李卓明

(德?tīng)柛?上海)動(dòng)力推進(jìn)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(chǎn)品，相比第一代產(chǎn)品，具有供油壓力高、供油壓力平穩(wěn)[1]、密封性能好等特點(diǎn)。但由于其泄壓閥打開(kāi)壓強(qiáng)比第一代油泵高，通常可以達(dá)到350 bar以上，因此該型號(hào)油泵的制造過(guò)程具有一定的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性。長(zhǎng)期以來(lái)，該款高壓油泵的泄壓閥打開(kāi)壓強(qiáng)測(cè)試不良率一直無(wú)法降低，這無(wú)疑大幅增加了生產(chǎn)成本。對(duì)此，本文引入六西格瑪?shù)腄MAIC方法對(duì)該質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)性分析并提出了解決方案。DMAIC是由定義(define)、測(cè)量(measure)、分析(analyze)、改進(jìn)(improve)、控制(control)[2]5個(gè)階段構(gòu)成的過(guò)程改進(jìn)方法，一般用于對(duì)現(xiàn)有流程的改進(jìn)，包括制造過(guò)程、服務(wù)過(guò)程以及工作過(guò)程等。

1 定義階段及測(cè)量階段

在定義階段，最重要的步驟之一是定義輸入因子X(jué)和輸出因子Y。在該質(zhì)量問(wèn)題中，首先定義輸出因子Y為高壓油泵泄壓閥打開(kāi)壓強(qiáng)。該性能參數(shù)是評(píng)判當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)油軌內(nèi)油壓過(guò)高時(shí)，油泵能否及時(shí)打開(kāi)泄壓閥以降低系統(tǒng)內(nèi)的壓力,從而保證系統(tǒng)安全[3]。它是利用EOL設(shè)備對(duì)油泵進(jìn)行油壓測(cè)試而得到的。具體測(cè)試原理是，利用EOL設(shè)備在油泵出油口端將測(cè)試油液沖入形成密閉空間，然后增大油壓直至打開(kāi)泄壓閥，同時(shí)記錄該瞬時(shí)油壓的壓強(qiáng)。明確了輸出因子Y后，利用SIPOC圖和魚(yú)骨圖從泄壓閥安裝、出油閥安裝以及泄壓閥打開(kāi)壓強(qiáng)測(cè)試的工藝過(guò)程中找到輸入因子X(jué)，共計(jì)18個(gè)，主要包括泄壓閥壓裝精度不足、泄壓閥彈簧彈性系數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)確、出油閥組件壓入力過(guò)大、泄壓閥打開(kāi)壓強(qiáng)測(cè)試油溫有波動(dòng)等。

在測(cè)量階段，首先需要對(duì)輸出因子Y的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析(MSA)。重復(fù)性和再現(xiàn)性(R&R)報(bào)告顯示，貢獻(xiàn)比、變異比、公差比和明顯分類(lèi)數(shù)均滿(mǎn)足良好測(cè)量系統(tǒng)的要求，表明Y的測(cè)量結(jié)果真實(shí)可信。然后對(duì)現(xiàn)階段的輸出因子Y進(jìn)行過(guò)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(jì)過(guò)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(guò)程能力指數(shù)(CPK)只有0.61，表明其過(guò)程能力不足。為了探尋導(dǎo)致其過(guò)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(jù)柏拉圖找出影響Y的兩個(gè)重要輸入因子，即泄壓閥彈簧彈性系數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)確(X1)和出油閥組件壓入力過(guò)大(X2)，并明確了這兩個(gè)重要輸入因子的潛在原因，見(jiàn)表1。

表1 重要輸入因子的潛在原因

2 分析階段

首先，對(duì)輸入因子X(jué)的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析。由于X2的測(cè)量系統(tǒng)是伺服壓力機(jī)，已經(jīng)通過(guò)了力/位移的標(biāo)定，因此本文只對(duì)X1的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行分析。重復(fù)性和再現(xiàn)性報(bào)告中顯示，貢獻(xiàn)比大于1%，變異比和公差比均大于10%，因此該測(cè)量系統(tǒng)的精度偏低，需要進(jìn)一步優(yōu)化。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)泄壓閥彈簧彈性系數(shù)在測(cè)量過(guò)程中主要存在以下問(wèn)題：探針端面出現(xiàn)小坑、探針會(huì)吸附泄壓閥小球以及零件在工裝中有旋轉(zhuǎn)空間。因此，優(yōu)化方案以解決上述問(wèn)題為主，包括：1)把探針頭部改為錐面結(jié)構(gòu)。這樣不僅可以減小受力，避免長(zhǎng)時(shí)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(cè)試位置精度。2)把探針內(nèi)部做成通孔結(jié)構(gòu)，并在設(shè)備上增加氣源，在每次測(cè)量完成后向探針中心孔內(nèi)通氣，避免由于泄壓閥小球吸附在探針端面上而造成測(cè)量不準(zhǔn)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(cè)量時(shí)泵體位置的穩(wěn)固性。優(yōu)化后再次進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析，結(jié)果顯示其貢獻(xiàn)比、變異比、公差比和明顯分類(lèi)數(shù)均滿(mǎn)足良好測(cè)量系統(tǒng)的要求，表明該測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果真實(shí)可信。圖1為優(yōu)化前后X1測(cè)量系統(tǒng)的R&R報(bào)告。

在驗(yàn)證了X的測(cè)量系統(tǒng)之后，就需要運(yùn)用多變異分析的手段來(lái)尋找Y的關(guān)鍵輸入因子。多變異分析[4-5]是分析工序過(guò)程質(zhì)量特征值變異規(guī)律的一種重要方法，旨在找出制造過(guò)程中的可控及不可控輸入因子對(duì)Y的影響，為明確關(guān)鍵輸入因子提供統(tǒng)計(jì)學(xué)依據(jù)。其中不可控的噪聲因子[6-7]尤其需要重視，因?yàn)檫@些噪聲因子的變異會(huì)長(zhǎng)期或不定期地影響流程目標(biāo)值和變異的大小，導(dǎo)致整個(gè)流程不穩(wěn)定。

本文分別從測(cè)試班次、測(cè)試溫度和測(cè)試設(shè)備三方面進(jìn)行噪聲因子分析，逐一排查這三大噪聲因子對(duì)Y的影響。首先分析不同測(cè)試班次對(duì)Y的影響。通過(guò)雙方差F檢驗(yàn)及雙樣本T檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)概率值P>0.05，因此判斷不同測(cè)試班次不會(huì)影響Y。然后分析不同測(cè)試溫度對(duì)Y的影響。通過(guò)雙方差F檢驗(yàn)及雙樣本T檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)概率值P>0.05，因此判斷不同測(cè)試溫度也不會(huì)影響Y。最后分析不同測(cè)試設(shè)備對(duì)Y的影響。通過(guò)等方差檢驗(yàn)及方差分析，發(fā)現(xiàn)概率值P<0.05，因此判斷不同測(cè)試設(shè)備會(huì)影響Y。根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到了4臺(tái)設(shè)備的測(cè)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(cè)試均值為407.7 bar，其余3臺(tái)設(shè)備的測(cè)試均值誤差都在1 bar左右，基本相當(dāng)。因此，在EOL 2-1的測(cè)試程序中設(shè)置偏置值為-5bar以解決該噪聲因子對(duì)Y的影響。圖2為三大噪聲因子的假設(shè)檢驗(yàn)分析圖。

圖1 優(yōu)化前后X1測(cè)量系統(tǒng)的R&R報(bào)告

圖2 三大噪聲因子的假設(shè)檢驗(yàn)分析圖

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

首先分析X1對(duì)Y的影響。由于X1中的彈簧彈性系數(shù)只是設(shè)備的一個(gè)過(guò)程輸出參數(shù)，而其最終輸出參數(shù)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(kāi)壓強(qiáng)之間的相關(guān)性。通過(guò)回歸分析發(fā)現(xiàn)決定系數(shù)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(kāi)壓強(qiáng)之間有相關(guān)性，會(huì)影響Y。另外，根據(jù)擬合方程計(jì)算得出，當(dāng)Y=400 bar時(shí)(400 bar是該型號(hào)油泵泄壓閥打開(kāi)壓強(qiáng)的工藝規(guī)格中值)，彈簧力Fs=50.1 N，而目前實(shí)測(cè)的彈簧力均值為50.3 N，由于彈簧力均值的實(shí)測(cè)值已經(jīng)很接近擬合理論值，因此可以排除由于彈簧力均值過(guò)大或過(guò)小對(duì)打開(kāi)壓強(qiáng)的影響。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究X1對(duì)泄壓閥彈簧力的影響。由于泄壓閥彈簧彈性系數(shù)是利用彈簧力參考值和力/位移測(cè)量曲線計(jì)算得出的，該參考值會(huì)直接影響彈性系數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)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(guò)等方差檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)概率值P<0.05，因此判斷泄壓閥彈簧力參考值會(huì)影響泄壓閥彈簧力。由于之前已經(jīng)證明泄壓閥彈簧力和泄壓閥打開(kāi)壓強(qiáng)之間有相關(guān)性，因此判斷泄壓閥彈簧力參考值也會(huì)影響Y，即X1也會(huì)影響Y。圖3為X1對(duì)Y的回歸分析及等方差檢驗(yàn)圖。

圖3 X1對(duì)Y的回歸分析及等方差檢驗(yàn)圖

然后分析X2對(duì)Y的影響。由于發(fā)現(xiàn)有些泄壓閥打開(kāi)壓強(qiáng)測(cè)試不良件的泄漏測(cè)試也不合格，因此通過(guò)卡方檢驗(yàn)的方法研究泄漏值與泄壓閥打開(kāi)壓強(qiáng)之間有否相關(guān)性。通過(guò)卡方檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)概率值P<0.05，表明泄漏值與泄壓閥打開(kāi)壓強(qiáng)之間有相關(guān)性，會(huì)影響Y。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究X2對(duì)泄漏值的影響。通過(guò)第一次卡方檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)概率值P<0.05，表明壓入力與泄漏值之間有相關(guān)性，再通過(guò)第二和第三次卡方檢驗(yàn)，明確了兩者相關(guān)性成立的前提條件是壓入力Fp≥3.5 kN。由于之前已經(jīng)證明泄漏值與泄壓閥打開(kāi)壓強(qiáng)之間有相關(guān)性，因此判斷X2也會(huì)影響Y。

經(jīng)過(guò)分析階段的科學(xué)驗(yàn)證, 排除了噪聲因子的干擾后發(fā)現(xiàn),對(duì)Y有影響的關(guān)鍵輸入因子的確是泄壓閥彈簧彈性系數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)確(X1)和出油閥組件壓入力過(guò)大(X2)，后續(xù)將對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵輸入因子進(jìn)行改善。

3 改善階段及控制階段

在改善階段，首先對(duì)關(guān)鍵輸入因子X(jué)1進(jìn)行改善。將X1分別設(shè)定為5個(gè)不同的水平再次進(jìn)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(guò)觀察各個(gè)水平的標(biāo)準(zhǔn)差大小來(lái)選擇最佳設(shè)置值。最后發(fā)現(xiàn)泄壓閥彈簧力參考值5 N和30 N的標(biāo)準(zhǔn)差為0.298，是5個(gè)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(shè)置值。

然后對(duì)關(guān)鍵輸入因子X(jué)2進(jìn)行改善。由于在分析階段中已經(jīng)證明了壓入力與泄漏值之間的相關(guān)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(duì)Y的影響，設(shè)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(guò)程能力較低，縮小控制范圍一定會(huì)造成大量不合格品產(chǎn)生，為此計(jì)劃通過(guò)添加出油閥組件表面潤(rùn)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(guò)程能力，同時(shí)建立了一個(gè)三因子兩水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)來(lái)尋找這些工藝參數(shù)的最佳設(shè)置值。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，烘干時(shí)間和潤(rùn)滑劑用量是影響壓入力過(guò)程能力指數(shù)的最主要的兩個(gè)因子，且這兩個(gè)因子之間有一定的交互作用，但作用并不明顯。此外，通過(guò)觀察等值線圖和回歸方程得出，當(dāng)潤(rùn)滑劑用量為15 mL/1 000個(gè)組件、烘干時(shí)間為1 h、壓頭內(nèi)徑為6.2 mm時(shí)，壓入力的過(guò)程能力指數(shù)最大。因此，該工藝參數(shù)的組合為最佳設(shè)置值。圖4為影響因子的效應(yīng)柏拉圖及等值線圖。

圖4 影響因子的效應(yīng)柏拉圖及等值線圖

在控制階段，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制方法對(duì)以上關(guān)鍵輸入因子所涉及的制造過(guò)程進(jìn)行趨勢(shì)監(jiān)控，即根據(jù)改善后穩(wěn)定期內(nèi)所積累的數(shù)據(jù)計(jì)算出統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的上下控制線，并通過(guò)每班抽樣記錄形成趨勢(shì)圖予以長(zhǎng)期跟蹤，保持良好的改善效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用六西格瑪?shù)腄MAIC方法研究并解決了某款高壓油泵泄壓閥打開(kāi)壓強(qiáng)測(cè)試不良率高的問(wèn)題。實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，改善后泄壓閥打開(kāi)壓強(qiáng)測(cè)試的過(guò)程能力指數(shù)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(kāi)壓強(qiáng)測(cè)試不良率方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為類(lèi)似質(zhì)量問(wèn)題的解決提供了可靠的指導(dǎo)依據(jù)，在后續(xù)的工程應(yīng)用中具有良好的推廣價(jià)值。