基于DMAIC的板式定制家具封邊工序膠貼質量提升研究

韓 飛 徐 偉

（南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院，江蘇 南京 210037）

封邊是板式家具生產過程中的一道關鍵工序，對板式家具邊部的防水、保護，封閉有害氣體釋放，減少變形等具有重要作用，通過封邊還能襯托和美化家具的外觀[1-2]。傳統(tǒng)封邊工藝是將熱熔膠熔化后涂覆在封邊條上，加壓后與家具貼合。工序復雜，易出現質量問題，且問題多發(fā)生在膠縫部位，從而導致產品二次返修或報廢[3-5]。隨著家具制造信息化技術的逐漸成熟，對封邊質量提出了更高要求[6-10]。目前對封邊質量管控的相關研究多集中在封邊材料方面，如封邊條、基材對封邊質量的影響等，而對工藝參數的研究較少[11-14]。熱熔膠封邊是最為常用的封邊技術[15-16]，但由于控制參數繁多，操作人員很難根據經驗將其調至最佳值。為此，本研究基于經典的DMAIC管理模型，即通過定義、測量、分析、改進、控制5 個過程[17-23]，求證最佳調機參數組合方式，對封邊工序膠貼環(huán)節(jié)進行改進，以有效提升封邊質量，使產品穩(wěn)定在合格范圍內。

1 封邊工序涂膠壓貼問題概述

封邊工序大體由防黏劑噴涂、預銑預熱、涂膠壓貼、前后齊頭、上下粗修、上下精修、刮邊、拋光8個工步組成。出現的主要問題可分為刀修、膠貼兩大類[24-25]。其中膠貼問題常表現為膠縫/開膠、膠線/溢膠、鼓包等，如圖1所示。

圖1 常見的涂膠壓貼問題Fig.1 Common gluing and sticking quality problems

目前對于封邊質量的檢驗多采用手動剝離感知剝離力大小及觀察剝離后封邊條粘膠效果的方式。參照國家及行業(yè)標準，通常以封邊剝離力作為膠貼質量的評價指標[26]。本研究選取某廠箱體車間生產條件，對一批試驗板件進行品質檢測，檢測方法、材料與結果如表1所示。從質檢結果可以看出，剝離力較低時容易產生膠縫或開膠隱患，而剝離力較高時容易出現明顯的膠線，造成外觀問題，因此，將合格板件的剝離力范圍值定義在68～75 N。

表1 封邊工序涂膠壓貼質量檢測表Tab.1 Edge banding process gluing and sticking quality test table

2 封邊工序涂膠壓貼質量改善的實施

2.1 定義階段

本次品質改善目標定義為，將封邊板件的剝離力穩(wěn)定保持在68～75 N。

2.2 測量階段

在封邊機連續(xù)工作的8 h內，每隔25 min隨機抽取1 塊360 mm×317 mm×16 mm的頂板，測量其四邊剝離力。4 條邊為一個子組，共收集25 組數據。數據正態(tài)性檢驗P值為0.392，符合正態(tài)分布。如圖2a所示，過程穩(wěn)定且處于受控狀態(tài)。由圖2b可見，過程能力指數Cp值為0.32（Cp＆lt; 1）屬于過程能力不足。尚有超出規(guī)格界限的不合格剝離力，且占有一定比例，需要進一步改善。

圖2 改善前剝離力的過程能力分析Fig.2 Process capability analysis of stripping force before improvement

2.3 分析階段

針對封邊機調機項目，進一步采取單因子試驗檢驗其與剝離力的相關性，試驗計劃表與結果如表2 所示。將試驗數據代入Minitab軟件，正態(tài)性檢驗P值均大于0.05，符合正態(tài)分布，可進行相關性分析。

表2 封邊機調機項目單因子試驗計劃表Tab.2 Single factor test schedule of edge banding machine adjustment project

（續(xù)表2）

2.3.1 進給速度與剝離力的關系

進給速度即工件通過加工區(qū)域的速度，如圖3a所示，在散點圖中各觀測點大體分布在直線周圍。Pearson相關系數為0.570，P值為0.237（＆gt; 0.05），進給速度與剝離力無顯著線性相關。進一步分析封邊設備發(fā)現，進給速度的變化不會改變膠量、膠層涂布效果以及膠溫而影響剝離力，可判斷進給速度不是影響封邊剝離力的關鍵因子。

2.3.2 涂膠量與剝離力的關系

涂膠量即基材上熱熔膠含量，對試驗結果進行單因子方差分析。如圖3b所示，涂膠量在不同水平下產生的剝離力有顯著差異，剝離力受涂膠量變化的顯著性檢驗P值為0.000（＆lt; 0.05），表明兩者具有顯著相關性。增大涂膠量可以增加膠層厚度，提高基材與封邊條的粘合度。因此，涂膠量是影響封邊剝離力的關鍵因子，對剝離力具有顯著影響。

2.3.3 涂膠溫度與剝離力的關系

涂膠溫度即涂膠輥達到的溫度，在圖3c中可見各觀測點較緊密地分布在拋物線周圍，擬合的二次項模型平均剝離力/N=-1 250 + 14.69 涂膠溫度/℃－ 0.040 77 涂膠溫度/℃×涂膠溫度/℃，回歸項P值為0.01（＆lt; 0.05），模型有效，涂膠溫度與剝離力存在顯著曲線相關。進一步分析發(fā)現，涂膠溫度通過改變熱熔膠活性以及流動性影響剝離力。熱熔膠活性好時黏度高，而流動性好時在同一壓貼壓力下涂布效果更佳。在低膠溫時膠層活性低黏度較差，而高膠溫時膠層容易碳化黏度下降。涂膠溫度與封邊剝離力具有顯著的曲線相關，是影響封邊剝離力的關鍵因子。

2.3.4 壓帶輪壓距與剝離力的關系

壓帶輪壓距即壓帶輪壓貼基材的距離，如圖3d所示，各觀測點緊密地分布在拋物線周圍，擬合的二次項模型平均剝離力/N=67.732 + 0.476 3 壓帶輪壓距/mm－0.013 59 壓帶輪壓距/mm×壓帶輪壓距/mm，回歸項P值為0.001（＆lt; 0.05），模型有效。通過觀察剝離后的膠層發(fā)現，當壓帶輪壓距過小時，中間膠層壓薄，兩邊緣膠層變厚。而當壓帶輪壓距過大時，中間膠層較厚兩邊緣膠層變薄。壓帶輪壓距的變化會影響到膠層受壓，壓距越小膠層受壓越大，形成涂布效果的差異。壓帶輪壓距與剝離力存在顯著的曲線相關，是影響剝離力的關鍵因子。

圖3 封邊機調機項目與剝離力的相關性檢驗Fig.3 Test the correlation between edge banding machine and stripping force

綜合以上結論可知，除進給速度外，涂膠量、涂膠溫度、壓帶輪壓距均與剝離力顯著相關。

2.4 改進階段

2.4.1 進給速度與涂膠量的確定

鑒于進給速度與剝離力無顯著相關，從提高生產效率角度應盡可能加大進給速度，同時進給速度過快又可能會導致崩邊等封邊問題[11]，最后確定將進給速度調至30 m/min。由表2 可知，中水平涂膠量的剝離力在66～75 N之間，大致達到合格剝離力標準。其他水平膠量均超出或低于合格標準，最后選擇中水平涂膠量，并制定相應的膠量檢查制度，督促生產人員嚴格控制膠量以確保封邊質量。

2.4.2 涂膠溫度與壓帶輪壓距的試驗分析

1）試驗設計。首先在Minitab中創(chuàng)建二水平全因子試驗，涂膠溫度設置為低水平160 ℃，高水平190 ℃；壓帶輪壓距設置為低水平10 mm，高水平 40 mm，加入3 個中心點。進給速度設置為30 m/min，中水平涂膠量，其他條件與單因子試驗相同。在擬合模型的過程中發(fā)現彎曲項P值為0.03（＆lt; 0.05），模型有明顯彎曲趨勢，需進一步采用響應曲面試驗擬合二次項回歸方程。由于兩種試驗條件相同，因此在原有試驗基礎上補充了6 次試驗，共得到13 次試驗結果，如表3 所示。

表3 涂膠溫度與壓帶輪壓距的響應曲面試驗運行表Tab.3 Response surface test running table of gluing temperature and belt roller distance

2）模型擬合。根據擬合模型的五大步驟對模型不斷改進，最終選定的模型方差分析如表4 所示。觀察改進后的模型可發(fā)現，模型總效果有效，無失擬現象。除壓帶輪壓距外，其他均為高度顯著項。R-Sq92.53%與R-Sq（調整）88.80%非常接近，R-Sq(預測）71.43%，預測能力較好。由圖4a四合一殘差圖可知，殘差狀況正常。以未編碼單位表示的回歸方程：剝離力/N=-1 229 + 14.13 涂膠溫度/℃+ 1.440 壓帶輪壓距/mm－ 0.038 89 涂膠溫度/℃×涂膠溫度/℃－ 0.027 78 壓帶輪壓距/mm×壓帶輪壓距/mm。

表4 模型方差分析Tab.4 Model ANOVA

3）模型解釋。由圖4b、c可知，涂膠溫度控制在173～190 ℃，壓帶輪壓距控制在15～35 mm時，封邊剝離力可以保持在70 N以上。如圖 4d所示，利用 Minitab的響應優(yōu)化器，得最優(yōu)封邊剝離力約為72.8 N，其對應的涂膠溫度約為181.6 ℃，壓帶輪壓距約為25.9 mm。

圖4 擬合模型的解釋結論Fig.4 Interpretation conclusion of fitting model

4）試驗驗證。理論最優(yōu)值72.76 N的95%預測區(qū)間為（63.98, 81.53），在進給速度為30 m/min、中水平涂膠量、涂膠溫度為181.6 ℃，壓帶輪壓距25.9 mm下對3塊400 mm × 400 mm × 16 mm試驗板件進行封邊，每板件封4 邊總計12 邊。在此條件下試驗測得的剝離力結果如表5 所示，所有測量值均在95%預測區(qū)間，結果表明：該模型與實際結果相符且可靠。

表5 驗證試驗剝離力檢測表Tab.5 Verification test stripping force test table

2.4.3 其他改進措施的實施

為保證生產環(huán)境絕對清潔，避免膠軸因異物污染帶來鼓包隱患。在生產結束前后對涂膠軸周圍環(huán)境進行嚴格檢查清理，并將此列入員工的考核指標。

2.5 控制階段

實施改進措施后，在相同生產條件下，收集規(guī)格為360 mm × 367 mm × 16 mm頂板的25 組剝離力數據進行過程能力評估。數據正態(tài)性檢驗P值為0.895，符合正態(tài)分布。如圖5a所示，過程穩(wěn)定且處于受控狀態(tài)。如圖5b所示，Cp由改善前的0.32 提升至1.06（1 ≤Cp＆lt;1.33），屬于過程能力尚可，過程能力得到顯著改善。

圖5 改善后剝離力的過程能力分析Fig.5 Process capability analysis of improved stripping force

3 結論

本文按照DMAIC模型的改善流程，以封邊剝離力為評價指標，研究提升板式定制家具封邊工序涂膠膠貼質量，得出以下結論：

1）通過封邊品質檢測，定義合格膠貼質量的剝離力范圍為68～75 N。

2）單因子調機試驗結果表明，除進給速度外，涂膠量、涂膠溫度、壓帶輪壓距均與剝離力顯著相關。

3）通過響應曲面試驗求證得出，涂膠溫度控制在173～190 ℃，壓帶輪壓距控制在15～35 mm時，剝離力可以保持在70 N以上。較佳的調機參數組合方式為進給速度30 m/min、中水平涂膠量、涂膠溫度181.6 ℃、壓帶輪壓距25.9 mm，在該參數下封邊涂膠膠貼可達到的剝離力理論值為72.8 N。驗證試驗表明，該值與實際結果相符且可靠。

4）通過本文所述改善措施，過程能力指數由0.32提升至1.06，改善效果明顯。