李卓明

(德爾福(上海)動力推進系統(tǒng)有限公司，上海 200131)

某款高壓油泵是第二代高壓油泵產品，相比第一代產品，具有供油壓力高、供油壓力平穩(wěn)[1]、密封性能好等特點。但由于其泄壓閥打開壓強比第一代油泵高，通?？梢赃_到350 bar以上，因此該型號油泵的制造過程具有一定的復雜性和不穩(wěn)定性。長期以來，該款高壓油泵的泄壓閥打開壓強測試不良率一直無法降低，這無疑大幅增加了生產成本。對此，本文引入六西格瑪的DMAIC方法對該質量問題進行系統(tǒng)性分析并提出了解決方案。DMAIC是由定義(define)、測量(measure)、分析(analyze)、改進(improve)、控制(control)[2]5個階段構成的過程改進方法，一般用于對現有流程的改進，包括制造過程、服務過程以及工作過程等。

1 定義階段及測量階段

在定義階段，最重要的步驟之一是定義輸入因子X和輸出因子Y。在該質量問題中，首先定義輸出因子Y為高壓油泵泄壓閥打開壓強。該性能參數是評判當發(fā)動機油軌內油壓過高時，油泵能否及時打開泄壓閥以降低系統(tǒng)內的壓力,從而保證系統(tǒng)安全[3]。它是利用EOL設備對油泵進行油壓測試而得到的。具體測試原理是，利用EOL設備在油泵出油口端將測試油液沖入形成密閉空間，然后增大油壓直至打開泄壓閥，同時記錄該瞬時油壓的壓強。明確了輸出因子Y后，利用SIPOC圖和魚骨圖從泄壓閥安裝、出油閥安裝以及泄壓閥打開壓強測試的工藝過程中找到輸入因子X，共計18個，主要包括泄壓閥壓裝精度不足、泄壓閥彈簧彈性系數測量不準確、出油閥組件壓入力過大、泄壓閥打開壓強測試油溫有波動等。

在測量階段，首先需要對輸出因子Y的測量系統(tǒng)進行測量系統(tǒng)分析(MSA)。重復性和再現性(R&R)報告顯示，貢獻比、變異比、公差比和明顯分類數均滿足良好測量系統(tǒng)的要求，表明Y的測量結果真實可信。然后對現階段的輸出因子Y進行過程能力分析，由概率圖可知，概率值P>0.05，表明Y呈正態(tài)分布，而且統(tǒng)計過程控制(SPC)圖上顯示目前加工流程也處于穩(wěn)定狀態(tài)，但過程能力指數(CPK)只有0.61，表明其過程能力不足。為了探尋導致其過程能力不足的原因，利用流程變量圖、因果矩陣、潛在失效模式及后果分析(FMEA)篩選全部的輸入因子，最后根據柏拉圖找出影響Y的兩個重要輸入因子，即泄壓閥彈簧彈性系數測量不準確(X1)和出油閥組件壓入力過大(X2)，并明確了這兩個重要輸入因子的潛在原因，見表1。

表1 重要輸入因子的潛在原因

2 分析階段

首先，對輸入因子X的測量系統(tǒng)進行測量系統(tǒng)分析。由于X2的測量系統(tǒng)是伺服壓力機，已經通過了力/位移的標定，因此本文只對X1的測量系統(tǒng)進行分析。重復性和再現性報告中顯示，貢獻比大于1%，變異比和公差比均大于10%，因此該測量系統(tǒng)的精度偏低，需要進一步優(yōu)化。實際生產中發(fā)現泄壓閥彈簧彈性系數在測量過程中主要存在以下問題：探針端面出現小坑、探針會吸附泄壓閥小球以及零件在工裝中有旋轉空間。因此，優(yōu)化方案以解決上述問題為主，包括：1)把探針頭部改為錐面結構。這樣不僅可以減小受力，避免長時間使用后損壞針頭，其錐面也具有泄壓閥小球的定位功能，可以提高測試位置精度。2)把探針內部做成通孔結構，并在設備上增加氣源，在每次測量完成后向探針中心孔內通氣，避免由于泄壓閥小球吸附在探針端面上而造成測量不準確。3)將下工裝中的零件定位彈簧換成彈性更大的彈簧以增加測量時泵體位置的穩(wěn)固性。優(yōu)化后再次進行測量系統(tǒng)分析，結果顯示其貢獻比、變異比、公差比和明顯分類數均滿足良好測量系統(tǒng)的要求，表明該測量系統(tǒng)的測量結果真實可信。圖1為優(yōu)化前后X1測量系統(tǒng)的R&R報告。

在驗證了X的測量系統(tǒng)之后，就需要運用多變異分析的手段來尋找Y的關鍵輸入因子。多變異分析[4-5]是分析工序過程質量特征值變異規(guī)律的一種重要方法，旨在找出制造過程中的可控及不可控輸入因子對Y的影響，為明確關鍵輸入因子提供統(tǒng)計學依據。其中不可控的噪聲因子[6-7]尤其需要重視，因為這些噪聲因子的變異會長期或不定期地影響流程目標值和變異的大小，導致整個流程不穩(wěn)定。

本文分別從測試班次、測試溫度和測試設備三方面進行噪聲因子分析，逐一排查這三大噪聲因子對Y的影響。首先分析不同測試班次對Y的影響。通過雙方差F檢驗及雙樣本T檢驗，發(fā)現概率值P>0.05，因此判斷不同測試班次不會影響Y。然后分析不同測試溫度對Y的影響。通過雙方差F檢驗及雙樣本T檢驗，發(fā)現概率值P>0.05，因此判斷不同測試溫度也不會影響Y。最后分析不同測試設備對Y的影響。通過等方差檢驗及方差分析，發(fā)現概率值P<0.05，因此判斷不同測試設備會影響Y。根據統(tǒng)計得到了4臺設備的測試均值分別是：EOL 1-1為403.5 bar；EOL 1-2為402.2 bar；EOL 2-1為407.7 bar；EOL 2-2為403.3 bar。其中最大的測試均值為407.7 bar，其余3臺設備的測試均值誤差都在1 bar左右，基本相當。因此，在EOL 2-1的測試程序中設置偏置值為-5bar以解決該噪聲因子對Y的影響。圖2為三大噪聲因子的假設檢驗分析圖。

圖1 優(yōu)化前后X1測量系統(tǒng)的R&R報告

圖2 三大噪聲因子的假設檢驗分析圖

在分析可控輸入因子時，從測量階段篩選出的兩個重要輸入因子入手，逐一排查各個重要輸入因子對Y的影響。

首先分析X1對Y的影響。由于X1中的彈簧彈性系數只是設備的一個過程輸出參數，而其最終輸出參數是彈簧力，因此利用回歸分析的方法研究泄壓閥彈簧力和泄壓閥打開壓強之間的相關性。通過回歸分析發(fā)現決定系數R2為50.4%，且概率值P<0.05，表明泄壓閥彈簧力和泄壓閥打開壓強之間有相關性，會影響Y。另外，根據擬合方程計算得出，當Y=400 bar時(400 bar是該型號油泵泄壓閥打開壓強的工藝規(guī)格中值)，彈簧力Fs=50.1 N，而目前實測的彈簧力均值為50.3 N，由于彈簧力均值的實測值已經很接近擬合理論值，因此可以排除由于彈簧力均值過大或過小對打開壓強的影響。在此基礎上，繼續(xù)研究X1對泄壓閥彈簧力的影響。由于泄壓閥彈簧彈性系數是利用彈簧力參考值和力/位移測量曲線計算得出的，該參考值會直接影響彈性系數測量的準確性，因此在多變異分析中，可以把彈簧力參考值作為X1的替代因子繼續(xù)分析。通過等方差檢驗發(fā)現概率值P<0.05，因此判斷泄壓閥彈簧力參考值會影響泄壓閥彈簧力。由于之前已經證明泄壓閥彈簧力和泄壓閥打開壓強之間有相關性，因此判斷泄壓閥彈簧力參考值也會影響Y，即X1也會影響Y。圖3為X1對Y的回歸分析及等方差檢驗圖。

圖3 X1對Y的回歸分析及等方差檢驗圖

然后分析X2對Y的影響。由于發(fā)現有些泄壓閥打開壓強測試不良件的泄漏測試也不合格，因此通過卡方檢驗的方法研究泄漏值與泄壓閥打開壓強之間有否相關性。通過卡方檢驗發(fā)現概率值P<0.05，表明泄漏值與泄壓閥打開壓強之間有相關性，會影響Y。在此基礎上，繼續(xù)研究X2對泄漏值的影響。通過第一次卡方檢驗發(fā)現概率值P<0.05，表明壓入力與泄漏值之間有相關性，再通過第二和第三次卡方檢驗，明確了兩者相關性成立的前提條件是壓入力Fp≥3.5 kN。由于之前已經證明泄漏值與泄壓閥打開壓強之間有相關性，因此判斷X2也會影響Y。

經過分析階段的科學驗證, 排除了噪聲因子的干擾后發(fā)現,對Y有影響的關鍵輸入因子的確是泄壓閥彈簧彈性系數測量不準確(X1)和出油閥組件壓入力過大(X2)，后續(xù)將對這兩個關鍵輸入因子進行改善。

3 改善階段及控制階段

在改善階段，首先對關鍵輸入因子X1進行改善。將X1分別設定為5個不同的水平再次進行方差分析，分別為：15 N和20 N、15 N和25 N、10 N和25 N、10 N和30 N、5 N和30 N。通過觀察各個水平的標準差大小來選擇最佳設置值。最后發(fā)現泄壓閥彈簧力參考值5 N和30 N的標準差為0.298，是5個水平中最小的，因此將5 N和30 N作為彈簧力參考值的最佳設置值。

然后對關鍵輸入因子X2進行改善。由于在分析階段中已經證明了壓入力與泄漏值之間的相關性成立的前提條件是壓入力Fp≥3.5 kN，因此為了消除壓入力對Y的影響，設定出油閥組件壓入力的控制范圍為1.5 kN≤Fp<3.5 kN。但是，鑒于目前出油閥組件壓入力的過程能力較低，縮小控制范圍一定會造成大量不合格品產生，為此計劃通過添加出油閥組件表面潤滑劑、優(yōu)化壓頭等措施降低出油閥組件壓入力并提高其過程能力，同時建立了一個三因子兩水平的試驗設計(DOE)來尋找這些工藝參數的最佳設置值。通過分析發(fā)現，烘干時間和潤滑劑用量是影響壓入力過程能力指數的最主要的兩個因子，且這兩個因子之間有一定的交互作用，但作用并不明顯。此外，通過觀察等值線圖和回歸方程得出，當潤滑劑用量為15 mL/1 000個組件、烘干時間為1 h、壓頭內徑為6.2 mm時，壓入力的過程能力指數最大。因此，該工藝參數的組合為最佳設置值。圖4為影響因子的效應柏拉圖及等值線圖。

圖4 影響因子的效應柏拉圖及等值線圖

在控制階段，運用統(tǒng)計過程控制方法對以上關鍵輸入因子所涉及的制造過程進行趨勢監(jiān)控，即根據改善后穩(wěn)定期內所積累的數據計算出統(tǒng)計過程控制的上下控制線，并通過每班抽樣記錄形成趨勢圖予以長期跟蹤，保持良好的改善效果。

4 結束語

本文運用六西格瑪的DMAIC方法研究并解決了某款高壓油泵泄壓閥打開壓強測試不良率高的問題。實際生產數據表明，改善后泄壓閥打開壓強測試的過程能力指數提高了85.2%，不良率降低了75.5%。因此，該研究成果不僅在降低第二代高壓油泵泄壓閥打開壓強測試不良率方面積累了寶貴的經驗，同時也為類似質量問題的解決提供了可靠的指導依據，在后續(xù)的工程應用中具有良好的推廣價值。