基于精益DMAIC 的換模過(guò)程優(yōu)化研究

孫際艷 SUN Ji-yan；袁亮 YUAN Liang；肖文東 XIAO Wen-dong；崔健平 CUI Jian-ping；劉超 LIU Chao

（①新疆大學(xué)商學(xué)院，烏魯木齊 830000；②新疆大學(xué)智能制造現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院，烏魯木齊 830000）

0 引言

隨著人們收入水平的提高以及科技與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，玩具市場(chǎng)需求快速變化，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。加速推進(jìn)工業(yè)4.0，成為提升玩具制造業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力的有效方式。精益DMAIC（Define，Measure，Analyze，Improve，Control）方法是六西格瑪管理中流程改善的重要工具，能夠有效地發(fā)現(xiàn)、分析并解決問(wèn)題，它由五個(gè)步驟組成：定義、測(cè)量、分析、改善和控制。在這些步驟中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行問(wèn)題識(shí)別、原因分析和流程優(yōu)化，將持續(xù)改善的理念服務(wù)于企業(yè)生產(chǎn)。本文通過(guò)結(jié)合精益六西格瑪和快速換模的方法，對(duì)MT 玩具制造公司注塑車間換模過(guò)程進(jìn)行實(shí)地調(diào)研、數(shù)據(jù)收集和分析，探討了該方法對(duì)換模過(guò)程的應(yīng)用改善。從流程優(yōu)化和參數(shù)改進(jìn)兩方面出發(fā)，最終縮短了模具更換時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

1 定義問(wèn)題（Define）

1.1 MT 公司生產(chǎn)現(xiàn)狀及研究對(duì)象

MT 公司是一家玩具生產(chǎn)制造企業(yè)，主要生產(chǎn)塑膠類玩具產(chǎn)品，工序包括注塑、移印、手噴、裝配等。多品種、小批量的生產(chǎn)特點(diǎn)使得在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要車間不斷更換模具來(lái)滿足多樣化的訂單需求，從而導(dǎo)致設(shè)備換模次數(shù)和整體換模時(shí)間增加。對(duì)比分析MES（Manufacturing Execution System）系統(tǒng)中實(shí)際換模與標(biāo)準(zhǔn)換模時(shí)間，其中25 噸注塑機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為25 分鐘，而平均換模時(shí)間在39分鐘，且臺(tái)數(shù)較多，故選定其作為研究對(duì)象。

1.2 改善實(shí)施范圍及戰(zhàn)略意義

由公司精益部牽頭組建六西格瑪改善團(tuán)隊(duì)，成員來(lái)自生產(chǎn)部、模具部、質(zhì)量部等。團(tuán)隊(duì)解決車間設(shè)備停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等實(shí)際問(wèn)題，有利于提高企業(yè)生產(chǎn)效率，能夠更加靈活地調(diào)整日常生產(chǎn)計(jì)劃，為企業(yè)創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 過(guò)程測(cè)量（Measure）

針對(duì)注塑車間換模流程開展調(diào)研，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察和視頻錄制，將整個(gè)換模作業(yè)流程分解并確定操作時(shí)間及內(nèi)外部作業(yè)屬性，如表1 改善前所示。

表1 換模過(guò)程改善前后操作分析表

根據(jù)表1 可知，改善前總換模時(shí)間為39 分鐘，外部作業(yè)時(shí)間為10 分鐘，內(nèi)部作業(yè)時(shí)間為29 分鐘。

3 分析階段（Analyze）

從人、機(jī)、料、法、環(huán)5 個(gè)方面展開FMEA（Failure Mode and Effects Analysis）分析，將影響換模效率的失效模式進(jìn)行列舉，分析失效原因及影響，并用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先度（RPN）來(lái)量化關(guān)鍵要素，經(jīng)過(guò)改善團(tuán)隊(duì)打分得到表2。

表2 換模過(guò)程FMEA 分析

4 改進(jìn)階段（Improve）

4.1 流程優(yōu)化

外部作業(yè)是設(shè)備停機(jī)前完成的操作，內(nèi)部作業(yè)是停機(jī)之后完成的操作。由于停機(jī)時(shí)間是非增值的，應(yīng)盡可能的減少，利用ECRS 原則對(duì)換模過(guò)程進(jìn)行取消、合并、重排和簡(jiǎn)化，以提高效率縮短內(nèi)外部作業(yè)時(shí)間。

4.1.1 內(nèi)部作業(yè)轉(zhuǎn)化為外部作業(yè)

①調(diào)整機(jī)械手位置到設(shè)備外部以及新模安裝吊環(huán)等操作在停機(jī)前也可以完成，可將其調(diào)整為外部作業(yè)。

②改善前換模和換料過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，存在換模換料不協(xié)同的問(wèn)題。將換料過(guò)程外化，通過(guò)使用小型料斗送料，保持機(jī)器正常運(yùn)行，然后清理固定料斗并換料，完成轉(zhuǎn)料后再通知換模員，以確保在模具更換開始前進(jìn)行材料更換，減少非同步導(dǎo)致的等待時(shí)間。

4.1.2 優(yōu)化內(nèi)外部作業(yè)時(shí)間

①外部作業(yè)中，影響料斗清理的主要因素是三通連接件下料位置容易粘色粉，經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)討論確定在不影響物料供給的情況下，將25 噸機(jī)臺(tái)的三通連接件移除，節(jié)省了一定的清理時(shí)間。

②目前的模具管理跟蹤方法需要大量的紙質(zhì)文件且不是實(shí)時(shí)的。故加強(qiáng)對(duì)模具架的目視化管理，引進(jìn)新的無(wú)線掃描方法優(yōu)化模具定位，與MES 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)使模具位置記錄更加簡(jiǎn)單和方便。

③內(nèi)部作業(yè)中，清理堵塞等操作是非增值作業(yè)，通過(guò)培養(yǎng)全員生產(chǎn)維護(hù)與5S 自檢意識(shí)，將整理清潔等工作細(xì)化到日常生產(chǎn)過(guò)程維護(hù)中。

④針對(duì)調(diào)機(jī)械手的時(shí)間比較長(zhǎng)的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)建立了機(jī)械手夾具制作-儲(chǔ)存-使用流程，完善和標(biāo)準(zhǔn)化管理流程，并通過(guò)舉辦夾具競(jìng)賽和操作培訓(xùn)來(lái)縮短調(diào)試時(shí)間。

4.2 調(diào)參過(guò)程優(yōu)化

更換模具后，需要調(diào)整注塑參數(shù)并試生產(chǎn)，這一過(guò)程需要現(xiàn)場(chǎng)的不斷調(diào)試，且參數(shù)范圍波動(dòng)較大，造成時(shí)間和材料浪費(fèi)。田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種經(jīng)濟(jì)高效、響應(yīng)迅速的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)并借助Moldflow 軟件的模擬功能，利用極值差分析法確定信噪比和參數(shù)的最佳組合，以減少原料浪費(fèi)和換模過(guò)程的調(diào)機(jī)時(shí)間。

4.2.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的翹曲變形是影響整體裝配精度和質(zhì)量的主要因素，因此將減少翹曲變形量作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題較多的產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。以產(chǎn)品X 為例，其尺寸為148.5mm×85mm×16mm，確定出對(duì)膠件翹曲變形影響較大的6 個(gè)因素：模具溫度（A）、熔體溫度（B）、冷卻時(shí)間（C）、保壓壓力（D）、保壓時(shí)間（E）、注射時(shí)間（F），每個(gè)試驗(yàn)因素在合理范圍內(nèi)選擇3 個(gè)水平如表3 所示。

表3 因素水平表

采用田口實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行了3 水平6 因子L27（36）的正交試驗(yàn)，利用Moldflow 軟件對(duì)27 組工藝參數(shù)進(jìn)行模擬仿真，得到27 組翹曲量數(shù)值。對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)健參數(shù)設(shè)計(jì)，期望翹曲變形量越小越好，故響應(yīng)變量為望小型。根據(jù)信噪比公式（1）計(jì)算出翹曲量對(duì)應(yīng)的信噪比值。

其中，S/N 為信噪比，n 為試驗(yàn)次數(shù)，yi為第i 次試驗(yàn)結(jié)果，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4 所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果與信噪比

4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

用極差分析方法對(duì)田口試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到試驗(yàn)因素對(duì)翹曲量指標(biāo)的影響趨勢(shì)，得到各工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形量的影響程度，如表5 所示。

表5 信噪比響應(yīng)表

信噪比極差越大該因素水平變動(dòng)對(duì)翹曲度產(chǎn)生影響越大，所以按照極差進(jìn)行排序，得到各因素水平值的變動(dòng)對(duì)于產(chǎn)品穩(wěn)健性產(chǎn)生的影響大小。其中，保壓壓力>保壓時(shí)間>模具溫度>注射時(shí)間>熔體溫度>冷卻時(shí)間。最優(yōu)參數(shù)組合為模具溫度50℃，熔體溫度240℃，冷卻時(shí)間為15s，保壓壓力為50MPa，保壓時(shí)間為14s，注射時(shí)間為1.5s。

通過(guò)對(duì)注塑工藝參數(shù)優(yōu)化，減少了設(shè)備占用時(shí)間和原材料消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。參數(shù)改進(jìn)后的調(diào)試不良品約3 件，較改進(jìn)前減少7 件，最終將調(diào)參階段參數(shù)調(diào)試時(shí)間降低至100 秒，調(diào)參階段停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)通過(guò)優(yōu)化降低了50%。

4.3 改善效果

該階段以標(biāo)準(zhǔn)化換模流程和縮小調(diào)試參數(shù)范圍為兩大支柱，形成了以“PDCA 循環(huán)”為輔助工具的持續(xù)改進(jìn)體系，并將機(jī)器調(diào)試和故障停機(jī)時(shí)間通過(guò)與MES 系統(tǒng)連接實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)記錄，以支持管理過(guò)程分析。改善后25 噸注塑機(jī)的平均換模時(shí)間由原來(lái)的39 分鐘降低到25 分鐘，內(nèi)部作業(yè)時(shí)間由原來(lái)29 分鐘縮短至15 分鐘，停機(jī)時(shí)間縮短48.2%，如表1 改善后所示。

5 控制階段（Control）

MT 公司搭建基于Power Bi 的可視化管理平臺(tái)以保障改善效果。利用SQL 查詢，建立數(shù)據(jù)源并從MES 系統(tǒng)中提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，包括換模時(shí)間、模具型號(hào)、調(diào)機(jī)員、換模中斷情況等。通過(guò)Power Bi 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和報(bào)表構(gòu)建功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析，并利用Power View 功能構(gòu)建不同分析模塊的可視化界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢和交互式分析。在注塑車間應(yīng)用可視化管理板，通過(guò)觸屏來(lái)查看換模過(guò)程的詳細(xì)信息，并在每日例會(huì)中通過(guò)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給出采取必要行動(dòng)的信號(hào)，縮短問(wèn)題響應(yīng)時(shí)間。此外，公司還組織相關(guān)培訓(xùn)并建立學(xué)習(xí)型組織，通過(guò)加強(qiáng)精益六西格瑪?shù)南嚓P(guān)培訓(xùn)和教育，在公司內(nèi)部形成了統(tǒng)一的思想意識(shí)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文將精益生產(chǎn)中的DMAIC 方法和快速換模相結(jié)合應(yīng)用于MT 玩具公司的注塑生產(chǎn)線，通過(guò)對(duì)換模流程的研究，采取一系列改進(jìn)措施縮短內(nèi)外部作業(yè)時(shí)間，基于田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)定量?jī)?yōu)化了參數(shù)調(diào)試時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了模具快速切換。從應(yīng)用效果來(lái)看，它提高了換模效率和整體設(shè)備效率，使生產(chǎn)運(yùn)行更加穩(wěn)定。該研究為優(yōu)化同類型注塑車間的換模時(shí)間奠定了一定的基礎(chǔ)。