基于六西格瑪?shù)逆i骨干VI接骨板工藝優(yōu)化

張南洋，侯園

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機械工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

蘇州某醫(yī)療器械（中國）有限公司質(zhì)量保證部發(fā)現(xiàn)，2020年1—12月，在機械加工工序鎖骨干VI接骨板的厚度尺寸超差，共計生產(chǎn)600件，其中報廢82件，合格率86%，與接骨板線機加工合格率97.5%的目標(biāo)差距較大，造成大量返工，增加制造成本并影響制造周期，鎖骨干VI接骨板如圖1所示。

為減少產(chǎn)品超差，提升產(chǎn)品合格率，采用六西格瑪管理法，通過設(shè)計和監(jiān)控過程，以數(shù)據(jù)作為決策基礎(chǔ)，將可能的失誤減少到最低限度[1]，實施流程遵循五步循環(huán)改進法，即DMAIC模式：定義（Define）、測量（Measure）、分析（Analyze）、改進（Improve）、控制（Control）, 從而提高鎖骨干VI接骨板厚度一次合格率。

1 定義階段

鎖骨干VI接骨板是接骨板線重要產(chǎn)品之一，作為一款暢銷產(chǎn)品，市場認可度高，務(wù)必保證產(chǎn)品合格率，滿足客戶要求。該產(chǎn)品單件加工成本較高且班組產(chǎn)能較低，而2021年產(chǎn)能需求又大幅提高，如不提高一次合格率，將會影響生產(chǎn)周期和及時交付。本文鎖骨干VI接骨板厚度一次合格率Y=檢驗合格數(shù)÷檢驗總數(shù)×100%，依據(jù)70%以上改善幅度，目標(biāo)設(shè)定Y=98%。

2 測量階段

在測量階段，影響測量結(jié)果的因素有很多，如操作人員的經(jīng)驗、測量的溫度、測量儀器的精度等。因此，為保證測量數(shù)據(jù)的真實性、有效性，必須對測量系統(tǒng)進行一次科學(xué)、系統(tǒng)的評價。

2.1 Y的真實性驗證

取10個試樣，每個樣品由3個操作員各測量3次，采用量具R&R交叉法進行重復(fù)性和再現(xiàn)性研究。從表1中可知，%R&R=4.37% ＜10%，可區(qū)分類別數(shù)=32>5，說明該測量系統(tǒng)是可以接受的，測量誤差滿足使用要求。

表1 實測值的量具R&R分析數(shù)據(jù)

2.2 Y的過程能力分析

過程能力也稱工序能力，是指能穩(wěn)定地生產(chǎn)合格品的實際加工能力。影響過程能力的因素很多，如操作人員的加工質(zhì)量、機床設(shè)備的精度、材料、工藝等。從2020年10月至12月的記錄中抽取30件產(chǎn)品進行過程能力分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 Y的過程能力分析

I-MR控制圖是指標(biāo)繪變量數(shù)據(jù)在一段時間內(nèi)的單個觀測值（I控制圖）和移動極差（MR控制圖）。通過I-MR圖，可判定機加工過程是處于統(tǒng)計受控；通過正態(tài)概率圖的P＜0.05，說明數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，Ppk（用來計算工序性能或叫過程性能的指數(shù)）為-0.01，說明過程能力很差，需要即刻改善。通過以上描述可知，測量系統(tǒng)滿足要求，但鎖骨干VI接骨板厚度的過程能力嚴重不足。

3 分析階段

分析階段主要是針對測量階段找出的變動原因的優(yōu)先順序來收集數(shù)據(jù)，對引起Y變動的因素X進行分析，確定哪些因素對Y有顯著的影響。

經(jīng)小組頭腦風(fēng)暴識別，影響Y的潛在因素X如表2所示。

表2 影響Y的潛在因素X

通過對Y分解為若干個相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準，按照重要程度分為1～10個級別，對影響Y厚度尺寸的影響因子分為0、1、3、6、9五個等級，并對輸入因子逐一進行打分，將這些因子進行因果矩陣分析，進一步找出關(guān)鍵的輸入因子。最后，利用帕累托圖篩選占比80%的因子，共篩選出4個重要因子：工藝不穩(wěn)定（42.9%）、零件變形（28.6%）、定位不良（14.3%）、工裝干涉（14.3%），并對原因清楚因子進行快速改善，改善計劃如表3所示。

表3 快贏改善計劃

4 改進階段

該階段主要是優(yōu)化解決方案，并確認該方案能夠滿足或超過項目質(zhì)量改進目標(biāo)。擬訂幾個可供選擇的改進方案，通過討論并多方面征求意見，從中挑選出最理想改進方案付諸實施。

4.1 因子改進計劃

經(jīng)過以上3個階段的幾個快速改善，已經(jīng)對工裝干涉、定位不良等重要因子進行了快速改善。經(jīng)過分析階段分析驗證, 判斷對Y有影響的重要X因子是零件變形和工藝不穩(wěn)定，改進階段將對以上重要X因子進行改善，改善計劃如表4所示。

表4 因子改善計劃表

4.2 零件變形因子改善細節(jié)

影響殘余應(yīng)力的主要因素是銑削力、銑削熱和裝夾狀態(tài)等，當(dāng)銑削速度比較小、裝夾均勻的情況下，銑削力就成為影響殘余應(yīng)力的關(guān)鍵因素。因此，優(yōu)化切削參數(shù)對切削力的影響很有必要[2]。

4.2.1 銑刀有限元模型構(gòu)建與分析

1）前置處理。

在DEFORM-3D軟件中定義銑刀為剛體，工件為純鈦TA3G板材，采用四面體網(wǎng)格進行劃分，其中工件網(wǎng)格為20 000個，并進行0.1比例的網(wǎng)格細分。分別拾取X、Y、Z三個方向的面進行自由度約束，完成對工件邊界條件的設(shè)定，參照工件坐標(biāo)系設(shè)置銑刀的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)軸線及進給方向，并設(shè)置切削速度和移動速度[3]。

根據(jù)加工條件刀具直徑為6 mm，工件主軸轉(zhuǎn)速為2000 r/min，進給速度為60 mm/min，切削溫度為20 ℃，為研究刀具伸出長度對銑削力所承受的應(yīng)力、變形的影響規(guī)律，選取4種不同的伸出長度L為10、15、20、25 mm，仿真過程如圖3所示。

圖3 DEFORM銑削仿真加工

2）后處理分析。

銑刀伸出長度類似懸臂梁，總體上刀具應(yīng)力隨著伸出長度的增大而增大，但從表5可知，并不是簡單的線性關(guān)系，而是呈現(xiàn)先減小、后增大的變化趨勢，不過當(dāng)?shù)毒呱斐鲩L度從20 mm增大到25 mm時，只有略微的增大。另外，當(dāng)?shù)毒叩膽?yīng)變處于15～25 mm范圍內(nèi)時，整體變化不明顯。綜上可以得出，刀具懸伸長度在20 mm（40%總長）時，銑刀體現(xiàn)出的綜合加工特性較好。

表5 不同刀具伸出長度的最大變形與應(yīng)力

4.2.2 切削用量對切削力的影響

依據(jù)銑削用量的選擇原則、實際操作加工習(xí)慣及自動編程的特點，基于銑削寬度ae、每齒進給量fz以及主軸轉(zhuǎn)速n三個變量[4]，選用L9（34）正交表進行四因素三水平正交試驗，測得切削力合力如表6所示。

表6 正交試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

根據(jù)極差R值可知，進給量和銑削寬度對切削力影響較大，切削速度影響最小。在此基礎(chǔ)上考慮金屬材料去除率即零件的加工效率，第8組試驗為最優(yōu)一組切削參數(shù)組合。

另外，參照表6正交回歸試驗的數(shù)據(jù)，借助回歸處理功能，可構(gòu)建銑削力預(yù)測模型[5]為。

4.3 工藝不穩(wěn)定因子改善細節(jié)

除此之外，考慮工藝不穩(wěn)定，還需要對相關(guān)工序次序進行改進，減小裝夾次數(shù)，如將加工中心上的3次裝夾改為2次裝夾，去掉工序15，直接調(diào)整平口鉗夾緊兩側(cè)面，銑削基準平面保證厚度＞12.5 mm。型面按三維造型加工，并自動編程，在保證厚度尺寸的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)表面無明顯刀痕等。針對影響工藝不穩(wěn)定的全部因子改善細節(jié)如表8所示。

表8 因子改善細節(jié)

4.4 改善效果確認

抽取30件產(chǎn)品進行過程能力分析，得到Ppk=1.12，說明改善后過程能力顯著提升，P<0.05,判定改善措施有效。

表7 正交試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

5 控制階段

在改進階段，通過對工藝工步、工裝夾具、裝夾方式等方面進行改善，已充分分析各因素對加工中心工序厚度尺寸的影響，取得較好的改善效果。在控制階段，將對上述結(jié)果進行跟蹤確認并加以標(biāo)準化控制，形成PWT22Z67/A0企業(yè)文件編號。

經(jīng)過連續(xù)5個月檢測，鎖骨干VI接骨板的厚度一次合格率由86%提高至100%，如表9所示。

表9 目標(biāo)達成情況確認

6 結(jié)語

本文采用了六西格瑪（6σ）管理法，首先對產(chǎn)品的測量系統(tǒng)、過程能力進行分析，利用帕累托圖篩選出工藝不穩(wěn)定、零件變形、定位不良、工裝干涉4個重要因子，并對原因清楚制定了解決問題的方法，最終使該產(chǎn)品的合格率得到顯著的提升。