的過程中，型面加工余量誤差的主要來源是整個(gè)系統(tǒng)的累積誤差，如圖1所示。

圖1 鑄件型面加工余量累積誤差

汽車覆蓋件模具鑄件采用實(shí)型鑄造，泡沫實(shí)型的表面質(zhì)量決定了鑄造完成后的鑄件尺寸精度和表面粗糙度，是保證鑄件合格的前提。研究表明，實(shí)型鑄造的成功與否，50%在于實(shí)型，30%在于涂料，20%在于其他影響因素，可見實(shí)型的制作對(duì)鑄造質(zhì)量的影響最大，因此對(duì)實(shí)型加工的精度控制是確保鑄件合格的一項(xiàng)重要任務(wù)。

文中針對(duì)影響汽車覆蓋件模具鑄件型面實(shí)際加工余量的實(shí)型加工余量控制作為關(guān)鍵控制點(diǎn)，應(yīng)用SPC理論進(jìn)行跟蹤與控制，并應(yīng)用PDCA循環(huán)不斷對(duì)制作過程進(jìn)行優(yōu)化。

2 基于SPC的汽車覆蓋件模具鑄件實(shí)型加工過程控制研究

2.1 研究對(duì)象的選取及數(shù)據(jù)收集

組建SPC小組，對(duì)模具實(shí)型公司近期制作的25個(gè)車型MIP Part實(shí)型型面余量數(shù)值進(jìn)行測(cè)量記錄，結(jié)果見表1。統(tǒng)計(jì)后，進(jìn)行控制圖繪制及過程能力分析。

表1 測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì) 單位：mm

2.2 Xbar-S控制圖的建立及分析

待分析的參數(shù)統(tǒng)計(jì)屬性是計(jì)量型數(shù)值，在實(shí)際使用常規(guī)控制圖時(shí)，經(jīng)常將表述參數(shù)中心變化情況的控制圖和表述參數(shù)分散情況的控制圖結(jié)合使用。計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差需要采用一批數(shù)據(jù)中的所有數(shù)據(jù)，采用均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差可以為中位數(shù)和極差提供更多的分析結(jié)果信息。

(1)

=;

(2)

(3)

根據(jù)控制圖可以監(jiān)控工藝參數(shù)中心值的起伏變化情況。

設(shè)每組子樣標(biāo)準(zhǔn)偏差的期望值和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為與，那么標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖的上控制限、下控制限以及中心線可以按照如下公式進(jìn)行計(jì)算。

=+3;

(4)

=;

(5)

=-3。

(6)

將表1中的數(shù)據(jù)輸入統(tǒng)計(jì)分析軟件，繪制出-控制圖，如圖2所示。

圖2 模具泡沫實(shí)型型面余量的Xbar-S控制圖

-控制圖是由一個(gè)均值控制圖和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖組成，控制圖標(biāo)繪子組標(biāo)準(zhǔn)差，中心線是所有子組標(biāo)準(zhǔn)差的平均值。在以上控制圖中未出現(xiàn)黑色指示點(diǎn)，說明控制圖為受控制狀態(tài)，可以使用控制圖進(jìn)行解析統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

控制圖標(biāo)繪每個(gè)子組內(nèi)測(cè)量值的平均值。中心線描繪的是所有子組平均值的平均值。圖2中，控制圖中未顯示紅色標(biāo)記點(diǎn)，表明過程均值是受控制狀態(tài)。

2.3 過程能力分析

對(duì)數(shù)據(jù)正態(tài)性的檢驗(yàn)應(yīng)在分析過程能力之前進(jìn)行。使用正態(tài)概率圖進(jìn)行檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)性時(shí)，有3種方法可以選擇，分別是：Anderson-Darling(A-D檢驗(yàn))，Kolmogorov-Smirnov(K-S檢驗(yàn))和Ryan-Joiner(R-J檢驗(yàn))。文中使用A-D檢驗(yàn)法。

將在過程控制分析中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，使用Minitab軟件制作正態(tài)概率圖，得到<0.05，說明該組數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布。采集數(shù)據(jù)的概率分布情況，如圖3所示。為便于更清晰地觀察數(shù)據(jù)分布，將數(shù)據(jù)做成分布直方圖，如圖4所示。

圖3 測(cè)量值的概率圖

圖4 測(cè)量值的分布直方圖

由圖4可見，直方圖呈偏態(tài)型。該直方圖顯示峰偏右側(cè)，數(shù)據(jù)分布均在規(guī)格下限以內(nèi)，右側(cè)存在超出規(guī)格上限。概率分布直方圖呈偏態(tài)是由多種原因造成，結(jié)合模具公司經(jīng)驗(yàn)分析，因鑄件拉延模型面要求不能焊接，在實(shí)型制作時(shí)，在實(shí)型的型面多放加工余量，確保最終鑄造的鑄件型面不缺量，防止鑄件因加工余量不足而重鑄，以此來規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

通過Box-Cox變換求得()最佳估計(jì)值為5.00，并將此組變換后的數(shù)據(jù)保存。對(duì)其重復(fù)進(jìn)行一次正態(tài)檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)后確認(rèn)值仍小于0.05，則判定使用Box-Cox變換方法無效。繼續(xù)使用Johnson方法進(jìn)行變換，得到結(jié)果仍不符合正態(tài)分布。選擇非正態(tài)過程能力分析功能，得到過程能力分析報(bào)告，如圖5所示。

圖5 測(cè)量值的過程能力分析報(bào)告

由測(cè)量值的過程能力分析報(bào)告得到=0.81，遠(yuǎn)小于1.66，表明過程能力存在嚴(yán)重不足，后期必須通過適當(dāng)?shù)拇胧﹣砀纳啤?/p>

3 鑄件實(shí)型加工PDCA管理持續(xù)提升

PDCA循環(huán)最早是由休哈特博士(美國(guó)質(zhì)量管理專家)提出，后來被戴明采用、推廣并在后期應(yīng)用中普及。PDCA循環(huán)把質(zhì)量管理分為計(jì)劃(Plan)、執(zhí)行(Do)、檢查(Check)、處理(Act)4個(gè)階段。這種方法是企業(yè)質(zhì)量管理工作的一般規(guī)律。

由第2節(jié)分析可知，直方圖呈偏態(tài)型，導(dǎo)致直接原因是實(shí)型加工人員在操作時(shí)過于保守，型面加工余量過大，缺乏工序過程控制能力意識(shí)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)規(guī)范化檢查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)人員拼裝、粘貼作業(yè)不規(guī)范，導(dǎo)致實(shí)型塊拼接部位粘貼不牢固、粘貼層過厚等問題。為改善以上問題，實(shí)型公司進(jìn)行針對(duì)性的PDCA改善。

當(dāng)實(shí)型制作公司進(jìn)入改善實(shí)施階段時(shí)，各部門根據(jù)計(jì)劃和既定的目標(biāo)實(shí)施項(xiàng)目。實(shí)型公司對(duì)各項(xiàng)措施進(jìn)行跟蹤與分析，檢查改善項(xiàng)目在實(shí)際執(zhí)行中的落實(shí)情況。

在改善的實(shí)施過程中，由于存在不可控因素導(dǎo)致影響改善實(shí)施情況，因此改善管理人員需時(shí)刻保持警醒，并同時(shí)積極想辦法解決各種影響進(jìn)度的問題。

形成例會(huì)制度，SPC小組人員通過現(xiàn)場(chǎng)或視頻會(huì)議，在了解改善實(shí)施情況的同時(shí)可以掌握、協(xié)調(diào)各方的關(guān)系，避免由于各方溝通原因?qū)?shí)型加工改善造成影響。

4 實(shí)施SPC的效果評(píng)價(jià)

改善后，重新采集12個(gè)批次的數(shù)據(jù)，按照第2.2—2.4節(jié)步驟再次進(jìn)行過程能力分析。將控制圖延長(zhǎng)后得到改善前后的-控制圖，如圖6所示。

圖6 改善前后的Xbar-S控制圖對(duì)比

由圖6可以看出：

(1)改進(jìn)前，樣本均值大多在11.0 mm上下波動(dòng);改進(jìn)后，樣本均值在9.9 mm上下波動(dòng)。

(2)改進(jìn)前，樣本標(biāo)準(zhǔn)差在0.1～1.0 mm間變化;改進(jìn)后，樣本標(biāo)準(zhǔn)差在0.2～0.8 mm間變化。

過程監(jiān)控階段，使用控制用-控制圖，控制圖使用圖6中的控制限。在生產(chǎn)監(jiān)控中，SPC小組繼續(xù)抽檢記錄實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，發(fā)生問題時(shí)及時(shí)預(yù)警并采取相應(yīng)控制措施。

將數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖8測(cè)量值的正態(tài)分布直方圖可知，測(cè)量值的分布形狀呈正態(tài)分布，沒有明顯的左右傾斜現(xiàn)象，因此認(rèn)為數(shù)據(jù)接近正態(tài)分布。

圖7 測(cè)量值的正態(tài)性概率圖

圖8 測(cè)量值的正態(tài)分布直方圖

使用Minitab軟件進(jìn)行過程能力分析可知，=1.62，=1.61。參照過程能力判斷標(biāo)準(zhǔn)，表明此時(shí)加工能力良好，狀態(tài)較穩(wěn)定，后期仍需要不斷改進(jìn)。改善后的過程能力分析報(bào)告，如圖9所示。

圖9 改善后的過程能力分析報(bào)告

對(duì)比改進(jìn)前后的過程能力，改進(jìn)前的過程能力=0.81，改進(jìn)后的過程能力=1.61，過程能力得到了很大提高。

5 結(jié)語

文中針對(duì)汽車模具企業(yè)中鑄件型面實(shí)際加工余量質(zhì)量不足現(xiàn)狀，結(jié)合鑄件生產(chǎn)工藝知識(shí)，研究適合公司模具鑄件型面加工余量質(zhì)量的控制方法。在實(shí)型加工過程中運(yùn)用SPC理論分析實(shí)型加工數(shù)據(jù)在公差范圍內(nèi)，但過程能力不足，運(yùn)用PDCA循環(huán)進(jìn)行改善后，模具型面實(shí)際加工余量達(dá)到較高質(zhì)量水平，加工效率有效提升。