李姣， 李強(qiáng)， 劉峰

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201804）

0 引言

六西格瑪誕生于全面質(zhì)量管理蓬勃發(fā)展的20世紀(jì)80年代，是對全面質(zhì)量管理特別是質(zhì)量改進(jìn)理論的繼承和新發(fā)展[1]。1987年摩托羅拉（Motorola）公司全面推行六西格瑪（Six Sigma），點(diǎn)燃了六西格瑪管理的火種。1995年美國通用電氣首席執(zhí)行官杰克·韋爾奇（Jack Welch）帶領(lǐng)公司開始了六西格瑪管理[2-3]。在實踐中，六西格瑪不再僅是一種質(zhì)量改進(jìn)的方法，而是已經(jīng)發(fā)展成為可以使企業(yè)保持持續(xù)改進(jìn)，增強(qiáng)綜合領(lǐng)導(dǎo)能力、不斷提高顧客滿意度及經(jīng)營績效并帶來巨大利潤的一整套管理理念和系統(tǒng)方法。

為實施全面質(zhì)量管理戰(zhàn)略[4-5]，六西格瑪設(shè)計（Design for Six Sigma,DFSS）在汽車行業(yè)廣泛運(yùn)用。DFSS流程分為4個階段（IDOV），依次為識別階段、設(shè)計階段、優(yōu)化階段和驗證階段。每個階段都有豐富的質(zhì)量工具幫助分析問題和指導(dǎo)設(shè)計。

圖1 解決張緊器轉(zhuǎn)矩衰減問題的IDOV圖

本文運(yùn)用六西格瑪設(shè)計方法解決某款汽車發(fā)動機(jī)正時液壓張緊器轉(zhuǎn)矩衰減量過大的問題，項目流程及運(yùn)用到的主要工具如圖1所示。首先項目識別階段分析客戶聲音（VOC）和客戶需求，建立第一個質(zhì)量屋[6]，然后設(shè)計階段建立第二個質(zhì)量屋，完成試驗設(shè)計（DOE），獲得轉(zhuǎn)移函數(shù)（Transfer Function）。優(yōu)化階段進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計（Robust Design）、公差帶分析（Tolerance Allocation）等，驗證階段完成敏感性分析（Sensitivity Analysis）和結(jié)果驗證。每個階段最后還都需要完成記分卡（Scorecard）。最終的驗證結(jié)果如果能夠滿足客戶需求和達(dá)到目標(biāo)，則項目結(jié)束，最后做好經(jīng)驗學(xué)習(xí)和總結(jié)活動[7]。

1 項目識別階段（Identify Phase）

某汽車發(fā)動機(jī)的正時張緊器在使用發(fā)生漏油、噪聲和其他形式的失效，其中漏油最為主要（見圖2），導(dǎo)致公司索賠成本顯著增加。為解決漏油問題采取了提高張緊器的擰緊轉(zhuǎn)矩的緊急措施，但是發(fā)動機(jī)張緊器在熱試后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩衰減超過30%，Cpk僅有-0.23，遠(yuǎn)不能達(dá)到質(zhì)量要求。

按照客戶需求的優(yōu)先級，由高到低分別為：漏油和轉(zhuǎn)矩衰減，即在消除最終客戶漏油抱怨前提下，最大程度解決內(nèi)部客戶（發(fā)動機(jī)廠質(zhì)保）所提出的轉(zhuǎn)矩衰減過大問題。首先建立第一個質(zhì)量屋（表1），把客戶需求轉(zhuǎn)換為能夠測量的轉(zhuǎn)矩衰減量、墊片壓縮率和夾緊力。由于布置應(yīng)變片測量液壓張緊器夾緊力所需費(fèi)用大，不適宜做多輪試驗，且在生產(chǎn)線測量和控制方面也存在困難，因此不予考慮。通過第一個質(zhì)量屋，得到關(guān)鍵控制變量轉(zhuǎn)矩衰減量和墊片壓縮率，且墊片壓縮率重要性更高。

圖2 張緊器失效頻次帕雷特圖

表1 質(zhì)量屋#1

2 項目設(shè)計階段（Design Phase）

使用Pugh概念選擇方法，對比轉(zhuǎn)矩法控制和初始轉(zhuǎn)矩加轉(zhuǎn)角法控制兩種方法的優(yōu)劣，從保持夾緊力一致性和防止漏油等方面綜合考慮，選擇初始轉(zhuǎn)矩加轉(zhuǎn)角控制的方法。

運(yùn)用因果圖分析各因子對轉(zhuǎn)矩和預(yù)緊力的影響，如圖3所示。影響轉(zhuǎn)矩的因子主要來自4個方面：張緊器、墊片、缸蓋安裝孔和安裝方法。再細(xì)分每個影響因子，并把每個細(xì)分的因子分三類性質(zhì)，噪聲（N-Noise）、變量（X）和常量（C-Constant）。諸如螺紋質(zhì)量、毛刺和清潔度等因子，對轉(zhuǎn)矩和預(yù)緊力結(jié)果有影響，但是不受控制的，屬于噪聲性質(zhì)的因子。墊片材料和轉(zhuǎn)矩槍旋轉(zhuǎn)角度兩個因子在試驗設(shè)計（DOE）中有變化，屬于變量性質(zhì)的因子。諸如張緊器外徑，安裝時不使用潤滑劑，僅使用1次，墊片的尺寸和缸蓋安裝孔的尺寸，還有轉(zhuǎn)矩槍等因子，在試驗設(shè)計時必須保持一致，屬于常量因子。

圖3 因果圖

表2 質(zhì)量屋#2

根據(jù)上面的因果圖分析結(jié)果，建立第二個質(zhì)量屋（表2），將關(guān)鍵控制變量轉(zhuǎn)矩衰減量和墊片壓縮率轉(zhuǎn)化為對應(yīng)關(guān)鍵控制參數(shù)墊片材料和旋轉(zhuǎn)角度，其中后者更為重要。

在試驗設(shè)計前需要進(jìn)行測量系統(tǒng)分析（MSA）[8]，確認(rèn)是否合格。以游標(biāo)卡尺測量使用后的墊片厚度的測量系統(tǒng)為例，分析結(jié)果如下。

2.1 方差

在墊片厚度測量系統(tǒng)中，零件本身方差占98.43%，是最主要的貢獻(xiàn)，重復(fù)性方差和再現(xiàn)性方差貢獻(xiàn)度分別僅為1.3%和0.27%（如圖4）。各方差滿足下面公式，它們的貢獻(xiàn)度（%Contribution）是各方差占總方差的百分比：

式中為總體方差；為測量系統(tǒng)方差為零件方差為重復(fù)性方差為再現(xiàn)性方差為操作人員方差為零件和操作人員交互作用方差。

圖4 使用后墊片厚度測量系統(tǒng)方差貢獻(xiàn)度圖

2.2 測量系統(tǒng)有三個主要的評價準(zhǔn)則

經(jīng)過分析使用后墊片厚度測量系統(tǒng)P/TOL=0.13,Resolution=11.2，基本滿足評價準(zhǔn)則要求。P/TOL還可以優(yōu)化，加強(qiáng)操作人員培訓(xùn)，提高復(fù)現(xiàn)性。

受試驗資源的限制，試驗設(shè)計時選擇2因子2水平，且每個試驗條件下完成4組，一共16組試驗，同時用發(fā)動機(jī)靜置24 h的轉(zhuǎn)矩衰減情況替代發(fā)動機(jī)熱試后的轉(zhuǎn)矩衰減。由于信息不足，墊片材料變量選為定性變量；旋轉(zhuǎn)角度作為定量變量，且低水平和高水平的跨度選擇盡可能大。擬合墊片壓縮率和轉(zhuǎn)矩衰減量回歸結(jié)果如下：

1）分析評估回歸的顯著性。如果P值<0.05，則說明該因子是重要的[9]。對于墊片壓縮率模型，墊片材料和旋轉(zhuǎn)角度P值都小于0.05，兩個都是主效應(yīng)；對于轉(zhuǎn)矩衰減量模型，墊片材料、旋轉(zhuǎn)角度和兩者的交互作用P值分別為0.0001，0.0057和0.0012，全部都是主效應(yīng)。

2）分析評估回歸的總效果。墊片壓縮率模型R2值和R2調(diào)整值分別為0.88和0.86，轉(zhuǎn)矩衰減量模型R2值和R2調(diào)整值分別為0.92和0.89，表明兩個模型回歸較好。

3）對于預(yù)測結(jié)果的估計。如果F值大于6或SigF值小于0.05，則說明模型的較強(qiáng)的預(yù)測性[10]。兩個模型的預(yù)測能力均滿足上述要求。

4）分析評估誤差。對于2水平的誤差s值模型，由于自由度問題不能進(jìn)行統(tǒng)計驗證，所以不能給出P值。如果因子系數(shù)大于常數(shù)的一半，則認(rèn)為效應(yīng)明顯[11]。對于墊片壓縮率和轉(zhuǎn)矩衰減量兩個s模型，其因子系數(shù)均小于常數(shù)的一半，所以不存在主效應(yīng)因子。

3 項目優(yōu)化階段（Optimization Phase）

通過優(yōu)化器得到結(jié)果是：墊片材料#1和轉(zhuǎn)角25°。穩(wěn)健設(shè)計結(jié)果如圖5。公差帶分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)角公差的縮緊50%Sigma或放松50%Sigma對于墊片壓縮率和轉(zhuǎn)矩衰減量的dpm（defects per million）的貢獻(xiàn)都不足1%，影響都很小，轉(zhuǎn)角設(shè)計穩(wěn)健[12]（注：由于墊片材料為定性變量，不能進(jìn)行公差帶量化分析）。

圖5 墊片壓縮率和轉(zhuǎn)矩衰減量穩(wěn)健設(shè)計

4 項目驗證階段（Validation Phase）

敏感性分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)角均值的移動1.5Sigma，墊片壓縮率和轉(zhuǎn)矩衰減量dpm變化分別23%和14%；轉(zhuǎn)角標(biāo)準(zhǔn)差的波動50%，壓縮率和衰減量dpm變化都小于1%，再次證明了轉(zhuǎn)角的穩(wěn)健設(shè)計。根據(jù)樣本量計算（sample size）結(jié)果，將優(yōu)化的墊片材料#1和轉(zhuǎn)矩槍25°轉(zhuǎn)角應(yīng)用到生產(chǎn)線，用樣本預(yù)估總體，獲得關(guān)鍵控制變量均值估計95%置信區(qū)間：墊片壓縮率均值4±1%；轉(zhuǎn)矩衰減量均值13.7±5%。

5 結(jié)語

重新設(shè)計了墊片材料和轉(zhuǎn)角工藝，基本解決了正時張緊器漏油和轉(zhuǎn)矩衰減量過大的問題，找到了合適的墊片壓縮率區(qū)間3%～5%。雖然轉(zhuǎn)矩衰減量的均值變小，但衰減量的波動依然較大，所以還有優(yōu)化的空間。下一步，計劃從新涂層墊片的硬度和熱處理工藝等方面考慮，量化墊片材料因子，降低轉(zhuǎn)矩衰減量標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)一步提高Cpk。

六西格瑪設(shè)計的IDOV包含有許多技術(shù)創(chuàng)新方法[13]，本文僅使用了質(zhì)量屋（HOQ）、測量系統(tǒng)分析（MSA）、試驗設(shè)計（DOE）和公差分析等工具[14]，還有QFD，TRIZ，田口方法等重要工具[14]，因此六西格瑪設(shè)計是一個強(qiáng)大的產(chǎn)品設(shè)計和質(zhì)量控制工具。企業(yè)研發(fā)人員，制造工程師和管理人員都可學(xué)習(xí)和掌握該工具，并應(yīng)用到實際的工作中[15]，讓質(zhì)量成為我國自主品牌汽車產(chǎn)品的優(yōu)勢。

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