祝世興 ，胡 興 ，郝 杰

（1.中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300；2.北京飛機維修工程有限公司，北京 100621）

在航空發(fā)動機大修的裝配環(huán)節(jié)，測量零件尺寸的工序極其廣泛，裝配質(zhì)量的優(yōu)劣在很大程度上取決于所使用的數(shù)據(jù)的質(zhì)量，而數(shù)據(jù)的獲取則是通過測量系統(tǒng)實現(xiàn)的。在對被測對象賦予數(shù)值的測量過程中，人員、儀器或量具、測量對象、操作方法和環(huán)境共同構(gòu)成了測量系統(tǒng)[1-2]。測量系統(tǒng)分析MSA是AS9100航空航天質(zhì)量管理體系中重要的測量過程控制技術(shù)，是指運用統(tǒng)計學(xué)的方法對測量系統(tǒng)的偏倚、線性、穩(wěn)定性、重復(fù)性和再現(xiàn)性5項變差指標(biāo)進(jìn)行評估，在合適的特性位置測量正確的參數(shù)，了解影響測量結(jié)果的變差組成及其比例，并確認(rèn)測量系統(tǒng)是否符合工程需求[3]。

在影響產(chǎn)品質(zhì)量特征值變異的6個基本質(zhì)量因素（人、機、料、法、環(huán)、測）中，測量因素對工序質(zhì)量特征值的影響?yīng)毩⒂谄渌?種因素綜合作用的工序過程，這就使得測量系統(tǒng)可進(jìn)行單獨研究[4]。正確的測量是質(zhì)量提升的第一步，如果沒有科學(xué)的測量系統(tǒng)評價方法，就會缺少對測量系統(tǒng)的有效控制，質(zhì)量改進(jìn)就失去了基本的前提。為此，實施MSA就成了企業(yè)實現(xiàn)持續(xù)質(zhì)量改進(jìn)的必經(jīng)之路?；谏鲜隹紤]，本文選取航空發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子裝配中的尺寸測量過程，進(jìn)行MSA研究，利用線性回歸和方差分析處理實際測量數(shù)據(jù)，再根據(jù)測量系統(tǒng)合格判定準(zhǔn)則，確定測量系統(tǒng)的性能狀態(tài)。

1 測量系統(tǒng)分析概述

實施MSA的目的是分析測量系統(tǒng)的變差是否滿足要求，在測量系統(tǒng)各類變差中，偏倚、線性和穩(wěn)定性表征位置變差。偏倚（bias）是指測量過程的樣本均值與參考值之間的差異；線性（linearity）是指在測量設(shè)備的工作量程內(nèi)，偏倚值的差異，可被視為在不同的量程上偏倚的變化；表征寬度變差的指標(biāo)有重復(fù)性和再現(xiàn)性，重復(fù)性（repeatability）是指在確定的測量條件下由同一個操作者使用同樣的測量設(shè)備對同一零件進(jìn)行多次測量的差異程度，它反映了測量系統(tǒng)自身的變異；再現(xiàn)性（reproducibility）是由不同的測量者使用相同的測量設(shè)備對同一零件進(jìn)行測量所得的平均值的誤差[5]。

2 MSA應(yīng)用實例

2.1 偏倚和線性分析

圖1所示為V2500-A5發(fā)動機的高壓渦輪1級轂。該高壓渦輪轂采用鎳單晶高溫合金，具有優(yōu)異的綜合性能。高壓渦輪轂的內(nèi)側(cè)加工有微鍵槽，與高壓壓氣機后軸連接；端部的64處凸耳與外空氣封嚴(yán)盤配合，并有部分高壓壓氣機排出氣流從凸耳間流過；輪緣部分加工有榫槽，用于安裝高壓渦輪1級轉(zhuǎn)子葉片。

由V2500發(fā)動機手冊第72章高壓渦輪1級轂的相關(guān)內(nèi)容可知，檢查章節(jié)SUBTASK 72-45-11-220-056/057要求在裝配前對圖2所示的幾處重要配合面尺寸進(jìn)行測量并記錄，以確認(rèn)該高壓渦輪轂是否可用，以及在裝配后計算配合尺寸。

圖1 V2500-A5發(fā)動機高壓渦輪1級轂Fig.1 V2500-A5 HPT stage 1 hub

圖2 高壓渦輪1級轂尺寸示意Fig.2 Dimension drawing of HPT stage 1 hub

由于高壓渦輪1級轂的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且尺寸精度要求高，故采用三坐標(biāo)測量機測量其尺寸。為驗證三坐標(biāo)測量機的測量過程處于受控狀態(tài)，可通過MSA方法評估其技術(shù)狀態(tài)。高壓渦輪1級轂的1550、2246等5處尺寸在量程內(nèi)合理分布，可由此進(jìn)行偏倚和線性分析，每處尺寸沿周向各取20個點，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

以1501處的尺寸為樣本進(jìn)行偏倚分析，測量數(shù)據(jù)分布的直方圖如圖3所示。

由直方圖可見，測量數(shù)據(jù)分布未見異常，進(jìn)一步分析偏倚值，求出以下統(tǒng)計量，進(jìn)行判斷，結(jié)果如表2所示。

對比P值與選定的顯著性水平α，由表2可知，P值大于顯著性水平0.05，根據(jù)t統(tǒng)計量計算顯著性水平下偏倚的置信區(qū)間[1]：

表1 V2500-A5發(fā)動機高壓渦輪1級轂測量結(jié)果Tab.1 Measurement data of V2500-A5 HPT stage 1 hub

圖3 測量數(shù)據(jù)直方圖Fig.3 Histogram of measurement data

表2 1501尺寸偏倚分析結(jié)果Tab.2 Bias analysis result of dimension 1501

求得置信區(qū)間為 （-0.01320，0.01450），可知0位于95%置信區(qū)間內(nèi)，則認(rèn)為偏倚是可接受的。同理對其他4處測量結(jié)果進(jìn)行分析，偏倚均可接受。

進(jìn)一步對測量數(shù)據(jù)運用Minitab軟件進(jìn)行線性分析，求出量具的最佳回歸直線并對樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行估計，統(tǒng)計量分析結(jié)果如表3所示。

表3 量具線性分析統(tǒng)計量Tab.3 Statistics of gage linearity analysis

圖4所示為測量結(jié)果的線性回歸分析圖，圖中繪出了平均偏倚值的回歸直線、95%置信區(qū)間帶和偏倚為0的水平線。

圖4 量具線性分析圖Fig.4 Diagram of gage linearity analysis

由表3的分析結(jié)果可知，測量結(jié)果的線性回歸擬合方程是 y（偏倚）=-0.001638+0.00000781x，斜率和截距接近0，且結(jié)合圖4可以看出，回歸直線和偏倚為0的水平線均位于95%置信區(qū)間帶中，說明測量系統(tǒng)的線性狀態(tài)良好，這也是較為理想的情形。但結(jié)果中決定系數(shù)偏小，說明線性模型可能不適合所采集的數(shù)據(jù)。

2.2 重復(fù)性和再現(xiàn)性分析

高壓渦輪2級轉(zhuǎn)子葉片需要由檢驗組測量某個尺寸，由于原廠長度各不相同，需逐個測量。由兩位檢驗員選擇15個葉片進(jìn)行測量，取這批葉片原廠長度的平均值5.551作為參考值。每位檢驗員分別對每個葉片測量2次，記錄數(shù)據(jù)如表4所示。

由Minitab軟件對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)性和再現(xiàn)性分析，所得結(jié)論如圖5、圖6、表5、表6所示。

表4 高壓渦輪2級轉(zhuǎn)葉測量結(jié)果Tab.4 Measurement data of HPT stage 2 blade

圖5 變差分量百分比Fig.5 Percentage of SOV

表5 量具重復(fù)性和再現(xiàn)性的變差分量統(tǒng)計Tab.5 SOV statistics of gage repeatability and reproducibility

圖5所示的變差分量百分比圖表示各變差因素的貢獻(xiàn)百分比、研究變差百分比和公差百分比。表6所示為具體統(tǒng)計值。

圖6 測量結(jié)果均值、極差控制圖Fig.6 Mean and range control diagram of measurement data

表6 量具重復(fù)性和再現(xiàn)性分析標(biāo)準(zhǔn)差Tab.6 Standard diviation of gage repeatability and reproducibility

圖6為測量結(jié)果的均值和極差控制圖，通常組合使用。均值圖用于操作者之間的比較以及每個操作者與總體平均值的比較[3]，當(dāng)圖中越多的點超出控制限，表明過程實際的波動越大，結(jié)合表5，部件間的百分研究變差達(dá)98%，說明隨機誤差為唯一變差來源。極差圖用來比較操作者之間的變差大小，數(shù)據(jù)點大多數(shù)應(yīng)落在控制限以內(nèi)，此外，控制限的寬度能反映重復(fù)性誤差的大小，控制限越寬，則重復(fù)性誤差越大，應(yīng)從測量裝置或操作者本身分析問題來源。

結(jié)合圖5和表6結(jié)果可知，測量系統(tǒng)變差主要來源于零件間的差異，即原廠值差異較大。又由文獻(xiàn)[3]中測量系統(tǒng)合格判定標(biāo)準(zhǔn)可知，上述結(jié)果中量具重復(fù)性和再現(xiàn)性的百分研究變差為19.70%，位于10%～30%之間，且可區(qū)分類別數(shù)ndc=7>5，它反映了測量系統(tǒng)的分辨力[7]。綜上，測量系統(tǒng)是可以接受的。

3 結(jié)語

通過對三坐標(biāo)測量機測量高壓渦輪1級轂的結(jié)果進(jìn)行偏倚和線性分析后可知，測量儀器偏倚可控，線性狀態(tài)良好，但線性回歸結(jié)果的擬合優(yōu)度偏低，需進(jìn)一步研究取樣方法對線性分析結(jié)果的影響。

利用均值極差法對高壓渦輪2級轉(zhuǎn)子葉片測量結(jié)果進(jìn)行重復(fù)性和再現(xiàn)性分析，所得結(jié)果顯示變差主要來源于零件間，是由于該尺寸的原廠值存在較大的差異。量具R&R變差中重復(fù)性變差較高，需要操作者改善測量方法，注意測量過程的規(guī)范性。

通過MSA方法科學(xué)合理地分析測量系統(tǒng)的各項評估項目，為企業(yè)持續(xù)質(zhì)量改進(jìn)指明了新的方向，并能結(jié)合Minitab統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行MSA操作，直接解決實際問題，避免了手工方式進(jìn)行統(tǒng)計分析計算費時費力、誤差較大和功能有限的缺點。軟件覆蓋了MSA的所有統(tǒng)計分析類型和其他統(tǒng)計學(xué)功能，并能繪制各種統(tǒng)計圖形，數(shù)據(jù)分析結(jié)果直觀形象，給MSA方法在生產(chǎn)現(xiàn)場的推廣帶來便利。

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