張志耀，白 璐，馬海亮

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024）

引言

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及問題描述

沖孔機(jī)主要由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和沖孔單元組成，平臺(tái)帶動(dòng)生瓷片快速、精確運(yùn)動(dòng)定位，沖孔單元完成沖孔。沖孔單元是沖孔動(dòng)作的執(zhí)行者，其機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要由單元架、驅(qū)動(dòng)氣缸、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、沖頭及凹模等組成。沖頭在驅(qū)動(dòng)氣缸及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用下與凹模相配合，完成生瓷片上微孔的沖切加工[1]。

圖1 沖孔單元結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于常見的生瓷片，一般采用直徑差為20μm的沖針與凹模（即：凹?？妆葲_頭直徑大20μm），所加工孔質(zhì)量良好，沖針壽命能達(dá)到150萬次以上，滿足用戶使用要求。

然而，隨著材料技術(shù)的發(fā)展，各種不同物理特性的生瓷片不斷涌現(xiàn)，近期某客戶提供了一種高彈性、高韌性的生瓷片，加工時(shí)孔邊緣有大量毛刺，不能滿足產(chǎn)品要求。后通過各種試驗(yàn)并參考客戶生產(chǎn)線上同類進(jìn)口設(shè)備，發(fā)現(xiàn)采用直徑差為10μm的沖針與凹模加工，微孔質(zhì)量良好，但只加工十余萬孔后，微孔質(zhì)量明顯變差，對(duì)比進(jìn)口設(shè)備沖頭壽命差距明顯，設(shè)備還是不能正常進(jìn)行生產(chǎn)，因此該高彈性、高韌性生瓷片的加工問題成為打孔機(jī)亟待解決的問題。

為解決上述問題，成立QC小組，運(yùn)用QC理論方法，通過現(xiàn)狀調(diào)查、目標(biāo)確定、原因分析、對(duì)策實(shí)施、效果驗(yàn)證等過程開展活動(dòng)。

2 現(xiàn)狀調(diào)查、目標(biāo)確定及檢測方法

統(tǒng)計(jì)各次沖孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)，沖針壽命都在10萬次左右，與加工常規(guī)生瓷片時(shí)的150萬次壽命相比，相差甚遠(yuǎn)（對(duì)比數(shù)據(jù)如圖2所示）。

圖2 沖針壽命現(xiàn)狀

顯微鏡下仔細(xì)觀察每次沖針失效后的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)每支沖針都是一側(cè)磨損的非常厲害，而另一側(cè)完好無損，且磨損的方向基本固定，均朝向設(shè)備后側(cè)。判斷認(rèn)為：沖針壽命短的原因主要是在某些因素的作用下，導(dǎo)致沖孔時(shí)沖針與凹模不同軸，發(fā)生“啃咬”，使沖針很快失效。如能解決“啃咬”問題，沖針壽命必將大幅提高，因此，本次QC活動(dòng)的首要目標(biāo)任務(wù)確定為解決沖頭凹?！翱幸А眴栴}。

為了直觀判斷“啃咬”發(fā)生，對(duì)沖孔單元做了改進(jìn)，將凹模座改為陶瓷材質(zhì)，沖針和凹模只要不直接接觸，兩者之間就不導(dǎo)電。沖針與凹模分別引出一根導(dǎo)線接入PLC，用PLC的高速計(jì)數(shù)器來捕捉?jīng)_針與凹模是否有過接觸，接觸一次計(jì)數(shù)器數(shù)值加1，這樣就能將“啃咬”問題，轉(zhuǎn)化為直觀的計(jì)數(shù)器數(shù)值，便于判斷改進(jìn)效果。

近、現(xiàn)代以來，自然科學(xué)與人文科學(xué)的迅猛發(fā)展，極大地突破了人們認(rèn)識(shí)和思維的局限性。尤其是現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)、礦物學(xué)、晶體學(xué)等新興學(xué)科的誕生，使觀賞石不論從客觀的本體論，還是從主觀的認(rèn)識(shí)論都有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。人們?cè)谮吚?、功利性的?jīng)濟(jì)人的追逐中，也開始有了人性化的返璞歸真與反思。

3 原因分析

確定目標(biāo)任務(wù)、檢測方法后，從人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)環(huán)節(jié)，采用“頭腦風(fēng)暴”方式，針對(duì)“啃咬”問題進(jìn)行分析，最后制作“啃咬”問題原因“魚骨”圖，如圖3所示，為制定改進(jìn)措施提供方向[2-3]。

圖3 沖針凹?！翱幸А痹螋~骨圖

結(jié)合圖3，對(duì)各可能因素逐項(xiàng)詳細(xì)分析、驗(yàn)證。限于篇幅，本文只列出主要影響因素的驗(yàn)證過程。確定引起“啃咬”問題的主要因素為以下三種：沖孔氣缸及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)振動(dòng)、沖孔單元熱變形、生瓷片氣泡孔。

3.1 氣缸及平臺(tái)振動(dòng)

設(shè)備安裝自制的沖針、凹模接觸檢測系統(tǒng)后，開始沖孔，發(fā)現(xiàn)PLC計(jì)數(shù)器數(shù)值頻繁增加。觀察工作過程，沖孔時(shí)設(shè)備整體振動(dòng)較大，振動(dòng)源一個(gè)是運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的高速定運(yùn)動(dòng)，頻繁啟動(dòng)停止，另一個(gè)是沖孔氣缸的高頻動(dòng)作。為了驗(yàn)證兩個(gè)因素進(jìn)行如下試驗(yàn)。

試驗(yàn)一：設(shè)備不夾持生瓷片，平臺(tái)不運(yùn)動(dòng)，排除平臺(tái)及生瓷片的影響。理論上沖針與凹模之間有10 μm的間隙，沖孔時(shí)兩者不應(yīng)發(fā)生接觸，且手動(dòng)使沖針上下動(dòng)作，沖針確實(shí)不會(huì)接觸凹模。但氣缸驅(qū)動(dòng)沖針重復(fù)進(jìn)行沖孔動(dòng)作時(shí)，觀察PLC計(jì)數(shù)器，數(shù)值頻繁增加，由此可證明，氣缸運(yùn)動(dòng)是引起“啃咬”的因素之一。

試驗(yàn)二：設(shè)備不夾持生瓷片，使沖針插入凹模，驅(qū)動(dòng)氣缸不動(dòng)作，排除驅(qū)動(dòng)氣缸及生瓷片的影響。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)按照正常沖孔時(shí)運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)PLC計(jì)數(shù)器數(shù)值不斷增加?？勺C明平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，引起了沖針與凹模的相對(duì)位置發(fā)生變化，使兩者接觸，也是引起“啃咬”的因素之一

3.2 沖孔單元熱變形

消除振動(dòng)因素后設(shè)備工作，沖孔單元驅(qū)動(dòng)氣缸高頻動(dòng)作，約每分鐘600次，幾分鐘內(nèi)PLC數(shù)值沒有增加，工作正常，但隨著沖孔的繼續(xù)，氣缸缸體與活塞高頻摩擦?xí)a(chǎn)生大量熱量，使氣缸溫度升高，在23℃室溫的凈化廠房中，測得氣缸溫度最高可達(dá)到41℃。氣缸固定在單元架上，兩者中間設(shè)置有玻璃纖維隔熱板，可在一定程度上降低氣缸與單元架之間的熱傳導(dǎo)，但沖孔約8 000次后，單元架溫度上升2～3℃。此時(shí)PLC計(jì)數(shù)器數(shù)值不斷增加，停止沖孔，在顯微鏡下觀察沖頭與凹模已明顯錯(cuò)位，此時(shí)沖孔必將發(fā)生“啃咬”現(xiàn)象。為了確認(rèn)溫度引起的熱變形原因，用壓縮空氣給單元降溫，幾分鐘后再次觀察，發(fā)現(xiàn)沖針已復(fù)位，沖針、凹模之間同軸度良好。據(jù)上述驗(yàn)證過程，可確認(rèn)沖孔單元熱變形是“啃咬”問題的主要原因之一。

3.3 生瓷片氣泡孔

生瓷片作為客戶提供的被加工物料，在著手解決沖針壽命問題之初，并未予以高度重視，直到一次試驗(yàn)中，新裝的沖針、凹模只沖了幾千次，孔質(zhì)量已明顯不合格，沖針已損壞。在顯微鏡下仔細(xì)觀察生瓷片各孔狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)生瓷片上有一凹坑（如圖4所示，該凹坑由瓷片流延時(shí)漿料中氣泡產(chǎn)生），凹坑周圍有明顯的沖針金屬碎屑。分析認(rèn)為：此次沖針損壞主要原因是沖頭沖到凹坑邊緣，使沖針受到徑向力而偏移，沖針直接沖到凹模上，發(fā)生金屬間的碰撞，導(dǎo)致沖針受損，由此可認(rèn)為，生瓷片上的氣泡孔是導(dǎo)致沖針突然受損的主要原因之一。

圖4 生瓷片氣泡孔

4 對(duì)策實(shí)施及效果驗(yàn)證

4.1 對(duì)策實(shí)施

4.1.1 氣缸及平臺(tái)振動(dòng)的解決

氣缸的振動(dòng)主要是運(yùn)動(dòng)活塞對(duì)限位墊的沖擊引起，試驗(yàn)過程中，一方面減小活塞部分的重量，同時(shí)對(duì)通入氣缸的壓縮空氣進(jìn)行適當(dāng)節(jié)流，減小活塞的運(yùn)動(dòng)動(dòng)量；另一方面，更換活塞限位墊材料，降低硬度，增強(qiáng)緩存效果，使活塞接觸限位墊的過程中，沖擊力減小。通過上述改進(jìn)后，進(jìn)行試驗(yàn)一時(shí)，未檢測到?jīng)_針與凹模的接觸信號(hào)。

降低平臺(tái)振動(dòng)方面，主要從調(diào)整平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)著手，通過大量試驗(yàn)，優(yōu)化運(yùn)動(dòng)參數(shù)，有效降低振動(dòng)，且對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位速度影響不大。進(jìn)行試驗(yàn)二時(shí)，未檢測到?jīng)_針與凹模的接觸信號(hào)。

通過上述措施，有效解決了氣缸及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)引起的振動(dòng)問題，雖對(duì)設(shè)備加工效率有一定影響（沖孔效率從“618孔/min”降低至“607孔/min”），尚在可接受范圍。

4.1.2 沖孔單元熱變形問題解決

針對(duì)沖孔單元發(fā)熱問題，首先對(duì)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱仿真分析，了解了單元各部位的熱場分布，如圖5所示。然后，從降低熱源溫度、加強(qiáng)隔熱降低熱傳導(dǎo)、降低溫度敏感性等方面采取多項(xiàng)措施反復(fù)試驗(yàn)，最終采取了更換單元架材料的方法，有效解決了沖孔單元熱變形問題。

圖5 沖孔單元溫度分布圖

沖孔試驗(yàn)時(shí)幾乎觀測不到其變形，連續(xù)進(jìn)行5萬孔試驗(yàn)，未檢測到?jīng)_針與凹模的接觸信號(hào)。

4.1.3 生瓷片氣泡孔問題的解決

生瓷片氣泡孔問題，屬于生瓷片質(zhì)量問題，發(fā)現(xiàn)該問題后，與客戶溝通，更換合格的生瓷片后，解決該問題。

4.2 效果驗(yàn)證

各項(xiàng)對(duì)策實(shí)施后，為了驗(yàn)證改進(jìn)效果，進(jìn)行了5根沖針的沖孔壽命驗(yàn)證。

在沖孔驗(yàn)證過程中，基本檢測不到?jīng)_針與凹模的接觸信號(hào)，統(tǒng)計(jì)各沖針沖孔次數(shù)（如圖6所示），均超過了目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)了本次QC活動(dòng)目標(biāo)。

圖6 改進(jìn)后沖針壽命

5 結(jié)語

運(yùn)用QC理論方法，通過詳細(xì)調(diào)查目前沖針壽命情況，把解決沖針與凹模的“啃咬”問題作為本次活動(dòng)的主要方向，確定產(chǎn)生“啃咬”問題的主要因素，并采取相應(yīng)措施，使沖針壽命顯著提升，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

此次QC活動(dòng)的開展，也使小組各成員對(duì)QC理論方法有了更深刻的理解，解決問題的能力有了很大提升，獲益良多。