王陽陽

摘要：本文基于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的案例對清潔度顆粒雜質(zhì)的檢測過程的改進進行了論述，通過尋找出需要改進的關(guān)鍵點加以改進，最終提升清潔度檢測過程的可靠性。對于檢測過程的研究分為雜質(zhì)顆粒的收集與檢測兩部分，并結(jié)合對案例中清潔度檢測實際情況的分析去發(fā)現(xiàn)問題，并制定改善措施。在這個過程中，主要運用了實驗設計（DOE）的方法確定改進方案，運用過程能力統(tǒng)計（CPK）和測量系統(tǒng)分析（MSA）這些工具分析和評價過程穩(wěn)定性和測量設備的穩(wěn)定性，最終完成系統(tǒng)性的提升。在整個研究過程中，發(fā)現(xiàn)了未知雜質(zhì)對測量分析過程的影響，并總結(jié)出取樣過程的判穩(wěn)公式，通過該判穩(wěn)公式，可以合理的確定取樣參數(shù)，以獲得較為精確的取樣結(jié)果，提升了檢測真實性。

Abstract： This paper is based on the steering system to discuss the testing process improvement for detect the particle which effect the cleanliness level. Combining the theory and practice， to find out the key points to improve， ultimately improve the reliability of the cleanliness testing result. For the testing process in the paper is divided into collection and detection of the particle in the two parts， and combined with actual cases cleanliness testing analysis to find problems， and implement the improvement actions. In the analyses， mainly use the method of design of experiment （DOE） to determine the improvement scheme， using process capability （CPK） statistics and measurement system analysis （MSA） these tools to analyze and evaluate the collection process stability and the stability of the detection equipment， finally complete systematic improvement. In the whole improvement process， involve in the concept of the unknown particle which is none-influence on testing result， and summarizes the formula， through the formula it is reasonable to determine the collection parameters to obtain a relatively accurate results， enhance the testing veracity.

關(guān)鍵詞：清潔度;顆粒;未知雜質(zhì);實驗設計（DOE）

Key words： cleanliness;particle;steering system;design of experiment （DOE）

0 ?引言

在機械行業(yè)，清潔度對于零部件工作的可靠性和持久性有著非常重要的影響，尤其是對于制造業(yè)來說，必須從每個環(huán)節(jié)的每一個細節(jié)入手來防止和減小污染物的產(chǎn)生，才可能保證系統(tǒng)安全可靠的運行，特別是汽車行業(yè)，清潔度控制非常重要。

對于清潔度的控制和管理，一般分為兩部分：一方面是管理，如何避免污染物的污染。另一方面是檢測，從檢測方面來檢測污染物的程度，進而評估清潔度水平。所以需要對檢測方式和檢測方法進行研究，以獲得準確的結(jié)果。檢測反映目前清潔度所處的水平，是清潔度管理的基礎;它也是客觀反映改進前后的水平差異，是管理效果的評估。所以檢測的真實性和有效性就顯得尤為重要，因此無論國際化組織還是各大企業(yè)都陸續(xù)制定了相關(guān)的清潔度檢測標準或指導意見。但是，目前汽車行業(yè)的清潔度檢測環(huán)節(jié)做得不理想，主要體現(xiàn)在：整個檢測流程比較隨意，檢測手段簡單，重復性差，受環(huán)境干擾影響大。比如很多企業(yè)的在清潔度檢測過程中的沖洗環(huán)節(jié)，都使用人工沖洗，沖洗的次數(shù)、時間、流量、位置、強度都有很大的隨機性;在測量環(huán)節(jié)，部分企業(yè)僅控制雜質(zhì)的重量，或使用簡單的設備對雜質(zhì)的大小，數(shù)量進行估計，使得檢測結(jié)果也受到人為因素的很大影響。

1 ?清潔度檢測

清潔度的檢測通常是對產(chǎn)品的首件、生產(chǎn)過程中有清潔度要求的工序以及進貨出貨狀態(tài)的控制。一般清潔度的檢查有以下步驟：對檢測過程的準備工作，如檢查零件狀態(tài)、檢查設備狀態(tài)，然后通過檢測介質(zhì)來獲得雜質(zhì)，接著測量分析雜質(zhì)，最后形成測量結(jié)果報告并進行歸檔，如圖1。

在雜質(zhì)取樣階段，根據(jù)被測零件的空間結(jié)構(gòu)不同，運用不同的清洗方法來獲得雜質(zhì)顆粒，一般有加壓沖洗、超聲波振動、搖晃、臺架沖洗等幾種方式，為了更好更準確的獲得雜質(zhì)顆粒，不同的清洗方法都是可以相互組合使用的。通常下面幾個參數(shù)經(jīng)常會對清洗的效果產(chǎn)生重要的影響：清洗介質(zhì)的性能、樣件的機械結(jié)構(gòu)、沖洗壓力以及沖洗劑容量或清洗的時間，需要評估確定選用合適的參數(shù)以獲得實際的清潔度水平。

雜質(zhì)的分析測量方法的選取與被測零件的清潔方式和清潔度要求的不同有關(guān)，一般有以下方法：重量分析、光學顯微鏡顆粒尺寸分析、電鏡顆粒尺寸成分掃描分析和自動顆粒計數(shù)分析。以上分析方法根據(jù)清潔度要求的不同也是可以組合并多次使用的。

2 ?某公司在清潔度檢測方面存在的問題

2.1 某公司簡介

某公司曾以生產(chǎn)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為主營業(yè)務，目前轉(zhuǎn)型電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)業(yè)務發(fā)展，以持續(xù)保持公司在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場份額的領先地位。同時每年由于清潔度問題導致的索賠金額也高達200多萬元，主要故障模式是液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的漏油以及電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力失效。

2.2 目前某公司在檢測方面主要的問題

2.2.1 ?內(nèi)外部檢測結(jié)果存在較大差異

就雜質(zhì)總重量這一指標而言，A型號轉(zhuǎn)向機總成的客戶要求為15mg，案例公司和客戶抽查的結(jié)果存在差異差異很大，且不穩(wěn)定，檢測結(jié)果對比顯示，該公司的結(jié)果一直小于客戶的數(shù)據(jù)，如圖2所示。這個差異不是可接受范圍內(nèi)的正常波動，該公司需要對此現(xiàn)象進行分析，尋找原因并進行改進。

2.2.2 自檢結(jié)果存在較大的波動

針對定期的清潔度自檢情況，從直觀角度來看，雜質(zhì)的重量的波動是非常大的（圖3），說明過程穩(wěn)定性差，Ppk評估僅為0.72，是用正態(tài)分布評判的話，其分布情況也呈非正態(tài)分布（p〈0.005）（圖4），說明過程中存在異常因素，可能原因之一就是所收集的數(shù)據(jù)是存在問題的，需要通過實驗來確認數(shù)據(jù)本身和收集數(shù)據(jù)的過程是否存在問題。

2.2.3 檢測結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性不足

該公司的雜質(zhì)檢測設備人工檢測比例高，從重復性和再現(xiàn)性原則看，由人為因素引起的變差將可能導致整個測量系統(tǒng)的能力不足，所以需要對測量系統(tǒng)進行評價，如果存在能力不足的情況則需要進行改進。

2.3 檢測過程的改進

首先評估測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該公司的主要清潔度檢測設備為高精度電子天平和光學分析顯微鏡，用以評判雜質(zhì)的重量和雜質(zhì)顆粒的尺寸這兩個指標的評價。按電子天平標定方法對其高精度天平真實值進行測評，并無異常發(fā)現(xiàn)。隨后對電子天平的測量系統(tǒng)進行了測量系統(tǒng)能力分析（MSA）分析，結(jié)果為7.9%，小于ISO標準定義的10%，說明電子天平測量系統(tǒng)是可靠的，而人工光學顯微鏡的重復性和再現(xiàn)性的能力就不能滿足MSA的評判標準，為37.08%，大于可接受的30%的要求，見圖5，所以測量雜質(zhì)大小的設備需要改進，從MSA結(jié)果來看，主要問題是重復性差異大（35.09%），這個和人員檢測主觀性差異關(guān)系較大，需要消除這個問題最有效的方法就是改進測量方式由人工改為自動。

經(jīng)過對多家自動光學測量供應商的評估，包括蔡司、萊卡、JOMESA等，其中JOMESA的顆粒度分析系統(tǒng)解決方案已針對ISO16232、ISO4406或者汽車行業(yè)內(nèi)的標準定制好標準模板，且擁有高速的掃描速度，一張濾膜僅需2分鐘的掃描時間，是其他廠家如萊卡、蔡司等所不可比擬的，目前四大德系汽車集團用的都是德國JOMESA Messsysteme GmbH的設備（圖6）。經(jīng)過測試，其MSA的結(jié)果令人滿意（圖7），為2.91%。

通過其自帶的檢測軟件以及結(jié)果算法程序，可以對同一樣本進行高重復性和再現(xiàn)性的檢測。對比人工和自動檢測結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)自動監(jiān)測的多次結(jié)果的離散程度要遠遠小于人工檢測，為最終的準確判定提供了更加客觀的基礎數(shù)據(jù)，見圖7。

當檢測系統(tǒng)完成升級后，對雜質(zhì)的大小和數(shù)量等要求的測量精度得到了滿足，下一步就需要對雜質(zhì)獲取過程進行分析，尋找問題并改進了。

2.4 雜質(zhì)獲取過程的改進

對雜質(zhì)的取樣結(jié)果產(chǎn)生影響的因素主要有清洗液體的特性、樣件的機械結(jié)構(gòu)、沖洗參數(shù)（比如沖洗量、沖洗壓力、超聲波清洗的振動時間）等。就這些影響因素與不同客戶進行了差異對比（表1）。針對這些不同點，需要確認關(guān)鍵的影響因素，對關(guān)鍵的影響因素進行控制或改進來減少或消除該差異的存在。

按照實驗設計（DOE）的方法對這些因素進行了確認，由于實驗包括4因子3水平，選取普通的DOE實驗至少需要81次實驗，綜合資源考慮，采用4因子2水平加中心點的方法，可以將實驗次數(shù)減少到22次。經(jīng)過計算統(tǒng)計，因子B（清洗量）最顯著，標準化效應遠遠高于其他因子，并且這些因子的交互作用并不顯著，見圖9。

隨后，對之前的結(jié)果進行了一組確認實驗，采用不同的沖洗計量對同一批次的轉(zhuǎn)向機進行沖洗，結(jié)果見圖10，可以確認沖洗計量越多，所能獲得的雜質(zhì)量也越多，所以將從因子B沖洗劑量作為關(guān)鍵影響參數(shù)，來改進雜質(zhì)顆粒收集過程的穩(wěn)定性，并獲得盡量接近真值的實驗結(jié)果。

改進方向已經(jīng)選定，但究竟多少的沖洗量才是合適的，需要進一步進行實驗分析。在接下來的實驗中，對同一個轉(zhuǎn)向機進行多輪沖洗，每次都以600ml的沖洗量為一單位進行實驗，結(jié)果如圖11所示，每次沖洗，都能獲得雜質(zhì)，但雜質(zhì)新增量是不斷遞減的，而且下降到某一水平后就下降趨勢基本趨平。

在之后的反復實驗過程中，發(fā)現(xiàn)平均在5次沖洗以后始終能獲得0.2mg左右的雜質(zhì)的這種現(xiàn)象。經(jīng)過分析研究，發(fā)現(xiàn)在雜質(zhì)獲取的過程中清洗劑、輔助工裝和容器都會始終存在額外的微小雜質(zhì)，檢測時周邊的環(huán)境也會帶來額外的微小雜質(zhì)，包括樣本在檢測過程中的正常運動帶來的磨損產(chǎn)生的細小顆粒。這些都是無法避免的微小雜質(zhì)，且對整個檢測結(jié)果影響甚微的雜質(zhì)，在這里稱它們?yōu)槲粗s質(zhì)。因為其非常微小，無法徹底消除，同時其也不會對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響，所以可以忽略。于是需要制定最大的可接受的不影響檢測結(jié)果有效性的未知雜質(zhì)的允許量，這個量是根據(jù)樣本的清潔度要求水平?jīng)Q定的，同時根據(jù)TS16949的五大工具之一的測量系統(tǒng)分析中規(guī)定汽車行業(yè)的測量系統(tǒng)的精確度不能低于公差的10%的標準，最終選取10%作為未知雜質(zhì)的邊際值標準。也就是說，在沖洗過程中，當獲取超過90%重量的雜質(zhì)后，就認為對零部件清潔度存在主要影響的雜質(zhì)都已獲得。根據(jù)這個原則繼續(xù)進行實驗，先后將多組樣本結(jié)果進行綜合分析，結(jié)果顯示當轉(zhuǎn)向機經(jīng)過4次沖洗，其累計可獲得的雜質(zhì)重量都超過了90%，見圖12，于是可以認為4次沖洗的沖洗計量是可以足夠獲得所有影響雜質(zhì)的，重新確定了標準沖洗量為2400ml。同時對這個過程進行了總結(jié)，形成了判穩(wěn)經(jīng)驗公式（1）。

式中，Zn——第n次沖洗所獲得的雜質(zhì)量（mg）;Zi——第i次沖洗所獲得的雜質(zhì)量（mg）;n——沖洗的次數(shù)。

這個判穩(wěn)公式指的是經(jīng)過數(shù)次定量沖洗后，判斷需要分析的雜質(zhì)是否都已收集到的一個判定條件，此公式可以用于確定一個關(guān)鍵參數(shù)——沖洗量的準確參數(shù)值。該公式也可以拓展開，去確認其他檢測值，比如顆粒數(shù)量等。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雜質(zhì)獲取次數(shù)一般在4次以內(nèi)，如果多次沖洗（經(jīng)驗值為6次）都無法滿足判穩(wěn)公式，即認為此現(xiàn)象說明沖洗過程存在問題或沖洗方法選擇不正確，需要重新確認問題或調(diào)整取樣的方法。

經(jīng)過修改取樣參數(shù)沖洗量后，再次匯總對比內(nèi)外部檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)案例公司的檢測結(jié)果已超過外部檢測的檢測值，可以說明該檢測方法所取得的雜質(zhì)顆粒，較之前更加接近真實情況。

3 ?改進成效

經(jīng)過取樣過程和測量過程的雙重優(yōu)化，案例公司對清潔度檢測的有效性在原來的基礎上的得到了提升，其測量值不僅更加接近于真值，而且穩(wěn)定性更好（圖13），從之后和某整車廠的抽檢結(jié)果對比中可以看出改進的變化（圖14）。這些改進對該公司下步清潔度改進工作具有重要意義，不僅能夠更加真實的反映公司清潔度的目前狀況，清晰改進方向，也能夠在今后改進完成后更加準確的評估改進效果。

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