基于DMAIC的變壓器生產(chǎn)質(zhì)量改進(jìn)研究

黃鵬鵬,王 錕

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，贛州 341000)

0 引言

在競爭日益激烈的電子制造行業(yè)，產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)于企業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。六西格瑪是一種通過數(shù)據(jù)分析、旨在減少產(chǎn)品與服務(wù)缺陷的質(zhì)量管理方法[1]。DMAIC方法為六西格瑪主要實(shí)施技術(shù)，它包括定義、測(cè)量、分析、改進(jìn)和控制五個(gè)階段，由于該方法可以有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量與客戶滿意度，因此得到了廣泛的應(yīng)用與關(guān)注[2]。張錢錢等[3]針對(duì)T型材在拉彎后造成的端面厚度尺寸超差問題，運(yùn)用六西格瑪方法分析尺寸超差的原因，最終實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的提升。陳洪根等[4]采用DMAIC方法對(duì)轉(zhuǎn)向軸進(jìn)行質(zhì)量改進(jìn)，通過制定全面改進(jìn)方案，產(chǎn)品不良率得到有效控制。TANNADY等[5]以DMAIC方法對(duì)瓦楞紙箱進(jìn)行分析，采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)操作程序?qū)ιa(chǎn)過程進(jìn)行了改進(jìn)。MUSTANIROH等[6]采用DMAIC對(duì)馬鈴薯片生產(chǎn)中缺陷進(jìn)行質(zhì)量控制分析，對(duì)薯片的顏色、脆度和尺寸進(jìn)行了改良。趙晴[7]運(yùn)用DMAIC流程并結(jié)合Minitab軟件，對(duì)橡膠密封圈內(nèi)徑控制進(jìn)行研究，使密封圈內(nèi)徑合格率得到提高。

基于目前的研究現(xiàn)狀與現(xiàn)階段H公司的質(zhì)量狀況，本文采用六西格瑪DMAIC方法并結(jié)合Minitab軟件[8]對(duì)H公司A變壓器的生產(chǎn)過程進(jìn)行質(zhì)量分析改進(jìn)。在定義階段，運(yùn)用SIPOC流程圖、帕累托圖等工具明確產(chǎn)品改進(jìn)目標(biāo)與范圍；在測(cè)量階段，運(yùn)用測(cè)量系統(tǒng)分析與過程能力分析對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、人員的一致性以及過程能力的穩(wěn)定性進(jìn)行判定；在分析階段，運(yùn)用故障樹分析工具與比率檢驗(yàn)分析，確定出改進(jìn)重點(diǎn)為激光點(diǎn)焊機(jī)參數(shù)設(shè)置不合；在改進(jìn)階段，利用部分因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定焊錫的最佳參數(shù)組合，制定出改進(jìn)方案；最后對(duì)改進(jìn)效果進(jìn)行驗(yàn)證并建立相應(yīng)的控制方案，使得改進(jìn)成果標(biāo)準(zhǔn)化，以期達(dá)到提高產(chǎn)品合格率的目的。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

H公司以磁性元器件生產(chǎn)為基礎(chǔ)，主要生產(chǎn)傳感器、控制器、變壓器等產(chǎn)品，同時(shí)還為客戶提供專用產(chǎn)品的研發(fā)。其主要生產(chǎn)車間為高頻變壓器生產(chǎn)車間，A變壓器為車間新引入產(chǎn)品，生產(chǎn)技術(shù)不夠成熟，不合格品率接近10%，單月因返工、報(bào)廢及客訴造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)萬元。為了提高客戶滿意度，加強(qiáng)自身的競爭力，亟需有效方法改善變壓器的質(zhì)量，以期提高產(chǎn)品合格率、降低公司成本同時(shí)樹立良好的供應(yīng)商形象。

2 生產(chǎn)質(zhì)量改進(jìn)實(shí)施

2.1 定義階段

H公司A變壓器SIPOC流程如圖1所示，檢驗(yàn)合格品流入下道工序，不合格品放入不合格品盒中。為了找出需要改善的問題點(diǎn)，對(duì)A變壓器一個(gè)月內(nèi)生產(chǎn)過程中各檢驗(yàn)點(diǎn)的廢品數(shù)量進(jìn)行收集匯總，得到變壓器質(zhì)量不良數(shù)的帕累托圖，如圖2所示。激光點(diǎn)焊不良數(shù)為383件，占比72%，為關(guān)鍵質(zhì)量問題。通過對(duì)激光點(diǎn)焊產(chǎn)品的不良品進(jìn)行分析，主要不良為本體粘錫珠錫渣與連錫，因此將提高激光點(diǎn)焊合格率定義為實(shí)施項(xiàng)目的質(zhì)量改進(jìn)點(diǎn)。

圖1 A變壓器SIPOC流程

圖2 不良數(shù)的帕累托圖

2.2 測(cè)量階段

2.2.1 測(cè)量系統(tǒng)分析

從定義階段可知，造成A變壓器不良率過高的主要原因?yàn)榧す恻c(diǎn)焊造成的焊錫不良，因此首先應(yīng)該找出導(dǎo)致焊錫不良的因素。為了驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)以及作業(yè)人員的可靠性、穩(wěn)定性與重復(fù)性，選取30件變壓器樣品，其中包括20件合格品，10件PIN腳焊錫不良品。安排兩名檢驗(yàn)人員進(jìn)行重復(fù)性缺陷檢測(cè)，作業(yè)環(huán)境位于車間外觀檢驗(yàn)站，工具為10倍放大鏡。運(yùn)用Minitab軟件進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析，如圖3所示，檢驗(yàn)員1和2檢驗(yàn)30件產(chǎn)品，相符數(shù)29件，占96.67%；檢驗(yàn)員與標(biāo)準(zhǔn)之間相符數(shù)為29件，占96.67%，說明測(cè)量系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確率。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)分析

2.2.2 生產(chǎn)能力分析

根據(jù)過去一個(gè)月激光點(diǎn)焊不良數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)能力進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 不良數(shù)的二項(xiàng)能力報(bào)告

由P控制圖和累積缺陷圖可知過程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)，二項(xiàng)分布概率圖和缺陷直方圖表明過程輸出數(shù)據(jù)服從二項(xiàng)分布，PPM缺陷為60 500，缺陷率為6.05%，西格瑪水平為1.550 6，說明目前的生產(chǎn)過程控制能力不足，故需對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

2.3 分析階段

針對(duì)激光點(diǎn)焊導(dǎo)致的焊錫不良問題，本文將綜合利用故障樹、比率檢驗(yàn)等對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，進(jìn)而找到關(guān)鍵影響因素。

2.3.1 故障樹分析

(1)定性分析

根據(jù)工序過程和故障機(jī)理分析得到焊錫不良的故障樹，如圖5所示。其中，T為頂事件；A1～A4為中間事件；x1～x7為底事件，各事件及代碼如表1所示。通過定性分析，該故障樹的最小割集為{x1}，{x2}，{x3}，{x4}，{x5}，{x6}，{x7}。

圖5 焊錫不良故障樹

表1 故障樹事件表

為了計(jì)算頂事件發(fā)生概率，對(duì)最小割集進(jìn)行不交化處理[9]，公式為：

(1)

(2)定量分析

在故障樹定性分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)基本事件的故障發(fā)生數(shù)據(jù)，求解頂事件的發(fā)生概率和基本事件的重要度，并找到導(dǎo)致頂級(jí)事件發(fā)生的關(guān)鍵影響因素，為產(chǎn)品改進(jìn)提供方向。因此引入關(guān)鍵重要度的概念，關(guān)鍵重要度表示系統(tǒng)故障概率變化率和引起其發(fā)生的底事件故障概率變化率的比值[10]。它反映底事件概率重要度的影響程度，對(duì)關(guān)鍵重要度大的底事件采取合理的方法，可以有效降低頂事件發(fā)生的概率，其計(jì)算公式為：

(2)

式中，Icr(i)為第i個(gè)單元的關(guān)鍵重要度。

(3)關(guān)鍵重要度的計(jì)算

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場的加工過程、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析，生技、品質(zhì)、研發(fā)3部門工程師對(duì)7個(gè)底事件的發(fā)生概率進(jìn)行評(píng)估，最終得到：上料擺放位置偏移發(fā)生概率為2%，作業(yè)臺(tái)殘留錫珠錫渣概率為1%，點(diǎn)焊操作不當(dāng)發(fā)生概率為4%，激光點(diǎn)焊參數(shù)不當(dāng)發(fā)生概率為8%，錫膏稀釋過多發(fā)生概率為3%，錫膏儲(chǔ)存濕度低于30% RH或高于70% RH發(fā)生概率為1%，錫膏回溫時(shí)間低于2 H或高于4 H發(fā)生概率為3%。將各底事件發(fā)生概率代入公式(1)中，得出頂事件發(fā)生概率P(T)=0.201 8。將各底事件的發(fā)生概率和頂事件的發(fā)生概率代入公式(2)中，得出各底事件關(guān)鍵重要度為Icr(1)=0.080 7，Icr(2)=0.040 0，Icr(3)=0.164 8，Icr(4)=0.343 9，Icr(5)=0.122 3，Icr(6)=0.039 9，Icr(7)=0.122 3。由計(jì)算可知，激光點(diǎn)焊參數(shù)不良的關(guān)鍵重要度最高，因此將其作為改善重點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.3.2 激光點(diǎn)焊參數(shù)比例檢驗(yàn)

激光點(diǎn)焊工序是A變壓器的關(guān)鍵工序，激光點(diǎn)焊是利用高能激光脈沖對(duì)PIN腳局部錫膏處進(jìn)行加熱，將錫膏融化后包裹于PIN腳處所纏銅線，最終實(shí)現(xiàn)變壓器焊點(diǎn)焊接過程。車間內(nèi)激光點(diǎn)焊設(shè)備使用過程中的常見參數(shù)包括點(diǎn)錫膏時(shí)間、焊接位置公差、焊錫溫度、焊錫時(shí)間、聚焦高度。激光點(diǎn)焊的質(zhì)量好壞與各工藝參數(shù)的設(shè)置有很大關(guān)系，為了驗(yàn)證改變點(diǎn)焊參數(shù)是否為引起點(diǎn)焊不良，將焊錫溫度從280調(diào)整至350得出結(jié)果如圖6所示。

圖6 雙比率檢驗(yàn)輸出圖

將焊錫溫度280的合格率設(shè)為P1，焊錫溫度350的合格率設(shè)為P2。

H0:P1=P2
H1:P1≠P2
P值=0.88>0.76

拒絕原假設(shè)，即在α=0.05的水平上，改變焊錫參數(shù)會(huì)對(duì)合格率產(chǎn)生影響。

2.4 改善階段

2.4.1 關(guān)鍵影響因素改進(jìn)

受到時(shí)間與成本的限制，對(duì)影響激光點(diǎn)焊質(zhì)量的5個(gè)因子進(jìn)行DOE部分因子試驗(yàn)，為獲得最大的產(chǎn)品合格率尋找最佳的參數(shù)組合。5個(gè)因子分別為點(diǎn)錫膏時(shí)間、焊接位置公差、焊錫溫度、焊錫時(shí)間、聚焦高度。具體的參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 激光點(diǎn)焊參數(shù)DOE因子表

實(shí)驗(yàn)安排5因子2水平，16次試驗(yàn)，另3次取中心點(diǎn)，分辨度為V，響應(yīng)變量為焊錫合格率，輸入到Minitab軟件中，如表3所示。按照不同參數(shù)組合調(diào)整激光點(diǎn)焊機(jī)參數(shù)，每次試驗(yàn)取50個(gè)樣本，并識(shí)別出樣本中的缺陷產(chǎn)品，將焊錫良率收集至數(shù)據(jù)表中進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖7所示。

表3 激光點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

續(xù)表

圖7 主效應(yīng)圖與響應(yīng)優(yōu)化結(jié)果

通過Minitab運(yùn)算結(jié)果，得出了最優(yōu)的參數(shù)組合：當(dāng)點(diǎn)錫膏時(shí)間為1500 ms，焊接位置公差為0.2 mm，焊接溫度為280 ℃，焊錫時(shí)間為3.0 s，聚焦高度為176 mm時(shí)，可獲得最大的焊錫合格率。

2.4.2 其他影響因素改進(jìn)

(1)作業(yè)員每隔1 h對(duì)激光點(diǎn)焊工作臺(tái)進(jìn)行檢查清理，確保點(diǎn)焊機(jī)臺(tái)面無錫珠錫渣殘留。

(2)做治具防護(hù)產(chǎn)品本體，防止激光電焊時(shí)錫珠飛濺到本體上。新增治具可以防護(hù)產(chǎn)品PIN腳和線槽粘錫珠錫渣，如圖8所示。

圖8 防護(hù)治具

(3)規(guī)范錫膏儲(chǔ)存環(huán)境與使用流程，并要求員工按照錫膏回溫時(shí)長與錫膏使用注意事項(xiàng)進(jìn)行管控。

2.5 控制階段

2.5.1 改進(jìn)效果

為了驗(yàn)證改進(jìn)效果，收集30天改進(jìn)后的激光點(diǎn)焊不良數(shù)進(jìn)行分析，通過Minitab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二項(xiàng)過程能力分析，如圖9所示。

由控制圖和累積缺陷圖可知過程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)，二項(xiàng)分布概率圖和缺陷直方圖表明過程輸出數(shù)據(jù)服從二項(xiàng)分布，PPM缺陷為13 000，缺陷率為1.3%，西格瑪水平為2.226 2。與改進(jìn)前的數(shù)據(jù)相比均有提高，改善效果顯著。

圖9 不良數(shù)二項(xiàng)過程能力報(bào)告

2.5.2 持續(xù)改善與標(biāo)準(zhǔn)化

針對(duì)上述的改進(jìn)進(jìn)行文件化與標(biāo)準(zhǔn)化的控制具體如下：將治具防護(hù)、錫膏使用規(guī)范、最優(yōu)焊錫參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化到作業(yè)指導(dǎo)書中。改進(jìn)方案實(shí)施后，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的A變壓器不合格品進(jìn)行數(shù)據(jù)收集匯總，結(jié)果顯示A變壓器不合格率有效控制在1.8%左右，達(dá)到了提升質(zhì)量、降低返工與報(bào)廢成本的目的。

3 結(jié)束語

焊錫是變壓器生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序，焊錫的好壞對(duì)變壓器的質(zhì)量起重要影響。本文運(yùn)用六西格瑪DMAIC方法對(duì)變壓器生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行研究，將提高激光點(diǎn)焊合格率作為改進(jìn)目標(biāo)，借助故障樹分析找出重要影響因素，最終通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得出最佳焊錫參數(shù)組合，并對(duì)改善結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管控。結(jié)果表明，該方法可以有效地改善產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，提高變壓器的生產(chǎn)合格率。