基于DMAIC 的薄壁襯套加工質量改進

劉 巖，胡航兵，周鑫明，魏 琴

（成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，四川成都 610092）

0 引言

在飛機使用的運動零部件之間，常通過設計襯套減少運動零部件的磨損，提升運動部件的機械性能。為了更好的減重以及減少占用空間，薄壁襯套是最常見防護耐磨配件之一。由于薄壁襯套剛性較差，在實際加工時因工藝方法、切削應力等因素的影響，非常容易出現(xiàn)變形，嚴重影響生產效率以及公司的聲譽。本文運用DMAIC 方法，針對實際加工中存在的問題進行改進研究，提出改進方向，最終提升產品的加工質量[1]。

1 薄壁襯套生產現(xiàn)狀

薄壁襯套的材料為30NCD16，是一種鐵—鎳基高溫合金，具有良好的抗氧化性、熱疲勞性和高熱強性，屬于難加工材料。零件結構如圖1 所示，薄壁襯套的直徑、壁厚比大于40 mm，外圓和內孔尺寸公差帶為6 級，按照項目標準要求，孔的圓度需要控制在0.02 mm以內。由于材料為熱處理后合金鋼，強度高且結構剛性不好，加工后易變形，傳統(tǒng)加工方式為數(shù)控車床從圓棒裝夾開始，粗、精加工外圓和內孔，一次裝夾成型后切斷結束。這種方式能保證很好的內、外圓同軸度，但零件從機床上三爪卡盤拆卸后，往往因為應力釋放而產生零件變形，內孔變形后圓度達到0.05～0.07 mm。薄壁襯套在半年間共投產558 件，合格品223 件，合格率僅為40%，不合格品全部報廢重制，嚴重影響了生產進度，增加了加工成本。

圖1 薄壁襯套結構

2 基于DMAIC 的薄壁襯套加工質量改進

2.1 定義階段

從薄壁襯套的SIPOC 流程可知（圖2），薄壁襯套在經歷3個加工工序后進入檢查環(huán)節(jié)（掛標牌不屬于加工工序），其中下料、數(shù)控車均屬于粗加工環(huán)節(jié)，對最終尺寸無影響。為找到質量改進點，對中檢環(huán)節(jié)的數(shù)據進行了統(tǒng)計，得到影響影響襯套廢品率的Pareto 圖（圖3），孔的圓度超差造成的廢品占比為97%，外圓直徑超差造成的廢品占比為1.5%，孔直徑超差造成的廢品占比為0.9%，碰傷造成的廢品占比為0.6%。由此可知，薄壁襯套廢品率高的原因主要是孔的圓度超差，因此將孔的圓度超差作為主要的質量改進點[2]。

圖2 薄壁襯套SIPOC 流程

圖3 襯套廢品的Pareto 圖

2.2 測量階段

通過定義階段確定質量改進點后，若孔的圓度超過0.02 mm則超差，而孔的圓度是通過三坐標測量機進行測量的，測量方法如圖4 所示。為避免量具導致的差異，需要對測量系統(tǒng)進行分析，首先隨機選擇10個樣本零件進行測量，通過2名測量技術人員對每個樣本重復測量2 次，將測量結果錄入Minitab 軟件中進行測量系統(tǒng)分析（表1）。

表1 量具R&R 表

圖4 測量方法及測量零件

由測量系統(tǒng)分析結果可知，部件的方差貢獻率（99.92）遠遠大于合計量具的貢獻率（0.08），說明變異主要是因為部件差異導致的。合計量具的研究變異和方差貢獻率都非常小，說明系統(tǒng)對研究變異的擾動很小，同時可區(qū)分數(shù)49＞5，說明測量系統(tǒng)是可信的，滿足要求[2]。

2.3 分析階段

針對孔的圓度超差問題，從測量系統(tǒng)、材料、操作者、環(huán)境、工藝方法、設備6 個方面進行分析，通過頭腦風暴的方法分析可能造成影響的因素，最終確定6 個影響因素（圖5），分別為X1應力集中、X2 培訓不到位、X3 一次裝夾未留余量、X4 切削參數(shù)不合理、X5 設備精度、X6 冷卻不充分。對以上6 個影響因素分別展開分析以及數(shù)據收集。

圖5 因果分析

（1）對于X1 應力集中因素，開展對比加工試驗，隨機選取40 件零件。鉆完初孔后，20 件零件繼續(xù)加工孔到最終尺寸，另外20 件去消除應力后再加工孔到最終尺寸進行對比試驗，并測量孔的圓度尺寸合格情況（表2）。

表2 是否消除應力的對比試驗結果 件

將對比試驗的結果，通過Minitab 進行卡方檢驗分析。假定Ho：消除應力加工孔無影響；Ha：未消除應力加工孔有影響（圖6），通過卡方檢驗得出P=0.027＜0.05，拒絕原假設Ho，接收Ha，即未消除應力加工孔與有消除應力加工孔有統(tǒng)計上的顯著不同。分析結果說明鉆完初孔后直接加工零件到最終尺寸，與鉆完初孔后消除應力再加工到最終尺寸的合格率有顯著區(qū)別，并且影響程度大，可以確定為關鍵因素[3]。

圖6 應力集中因素卡方檢驗

（2）對于X2 工人培訓不到位因素，經查詢工人均為高級技師，每年參加理論加實際操作的培訓均大于36 h，完全滿足加工零件的技能水平要求，因此可以排除X2 工人培訓不到位因素。

（3）對于X3 一次裝夾未留余量因素，通過對加工過程中的受力進行分析（圖7），發(fā)現(xiàn)一次裝夾的工藝方案中存在受力不均勻的問題，容易引起零件變形。為進一步確認該因素的影響，同樣開展對比試驗[1，4]。

圖7 一次裝夾未留余量加工示意

隨機選取40 件零件，20 件零件孔一次裝夾加工到最終尺寸，另外20 件留余量，切斷再精加工到尺寸，最終測量孔的圓度合格情況見表3。

表3 孔是否留余量的對比試驗結果 件

將對比試驗的結果，通過Minitab 進行卡方檢驗分析。假定Ho：一次裝夾未留余量對孔尺寸無影響；Ha：兩次裝夾孔留余量對孔尺寸有影響（圖8），通過卡方檢驗得出P=0.025＜0.05，拒絕原假設Ho，接收Ha，即一次裝夾未留余量與兩次裝夾孔留余量對孔尺寸有統(tǒng)計上的顯著不同。分析結果說明經過兩次裝夾孔留余量，再加工到最終尺寸的合格率有顯著區(qū)別，并且影響程度大，可以確定為關鍵因素。

圖8 一次裝夾未留余量因素卡方檢驗

（4）對于X4 切削參數(shù)不合理、X5 設備精度、X6 冷卻不充分等因素，通過查詢機床說明書、機械加工工藝手冊等相關文件，發(fā)現(xiàn)切削參數(shù)、設備精度、冷卻方式均滿足加工要求，因此可以排除X4 切削參數(shù)不合理、X5 設備精度、X6 冷卻不充分等因素。

2.4 改進階段

通過上述分析，在確定了2 個關鍵因素后，對其進行以下改進。

2.4.1 應力集中因素改進

零件粗加工時去除了大部分材料，零件產生機加內應力，使零件在粗加工后產生變形，影響內孔尺寸。常用的消除應力方式有兩種：①人工時效（熱處理法）對零件進行熱處理消除應力。按項目消除應力標準，需要保證溫度190 ℃，時間2～3 h；②自然時效法，在自然條件下使工件內部應力自然釋放從而使殘余應力消除或減少，需要至少7 d 時間。通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，人工時效消除應力后再加工孔，孔的變形小、圓度好。為了提高生產效率，試切20 件零件選用人工時效法，零件合格率從40%上升至85%，改善效果十分明顯。

2.4.2 一次裝夾余量因素改進

調整工藝方案，對于孔的加工先留余量后切斷，并自制工裝對零件進行裝夾進行二次裝夾（圖9～圖11），將孔加工到最終尺寸。使零件與工裝貼合，并用端蓋壓緊，避免零件直接受力，抵消車刀精鏜內孔旋轉時的徑向力，減少零件變形，并通過修改工藝方案，改進薄壁襯套的SIPOC 流程（圖12），確保后續(xù)零件的加工合格率。

圖9 自制工裝

圖10 自制工裝零件圖

圖11 零件裝夾

圖12 改進后的薄壁襯套SIPOC 流程

為了進一步探索薄壁襯套孔加工余量的合理性，再次開展加工余量對比試驗。選擇留余量0.2 mm 后精加工和留余量0.5 mm 后精加工兩種方式，分別加工20 件零件，最終測量孔的圓度尺寸。通過圓度值箱線圖（圖13），采用留余量0.2 mm后精加工孔，孔的圓度尺寸更加收斂，合格率達到95%，改善效果更加明顯。

圖13 孔的圓度值箱線圖

2.5 控制階段

通過采用制初孔后增加人工時效消除應力、精加工留余量0.2 mm、自制夾具裝夾加工等改進措施，使薄壁襯套零件孔的圓度合格率得到明顯提高。對該零件最新批次的生產情況進行統(tǒng)計（圖14），合格率有效地控制在97%左右，成功完成了既定的質量改進目標。目前的異常點主要是產品周轉過程造成的損壞報廢，為進一步提升改進效果，后期制定了產品周轉的防護措施，定期檢查產品加工和周轉過程是否滿足要求[5]。

圖14 孔的圓度值合格率及I-MR 控制圖

3 結束語

通過DMAIC 方法對薄壁襯套的加工過程進行了質量改進，運用科學有效的分析方法，找到了影響產品質量的關鍵因素，最終通過優(yōu)化工藝加工方案、自制裝夾工裝等改進措施，有效提升產品加工合格率，對于類似零件具有借鑒意義。