中航工業(yè)發(fā)展研究中心

中航工業(yè)精益六西格瑪研究所 趙 兵

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 段愛琴

激光切割是自1990年左右在我國開始引進并逐漸成熟應用的一種激光加工技術，迄今為止，在激光加工領域，仍占據主要市場份額。激光切割工藝的原理是利用經聚焦的高功率密度激光束(聚焦光束直徑一般為0.1～0.2mm)照射工件，照射點材料溫度急劇上升，到達沸點后，材料開始汽化，并形成孔洞。隨著光束與工件的相對移動，最終使材料形成切縫，切縫處熔渣被一定壓力的輔助氣體吹除。因而其主要優(yōu)勢是：非接觸加工，切邊無機械應力，切割速度快，熱影響小，工件變形小，光束無慣性，可實現高速切割，并可在任意地方開始切割或停止切割。一般而言，切割零件的尺寸精度主要取決于切割設備的數控工作臺的機械精度和控制精度，以及零件的特征，采用高精度的切割裝置與控制技術，零件的尺寸精度可達到±0.1mm。激光切割既可用于碳鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金等金屬材料的切割，同時也可用于非金屬材料的切割，既可用于平板零件的切割，也可用于空間三維零件的切割。

目前，可以用于空間三維零件切割的設備有2類：二維(X、Y)編程，Z軸隨動設備；五軸聯動的設備。由于各種條件的限制，目前在我國的實際應用中，廣泛采用二維半設備進行空間三維零件的切割。

采用二維半設備進行空間三維零件的切割存在1個重要限制，即由于不能完全進行法向切割，只能斜切，因而帶來嚴重的切割精度問題。斜切對精度影響可按公式(1)計算，從公式(1)可以發(fā)現這種精度影響：當工件與切割垂直方向的角度越大，影響就越大，切口斜度越大；同時材料厚度越厚，其影響也越大。如果材料厚度為2mm，傾斜角為45°，正背面尺寸差df-b為2mm，這種誤差是激光精密切割難以接受的誤差，即使后續(xù)采用打磨的手段，也很難保證精度。

df-b=δtanα，df-b為正背面尺寸差，δ為材料厚度，α為斜角(見圖1)。

圖1 斜切示意圖Fig.1 General view for bevelling

為了解決該問題，本項目組采用平面工位劃線，轉動工位對線法向切割的方法來滿足空間三維零件切割的形位精度要求(切割流程如圖2所示)。但是在實際應用時，發(fā)現對線切割時輪廓精度波動很大，不能保證其合格率。本項目組采用六西格瑪改進方法對其過程進行了研究，并有效地解決了該問題。

圖2 三維零件的實際切割流程Fig.2 Actual cutting process flow for 3D components

1 研究方法及試驗過程

1.1 六西格瑪改進方法介紹

六西格瑪是一套系統(tǒng)的、集成的業(yè)務改進方法體系，是旨在持續(xù)改進企業(yè)業(yè)務流程，實現客戶滿意的管理方法。它可以實現無缺陷的過程設計(Design for Six Sigma, DFSS)，并對現有過程進行過程界定(Define)、測量(Measure)、分析(Analyze)、改進(Improve)、控制(Control)，簡稱DMAIC流程，消除過程缺陷和無價值作業(yè)，從而提高質量和服務、降低成本、縮短運轉周期，達到客戶完全滿意，增強企業(yè)競爭力。

1.2 試驗過程

本項目的研究采用在激光切割數控機床裝夾1個試驗件，在試驗件給定位置使用低功率激光劃線。然后不移動試驗件位置，利用機床自帶的He-Ne指示光對已劃好的線進行實際測量，記錄實際測量的坐標值，并與原給定坐標值進行對比，通過對二者差值的記錄和處理，研究其實際能達到的精度，并尋求改進方法。圖3為激光頭及重新定位對點示意圖。

本項目對于缺陷的定義為：劃線后每點重新定位精度超過±0.065mm；

測量方法：在激光切割數控機床上測量特征點重新定位坐標與理論坐標的最大差值；

合格率要求：DPMO ＜ 50000。

圖3 激光頭及重新定位對點示意圖Fig.3 Photos for laser head and repositioning

2 研究結果及分析

2.1 現有方法重新定位精度實現能力測量和評估

首先對目前采用的方法滿足重新定位精度需求的能力進行分析。本項目采用目前現有方法、技術和人員設計了一組試驗，精確評估其對重新定位精度的滿足程度。采用時間序列圖分析實際測量的108組試驗結果(如圖4所示)。時間序列圖是一種用于評估一段時間內數據中的模式和行為的工具。時間序列圖根據X軸上均勻的時間間隔在Y軸上顯示觀測值。從圖中可以發(fā)現：重新定位精度Y值波動比較大，最大誤差可達到0.6mm和-0.4mm。這樣的重新定位誤差難以滿足零件整體的精度要求。重新定位精度應該不超過±0.065mm，才能滿足零件整體精度要求。

圖4 現有方法重新定位精度的時間序列圖Fig.4 Time series graph using current method

為了更精確地分析現有方法在滿足重新定位精度需求上的能力，采用質量工具中的能力分析工具，對以上收集到的數據進行能力分析(如圖5)。結果表明，長期能力Z值僅為-0.54，也就是其每百萬的缺陷率達到695000；長期能力是指過程在較長的時期內所表現出的過程輸出波動的大小，過程不僅受到隨機因素的影響，而且受到其他因素的影響。但是從其短期能力來看(短期能力是指過程僅受到隨機因素的影響時，過程輸出波動的大小，它是過程的固有能力)，Z值為0.92，即在目前技術下，如果有很好的控制，每百萬的缺陷率可達到171056，這一數值距離本項目每百萬的缺陷率50000這樣的目標有比較大的差距，因而必須通過改善技術和控制來綜合解決提高重新定位精度這一難題。

2.2 影響重新定位精度的原因分析

首先利用因果圖(或魚刺圖)工具分析影響重新定位精度的可能原因。因果圖是一種揭示過程輸出缺陷或問題與其潛在原因之間關系的圖表，也是表達和分析其因果關系的重要工具和文檔。分析結果表明(如圖6所示)：從材料、設備、人員、方法、測量、環(huán)境等6個方面考量，可能影響到重新定位精度不合格的主要參數有：操作人員的操作技能、劃線方式、對線方式、參照方法、光線以及指示光與激光的重合度等。

圖5 現有方法重新定位精度的長期和短期能力評估Fig.5 Process capability analysis using current method

圖6 用因果圖工具分析影響重新定位精度不合格的主要可能因素Fig.6 Cause and effect graph of possible main factors for repositioning precision

因果圖的結果只是給出了各個可能的影響因素，下面利用假設檢驗這種數學方法詳細分析各個可能因素對于重新定位精度的影響。

(1)利用單因子方差分析各個因素(X)對重新定位精度(Y)均值的影響

首先利用單因子方差分析各個因素(X)對重新定位精度(Y)均值的影響。單因子方差分析是一種比較多個總體的均值的一種假設檢驗方法。單因子方差分析如下所示：

結果表明，所有目前假定的因素(操作者(X3)、劃線方式(X5)等)對重新定位精度(Y)的均值影響都不顯著(P＜0.05)，貢獻率僅分別為2.2%和3.12%。

(2)利用等方差分析各個因素(X)對重新定位精度(Y)標準差的影響

在正態(tài)分布中，表征參量一個是均值，另一個是其標準差。標準差表征了過程的波動性。雖然以上單因子方差分析結果表明，目前的主要因素對均值影響不顯著，但是等方差分析可以知道其對波動性的影響是否顯著。圖7為操作者(X3)、劃線方式(X5)的等方差分析結果。結果表明，操作者(X3)、劃線方式(X5)對于重新定位精度(Y)標準差具有顯著影響(P＜0.05)。而其他因素如光線以及指示光與激光的重合度等對其影響不顯著。

2.3 提高重新定位精度的改善措施

上述研究表明，操作者(X3)、劃線方式(X5)對于重新定位精度(Y)標準差具有顯著影響。對比現有方法可知，操作者(X3)用人眼直接對點，由于操作者判斷標準、觀測位置、以及精神集中程度等諸多不確定性因素的影響，很難減少這種波動性，必須采用受操作者自身因素影響小的技術措施來改善波動。將對線方法由人眼直接對點，改進為CCD攝像頭對點，人根據屏幕上的圖像進行調整(如圖8所示)。

而對于劃線方式(X5)對重新定位精度(Y)標準差的影響，解決方法是使用其波動最小的方法，即采用十字線的方法。

采用這兩種改善方法之后，重新設計一組試驗，從數據上分析改善措施的有效性。表1為改善前后標準差的變化情況。

2.4 改善后重新定位精度的評估及控制措施

圖7 操作者(X 3)、劃線方式(X 5)的等方差分析結果Fig.7 Equal variation test for operator(X 3)and marking method(X 5)

圖8 CCD圖像對點方法Fig.8 CCD image pointing method

表1 改善前后重新定位精度(Y)標準差的變化情況

首先通過時間序列圖來直觀分析改進后的效果。圖9結果表明，在進一步優(yōu)化參數后，所有的定位差值都在規(guī)格線之內。該圖也清楚表明，改進措施對重新定位精度的波動性產生很大影響。進一步利用能力分析方法評估改進后的滿足重新定位精度需求上的能力，結果表明(圖10 改善后重新定位精度的長期能力評估)，其長期能力的Z值達到1.8，也就是其DPMO達到35930，達到了課題的目標，表明改進方法的有效性。

為了在實際應用中更加快捷、方便地應用CCD系統(tǒng)，本項目設計和制造了一套快速插拔的安裝裝置，并且購置安裝了直接屏幕顯示的CCD系統(tǒng)(如圖11所示)。

圖9 改善后重新定位精度的時間序列圖Fig.9 Time series plot for improved repositioning precision

圖10 改善后重新定位精度的長期能力評估Fig.10 Long-term capability for improved repositioning precision

圖11 快速插拔的安裝裝置和直接屏幕顯示的CCD系統(tǒng)Fig.11 Quick pulling installation device and CCD system for direct screen display

3 結論

本項目研究表明：

(1)六西格瑪改進方法和工具是一種現有流程和技術改進的有效手段，可以高效率地發(fā)現問題，解決問題。

(2)解決采用二維半設備進行空間三維零件的切割時，由于斜切產生的切割精度問題，其措施之一是：采用平面工位劃線，轉動工位對線法向切割的方法，來滿足空間三維零件切割的形位精度要求。對于由此產生的重新定位精度問題，通過采用合適的CCD攝像頭，以及采用合適的劃線方法，最終精度可控制在±0.065mm，合格率可控制在96%以上。