基于PDCA的電池殼質量改善研究

于 浩 尤筱玥

[1.華域皮爾博格有色零部件(上海)有限公司鑄件分廠，上海 210815; 2.同濟大學 中德工程學院，上海 201804]

0 引言

新能源汽車發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)，本文探討的電池殼變形質量問題是困擾公司的挑戰(zhàn)之一。鑄鋁電池殼采用高真空壓力鑄造的工藝進行毛坯生產(chǎn)，即將熔融態(tài)的鋁合金注入料筒，通過沖頭高速壓射入真空度較低的型腔，然后快速冷卻成形，獲得內外質量較好的鑄件，然后進行機加工裝配等后供給客戶。主要生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 鑄鋁電池殼生產(chǎn)流程

電池殼與傳統(tǒng)鑄鋁缸體相比，投影面積相對較大，約為鑄鋁缸體的2～3倍；產(chǎn)品壁厚較薄，一般為2～4mm；并且尺寸較為狹長。這些特點造成產(chǎn)品在鑄造過程的多個環(huán)節(jié)易產(chǎn)生變形。在鑄件成型的快速冷卻過程中，產(chǎn)品厚度不一，應力局部集中，在開模時發(fā)生變形；水冷時，鑄件急速冷卻，產(chǎn)品收縮不一導致變形；切邊時，切邊模墊刀高度不同而產(chǎn)生不一樣的塑性變形。電池殼曾因變形問題、機加工切削余量不一，導致密封槽深度尺寸不一而引起客戶抱怨。

大型薄壁結構件的變形是困擾公司的難題之一，目前最常用的方法就是產(chǎn)品壓鑄、熱處理工序后，通過人工進行100%整形，但效率和穩(wěn)定性得不到保證。行業(yè)中有使用整形模、機械整形工裝等進行整形，但整形工裝需要根據(jù)產(chǎn)品造型進行設計，適應不了大批量短生命周期產(chǎn)品，投資回報周期長。本文從源頭的壓鑄工序出發(fā)，使用戴明循環(huán)(plan-do-check-action cycle, PDCA cycle)作為改善的框架，其中結合試驗設計(design of experiment，DOE)和失效模式與后果分析(failure mode and effects analysis，F(xiàn)MEA)等工具，研究變形的影響因素并進行改善。

PDCA循環(huán)是由美國質量管理專家休哈特首先提出PDS(plan-do-see)概念，后經(jīng)戴明完善并推廣起來的。其過程主要分為四個階段、八大步驟，主要是針對要完成的某項事件進行計劃的設定、計劃實施，然后檢查實施的效果，對完成的內容進行經(jīng)驗總結、分享，形成新的標準，不夠完善的內容則重新開啟新的循環(huán)，周而復始不斷改善。PDCA原理簡單，能夠被廣泛認可，應用于工作、生活中，能夠不斷解決問題、及時復盤總結不足再解決問題，螺旋上升式不斷提高。

DOE，即試驗設計。通常情況下，事件結果受到多因素共同影響，DOE方法就是對這些多方面因素設計試驗方案，并進行數(shù)據(jù)分析，通過數(shù)理統(tǒng)計方法確定最優(yōu)方案。DOE有著廣泛的應用，既可以在產(chǎn)品設計時，通過試驗識別潛在風險進行設計優(yōu)化，又可以通過生產(chǎn)制造過程中的運用，識別關鍵影響參數(shù)，同時得出最佳改善方案。

FMEA即失效模式與后果分析模型，是一種重要的質量管理與風險評價工具。其既可用于事先預防，分析潛在失效模式及其產(chǎn)生原因、后果，制定預防措施并提前采取行動，也可用于事后彌補/改進，即分析已發(fā)生的失效模式，施行有效的糾偏措施并預防失效再次發(fā)生。目前，F(xiàn)MEA在方法改進和決策應用上都得到了充分的研究關注。

1 PDCA循環(huán)的重點在P階段

在PDCA循環(huán)法中，計劃階段是重點。計劃的合理制定須基于對產(chǎn)品變形現(xiàn)狀的準確掌握。因此，制作了電池殼毛坯變形狀態(tài)的測量檢具，如圖2所示。

圖2 電池殼檢具平臺設計圖

通過移動桁架上數(shù)顯深度尺測量毛坯密封槽底部高度值，可直觀反映產(chǎn)品的變形量，如圖3所示。

圖3 電池殼檢具平臺測量圖

在檢測平臺投入使用之前，對檢測平臺的有效性和可靠性進行了檢驗。由三名人員分別測量十件電池殼，每件測量三次。測量結果分析得出%GRR為9.85%<10%，該檢測平臺測量結果可接受。

1.1 分析現(xiàn)狀

從電池殼現(xiàn)有庫存中隨機抽取40件毛坯。為了更準確反映產(chǎn)品變形情況，測量產(chǎn)品長度方向最遠端的值。然后對數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗，P=0.746>0.05，因而可認為數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。再進行過程能力分析，Cpk為0.72。按照Cpk的評級標準，0.67≤Cpk<1為C級，表明過程能力比較差，需要改善。

1.2 分析原因和影響因素

對電池殼的變形問題進行頭腦風暴，按照人、機、料、法、環(huán)、測六個維度進行深入分析。整理后，產(chǎn)品變形魚骨圖如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品變形魚骨圖分析

通過對電池殼產(chǎn)品變形的魚骨圖分析得出末端影響因子有18個，對此進行逐一確認。根據(jù)新版FMEA，結合實際生產(chǎn)經(jīng)驗進行評分，根據(jù)嚴重度(severity，S)、發(fā)生頻率(occurrence，O)和檢測難度(detection，D)對應至行動優(yōu)先級(action priority，AP)評價準則，得出降低風險需求的優(yōu)先次序，如表1所示。

表1 FMEA分析表

根據(jù)FMEA分析表，AP為H的有推桿頂出不合理、切邊模未壓緊、浸水時間不合適，需進一步確認其是否為主要因素。

1.3 確認主要的影響因素

為確認三個影響因子是否為主要因素，設定了三個因子的參數(shù)范圍(表2)。首先對三個因子分別設計單因子試驗，通過每個因子的不同設置間值判斷其是否影響顯著，并嘗試建立回歸關系。隨后，對切邊模墊片的厚度進行分析。在產(chǎn)品浸水時長和可調推桿延遲距離保持中值且不變的狀態(tài)下，切邊模墊片厚度選擇0.5mm、1mm、2mm三個值，穩(wěn)態(tài)下分別連續(xù)生產(chǎn)10件產(chǎn)品，測量其密封槽底部高度的數(shù)值，如表3所示。

表2 電池殼變形影響因子參數(shù)設定

因只改變一個因子以觀測對結果的影響，所以對本組數(shù)據(jù)采用單因子試驗分析的方法進行。在單因子方差分析前，需滿足三個前提條件：其一，組數(shù)據(jù)均使用驗證過的檢具單獨測量所得數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)互相獨立；其二，對數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗，運用Minitab軟件中正態(tài)性檢驗功能，對數(shù)據(jù)處理后，得出正態(tài)性檢驗P=0.269>0.005，數(shù)據(jù)基本呈正態(tài)分布；其三，等方差檢驗。

表3 不同切邊模墊片厚度下密封槽底部高度測量值

圖5 密封槽高度值三組數(shù)據(jù)等方差檢驗圖

從圖6所示的密封槽高度值與切邊模墊片厚度的箱線圖可以看出，不同切邊模墊片厚度值下的密封槽高度值之間有著顯著的差異。

圖6 密封槽高度值與切邊模墊片厚度箱線

三個基本前提條件驗證后，建立密封槽高度值與切邊模墊片厚度的回歸關系，繼續(xù)使用Minitab軟件中的擬合線圖功能，整理軟件輸出的方差分析數(shù)據(jù)，如表4所示，根據(jù)表中的P=0.000<0.05，可以判定擬合有效。

從密封槽底部高度值與墊片厚度之間的擬合線圖可以看出，不同的墊片厚度與最終的密封槽高度測量值呈負相關的關系，如圖7所示。

表4 密封槽高度值與切邊模墊片厚度方差分析

圖7 Y值與因子A擬合圖

利用同樣方法對產(chǎn)品浸水時長、推桿延遲距離進行分析。密封槽底部高度值與浸水時長的方差分析中P=0.003<0.05，可以判定擬合有效，二者之間有正相關關系，如圖8所示。密封槽底部高度值與推桿延遲距離的方差分析中P=0.000<0.05，可以判定擬合有效，二者之間有負相關關系，如圖9所示。

圖8 Y值與因子B擬合圖

圖9 Y值與因子C擬合圖

通過上述對三個因子的試驗與研究，可以得出如下結論：切邊模墊片的厚度、產(chǎn)品的浸水時長以及推桿延遲頂出的距離，均對密封槽底部高度值產(chǎn)生顯著影響，是影響產(chǎn)品變形的關鍵因子。

1.4 制定改善措施

根據(jù)單因子試驗分析，當切邊模墊片厚度處于低水平時，距離目標值更遠，舍棄低水平；密封槽底部高度值與浸水時長的箱線圖中高水平的輸出值幾乎包含了中水平的輸出值，舍棄中水平。當推桿延遲距離處于低水平時，輸出值遠離目標，舍棄低水平。因此，DOE試驗的因子及其水準的安排表如表5所示。

表5 試驗設計因子水平分布

因為只有三個因子，且均只有高、低兩個水平，再結合全因子試驗可以估計出所有的主效應以及所有的各階交互效應，所以本文選擇全因子試驗。按照試驗設計計劃里運行序的順序完成本次試驗。每組參數(shù)正常生產(chǎn)十件。為方便計算，響應變量取高度偏差值，為密封槽高度測量值與理論值差的絕對值，將望目型問題轉化為望小型問題，即期望偏差值越小越好。試驗數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 試驗結果

首先需要分析評估顯著性，運用Minitab軟件進行分析，得出模型整體P=0.026<0.05，表明可以拒絕原假設(模型無效)，判定本模型是有效的。

從標準化效應的Pareto圖(圖10)可以看出，3個主效應都是顯著的。3個2因子交互效應項中，只有切邊模墊片厚度、推桿延遲頂出距離(A*C)顯著(圖11)。本試驗全模型中還有不顯著的2因子交互作用，改進模型時應該將它們刪除。

刪除不顯著的2因子交互項B*C和A*B，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的方差分析可以得到主效應項和二階交互項的P值分別為0.001和0.023，均小于0.05，表明應拒絕原假設，即可以判定本模型總的來說是有效的。

經(jīng)過多次檢驗，獲得較滿意的模型?；诖?，輸出圖12所示的結果分析圖。

圖10 標準化效應的Pareto圖

在主效應圖中，三個因子回歸線都比較陡，回歸效果明顯。因子A與因子C有交互作用。響應優(yōu)化器可以看出，要想使密封槽底部高度值趨于中心值的話，需要將因子A和因子C設置在最高的水準，即2mm和4s，將因子B設置在最低的水準，即3mm。密封槽底部高度偏差值可以達到52.5μm的擬合值，即密封槽底部高度值可以達到18.05mm，且復合合意性達到0.895。

圖11 標準化效應的正態(tài)圖

3 DCA階段的重點是實施和持續(xù)改善

3.1 D階段：實施

改進方案的實施屬于PDCA循環(huán)的D階段。根據(jù)上文的結論，拆下切邊模的刀具，在其背面放置2mm厚的墊片，再將刀具固定在切邊模的上模。浸水時間的調整，由工程師登錄其權限賬號，更改機械取件手的程序設定，使得電池殼在水箱中的時間保持4s，再取出產(chǎn)品。推桿延遲頂出距離在拆下壓鑄模動模后，根據(jù)3mm延遲頂出的尺寸，選擇相對應的推桿，安裝后可以完成。

至此，針對電池殼密封槽底部高度值的改善方案落實完成。

3.2 C階段：檢測效果

為確認改善效果，需進行檢驗。在壓鑄工序連續(xù)正常生產(chǎn)情況下，每5件產(chǎn)品抽檢一件，共測量50

圖12 試驗結果分析圖

件產(chǎn)品，測量數(shù)據(jù)均在16.83～18.75mm。使用Minitab軟件進行數(shù)據(jù)正態(tài)性檢驗和過程能力分析，結果如圖13、圖14所示。

從概率圖上可以看出，各散點基本呈一條直線的趨勢，P=0.617>0.05，因而認為數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。過程能力指數(shù)Cpk為1.52，為A級，表明密封槽底部高度值的過程能力良好、狀態(tài)穩(wěn)定。本輪PDCA循環(huán)改善有效。

2.3 A階段：持續(xù)改善

通過檢驗階段的驗證，電池殼變形問題的改善活動已經(jīng)取得較為滿意的結果。需要把成功的經(jīng)驗轉化為標準化的文件。同時，在質量改善的過程中仍有不足的地方，需要提出并作為下階段改進的方向。

2.3.1鞏固成效

第一，更新模具圖紙及相關文件。本次改善涉及壓鑄模具的可調推桿延遲距離，需要在圖紙及操作指導書中進行更新，避免在模具下機保養(yǎng)或拆裝過程中造成錯裝。切邊模的墊片厚度以及工藝參數(shù)中的浸水時長需要在標準化文件中進行更新，在調整換型中將其納入點檢項中。

圖13 密封槽底部高度值數(shù)據(jù)正態(tài)性分布圖

圖14 密封槽底部高度值過程能力報告

第二，質量工具的合理運用和準確的數(shù)據(jù)分析有助于快速解決問題。本次質量改善以PDCA循環(huán)為指導方向，綜合運用了多種質量工具，對問題的確認起到了關鍵的作用。確認問題后又運用大量的數(shù)據(jù)分析，準確給出了最優(yōu)的工藝組合，使問題得到有效解決。為了使更多的工程技術人員能夠熟練運用PDCA循環(huán)的方法及其中涉及的多個質量工具，以本次質量改善活動為基礎，制定相關的問題解決規(guī)范流程，鼓勵員工在使用推薦的質量工具同時，能夠引入更多、更全面的質量工具，不斷更新及完善、規(guī)范流程。

2.3.2提出尚未解決的問題

第一，電池殼其他問題分析。對終檢出來的所有缺陷類型及數(shù)量進行統(tǒng)計，根據(jù)二八原則，磕碰和泄漏占所有廢品類型的80%以上，具體為占總廢品的81.3%。這兩項缺陷的改善，將作為下一階段PDCA循環(huán)的主要問題。

第二，其他結構件變形問題的分析與解決。本次電池殼變形問題的有效改善對其他薄壁結構件變形的解決與改善有著重要的指導意義。變形的改善，不僅能降低每道工序因產(chǎn)品變形而無法加工或加工后尺寸不到位造成的損失，也能夠極大減少結構件整形工序的工作量，對制造成本的下降有著重大的意義。下一步的PDCA循環(huán)，可對其他結構件的變形問題進行深入、系統(tǒng)的分析與改善。

3 結論

本文以電池殼變形問題的解決為例，詳細闡述了PDCA循環(huán)的推進過程以及其中運用到的質量分析工具。FMEA分析，使得解決問題的方向一目了然。DOE試驗設計思想，通過Minitab工具對數(shù)據(jù)的具體分析，讓大家對于問題分析解決中的數(shù)據(jù)分析有了重新的認識，一些模糊的、以經(jīng)驗為主的缺陷判斷有了數(shù)據(jù)的支撐，可以清晰地找到關鍵問題所在，便于集中精力解決關鍵問題，避免了經(jīng)驗主義的盲試。在電池殼變形問題的分析過程中提出的三個重要影響因素對其他結構件變形的分析有著重要的借鑒意義。同時，PDCA方法使得問題解決的方法、流程等更加合理化、科學化，按PDCA循環(huán)的方法繼續(xù)堅持，能夠推動公司質量管理水平的提升。