基于六西格玛的玻璃钢零件端头纤维损伤技术及应用
摘要：玻璃钢材料零件进行机械加工后,在零件端头容易出现纤维损伤的情况。针对玻璃钢零件端头纤维损伤的问题,运用六西格玛管理方法,并利用事实和数据驱动业务流程的改进方法分析了玻璃钢零件端头纤维损伤的问题,找出了问题的主要原因,并对主要原因采取控制措施,从而达到了解决玻璃钢零件端头纤维损伤的目的,促进了玻璃钢零件质量的持续提升。
本文源自工具技术,2020,54(09):72-74.《工具技术》(月刊)创刊于1964年，是成都工具研究所主办的切削与测量工程综合性技术刊物，本刊已被国内外有关机构认定为中文核心期刊、中国科技论文统计用刊、中国学术期刊(光盘版)入编期刊等，并多次荣获四川省和机械工业部优秀科技期刊奖。
1、引言
玻璃钢材料因轻质高强、耐腐蚀、热性能良好等优点,被广泛应用于现代制造行业。玻璃钢作为一种玻璃纤维增强复合材料,因具有质量轻、硬度高、不导电、性能稳定、机械强度高和耐腐蚀等特点,被广泛应用于现代制造行业。
在现阶段,我国玻璃钢材料行业面临一个新的大发展时期,如城市化进程中的市政建设、新能源的利用、汽车工业的发展和大飞机项目等。
在现代加工中,需要不同结构、不同形状的零件来满足装配功能的需求,因此需要对玻璃钢零件进行机械加工。但玻璃钢零件的机械加工中易出现端头纤维损伤的问题,而有效解决玻璃钢零件端头纤维损伤是提升玻璃钢零件质量的关键环节。本文采用六西格玛方法,以对玻璃钢零件端头纤维损伤的质量改进为例,对六西格玛在现场技术问题中的应用和实施进行分析。
2、项目实施过程
2.1项目内容
2018年8月至2019年2月,XX图号的玻璃钢零件共生产56件,端头斜面出现纤维损伤的零件共计34件,不合格率高达60.7%。其中,纤维损伤区域长度超过20mm的零件共29件,占总不合格零件的85.3%,严重影响了零件交付,因而急需改进。
将XX图号的玻璃钢零件端头斜面纤维损伤区域长度超过20mm的DPMO从517771降低到103554(改善80%)设定为改善目标。
以数据为项目基础,通过对出现纤维损伤区域的零件进行调查,发现损伤区域长度大于20mm的零件占总不合格零件的85.3%,从而确定了缺陷定义:零件纤维损伤区域长度大于20mm即为缺陷(见图1)。
图1缺陷定义
2.2原因分析
运用因果图法能快速分析得出玻璃钢零件端头斜面产生纤维损伤的根本原因,具有简捷实用、深入直观的特点。将影响问题的特性因素与特性值按相互关联性进行整理,并标出重要因素,形成层次分明、条理清楚的因果图(见图2)。
由图可以看出,影响玻璃钢零件端头斜面纤维损伤区域长度超过20mm的主要原因为X1装夹方式、X2粗加工余量、X3加工顺序和X4保护方式,其中关键原因为X2粗加工余量和X3加工顺序。
图2因果图
2.3机理分析
机理分析是通过对系统内部原因进行分析研究,从而找出其发展变化规律的一种科学研究方法。
(1)粗加工余量机理分析
通过机理分析可论证X2粗加工余量是否为纤维损伤区域长度>20mm的关键因素。粗加工余量机理分析见图3。
图3粗加工余量机理分析
依据零件毛坯与工装的关系量可得A=7,计算可得C1=A/sinθ=7/0.4=17.5,B1=A/tanθ=7/0.43=16.28。
以上计算表明:小斜面粗加工后余料的最小厚度为0,无法满足余料下断和未铣开出的连接强度要求,导致小斜面区域产生严重振动,零件弹刀。
根据模型可得出:要使B>0,则需C=C1-(B1-B)cosθ,由此可计算出C>2.52。根据材料厚度及加工强度分析,为避免产生弹刀,经过现场测试,4.3
(2)加工顺序机理分析
通过加工顺序机理分析可论证X3加工顺序是否为纤维损伤区域长度>20mm的关键因素。加工顺序机理分析见图4。
由机理分析可知:X2粗加工余量、X3加工顺序是影响纤维损伤区域长度>20mm的关键因素。
图4加工顺序机理分析
2.4项目改进
通过对玻璃钢零件的加工流程进行梳理,发现和改进加工流程中存在的问题,进一步完善加工流程。改进前后的流程见图5。
图5改进前后的流程
项目改进过程中,大量采用了流程分析、测量系统分析、风险分析和假设检验等六西格玛的工具和方法,分析出粗加工余量、加工顺序是关键因素。具体的项目改善点如下:
①优化粗加工余量。改进前,粗加工余量C=2mm,余量不足,损伤区域长度超大。从粗加工余量的拟合线图可得,粗加工余量应大于4.3mm。因粗加工余量太大易引起加工时刀具崩刃,经过现场试验,粗加工余量应小于5.8mm,粗加工余量应控制在4.3～5.8mm为宜。将粗加工余量加大到4.3～5.8mm后,损伤区域长度尺寸显著减小;
②优化加工顺序。改进前,先加工其余部位再加工小斜面,加工顺序不合格,导致损伤区域长度尺寸波动较大。通过更改加工顺序,先加工端头小斜面再加工其余部位,减小损伤区域长度尺寸,同时损伤区域长度的波动也得到明显改善。
根据改进要点,在流程中“增加粗加工余量”、“更改加工顺序”环节。完善项目后,对关键因素进行控制才能保持改进后的效果,为此,需形成规范标准作为工作准则。将流程标准化能有效控制关键因素,项目的控制计划见表1。从控制计划改进后的损伤区域长度尺寸I-MR控制图可知:所有点都受控;随着项目DM、A、IC阶段的推进,损伤区域长度尺寸的波动减小;IC阶段可控,均值接近目标值。
表1流程控制计划数据单
改进并完善关键的X2粗加工余量和X3加工顺序因素后,项目的改进情况对比见图6。由图可知,项目的改进控制阶段完成情况较好。
图6零件纤维损伤区域长度的时间序列
在项目改进后进一步收集数据,项目的DPMO从517771降至9387,改善98.1%,完成预设目标。
在对关键因素“粗加工余量”、“加工顺序”进行改进后,应事先评估改进关键因素可能带来的各种风险。运用FMEA风险分析方法对项目进行风险分析,分析结果见表2。由表可知,RPN<120,属于低风险。
2.5项目成果推广
复合材料零件被广泛应用在现代制造企业,因此该项目具有可推广性。目前已在其余玻璃钢材料零件出现纤维损伤的控制流程中进行推广,下一步可推广至其他复合材料类型零件成型后出现斜面纤维损伤的控制流程。
3、结语
六西格玛管理是一种高效的质量改进方法,数据准确,将生产能力、缺陷和执行力等均量化为数据。在实践过程中需要根据项目的实际情况不断进行相应地改进,将理论与实际融会贯通,才能使这套高效的质量改进方法发挥出全部作用。
表2FMEA分析
六西格玛管理方法还需在生产过程中持续实施,并将成果融入体系、标准和规范之中,才能固化成果和稳步提升实际的质量水平。
参考文献：
[1]唐晓芬.形成中国特色的六西格玛[N].中国质量报,2003-11-21.
[2]董小林,于丹.六西格玛管理理论简介[J].中国证券期货,2011(12):259.
[3]何桢.六西格玛绿带手册[M].北京:中国人民大学出版社,2011.
[4]刘成.精益六西格玛实战[M].上海:学林出版社,2007.
[5]穆惠民,袁海荣,穆泽华.玻璃钢加工全套技术[M].北京:化学工业出版社,2011.
[6]穆惠民,袁海荣,穆泽华.玻璃钢机械加工[M].北京:化学工业出版社,2007.
[7]邹宁宁.玻璃钢制品手工成型工艺[M].北京:化学工业出版社,2006.