瞿紅紅，李 瑩，劉 寧

（昆明理工大學機電工程學院，云南昆明 650500）

0 引言

習近平總書記在中共十九大報告中指出：我國經(jīng)濟已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，必須堅持“質(zhì)量第一”和“質(zhì)量強國”的質(zhì)量發(fā)展理念［1］。在企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量日益重視的大背景下，統(tǒng)計過程控制技術(shù)（Statistical Process Control，SPC）雖然不是提高產(chǎn)品質(zhì)量的萬能工具，但它是判斷生產(chǎn)過程是否受控的有效工具之一。但是，我國實際運用SPC 進行產(chǎn)品質(zhì)量管理的公司只有30%左右，其中多數(shù)為大型企業(yè)，許多中小企業(yè)對SPC 還不甚了解［2］。全面質(zhì)量管理已經(jīng)進行多年，而統(tǒng)計過程控制技術(shù)是全面質(zhì)量管理的基礎(chǔ)。因此，統(tǒng)計過程控制技術(shù)研究與實施具有重要意義。

1 相關(guān)工作

SPC 是休哈特博士首次提出的一種質(zhì)量控制技術(shù)，廣泛應用于工業(yè)、軍工等行業(yè)［3］。國外SPC 在理論和應用方面的研究較為深入。二戰(zhàn)前后美國通過SPC 技術(shù)使機械、化工、紡織等行業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量和效益得到大幅提升。二戰(zhàn)后日本邀請美國統(tǒng)計學家戴明（W.E.Deming）去宣講SPC，通過推行SPC 技術(shù)和全面質(zhì)量管理，使日本的質(zhì)量管理水平領(lǐng)先世界。SPC 在國外許多知名企業(yè)如寶馬、蘋果、豐田等得到廣泛應用，在產(chǎn)品質(zhì)量管理與改進方面取得顯著成效。目前，SPC 技術(shù)不僅在傳統(tǒng)制造行業(yè)，而且在心理學分析、醫(yī)療質(zhì)量改進、服務管理等多個領(lǐng)域得到應用。Reinaldo 等［4］、Juram 等［5］使用SPC 進行情感分析實現(xiàn)了預防性質(zhì)量管理。在醫(yī)療方面，SPC 應用于幼兒疾病、癌癥等多種疾病防控和治療［6-7］。

我國SPC 發(fā)展較晚，20 世紀中后期才開始引進。1982年張公緒教授提出兩種質(zhì)量診斷理論，為傳統(tǒng)質(zhì)量控制提供新的理論依據(jù)［8］；1993 年張公緒等［9］又提出多元逐步診斷理論，打破了休哈特控制圖的應用局限性；1997 年劉艷永等［10］提出多元協(xié)方差控制圖。這些模糊數(shù)學統(tǒng)計理論與SPC 相結(jié)合，非常適合應對復雜多變的生產(chǎn)環(huán)境。近年來，我國學者對質(zhì)量控制理論進行了很多創(chuàng)新，諸如多指針診斷法、多元逐步診斷理論、模糊系統(tǒng)專家控制理論等，但在應用方面卻比西方國家遜色較多。我國汽車加工行業(yè)對SPC 的應用還處于初級階段，實施SPC 的企業(yè)不多。

本文通過對YT 公司發(fā)動機連桿產(chǎn)品存在的質(zhì)量問題進行分析，將SPC 的特點與公司生產(chǎn)過程實際問題相結(jié)合，分析并論證了SPC 在改進產(chǎn)品質(zhì)量上的有效性，為企業(yè)引進SPC 提供參考。

2 SPC 原理

SPC 是一種通過應用先進的統(tǒng)計技術(shù)對過程中的每個階段都進行評估和監(jiān)測，建立并始終保持整個過程處于一個可被接受且穩(wěn)定發(fā)展的水平，從而確保其產(chǎn)品及服務都符合要求的一種高效率質(zhì)量管理方法［11］。其本身就是過程控制的一部分，主要包括兩個方面：①利用控制圖分析整個過程的穩(wěn)定性，對可能存在的不正常因素作出預警；②通過計算過程能力指數(shù)，分析穩(wěn)定過程能力以及滿足工藝技術(shù)需要的程度，對過程質(zhì)量作出評價［12］。

SPC 的實施過程通常有兩個步驟：①使用SPC 工具對生產(chǎn)過程中的操作流程進行分析，如繪制出分析所需要的控制圖等。按照分析結(jié)果提出相應的改進措施；②采用控制圖對生產(chǎn)流程進行監(jiān)控。利用控制圖可以判斷運行狀況是否穩(wěn)定。而判斷生產(chǎn)能力是否足夠，可以通過過程能力分析實現(xiàn)［13］。SPC 實施流程如圖1 所示。

Fig.1 SPC implementation process圖1 SPC 實施流程

3 YT公司SPC應用過程分析

3.1 YT 公司發(fā)動機連桿產(chǎn)品質(zhì)量問題分析

發(fā)動機連桿是連接活塞和曲軸的重要零部件之一，其將連接到活塞的各種作用力直接傳遞到曲軸。在發(fā)動機整個做功過程中，連桿做屈伸交替的周期運動，對發(fā)動機整體壽命和性能有重要影響，因此連桿必須有足夠的疲勞強度。若連桿質(zhì)量出現(xiàn)問題，會造成發(fā)動機熄火等故障，甚至可能會導致重大交通事故。

YT 公司主要以研發(fā)和生產(chǎn)大型汽車為核心業(yè)務，工程機械、小轎車以及零部件制造為其主要的戰(zhàn)略性業(yè)務，同時公司也兼具其它投資經(jīng)營業(yè)務。YT 公司2004 年就獲得了質(zhì)量管理體系認證證書，但2010 年的一份質(zhì)量反饋報告顯示，YT 公司生產(chǎn)的某款汽車在正常行駛過程中經(jīng)過一小坑路面后車輛會失去動力并出現(xiàn)漏油情況，經(jīng)過維修站仔細排查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機內(nèi)缸被戳出洞并且連桿出現(xiàn)斷裂。連桿作為發(fā)動機的重要零部件為什么會出現(xiàn)斷裂？該問題較為重大，值得深入研究。

3.2 汽車發(fā)動機連桿SPC 實施過程

3.2.1 關(guān)鍵質(zhì)量特性確定

在發(fā)動機設計生產(chǎn)制造過程中，連桿部件是用來連接活塞和傳動曲軸的重要工具，也是生產(chǎn)發(fā)動機的一個重要部件。連桿的整體設計尺寸調(diào)整精度、形狀設計調(diào)整精度、位置移動設計調(diào)整精度都要求很高，但是整體剛度又比較差，容易松動造成整體變形［14］。連桿由連桿小頭、連桿大頭、桿身3 部分構(gòu)成，與曲柄連接的大孔部分是連桿大頭，與活塞銷連接的小孔部分是連桿小頭，連桿小頭結(jié)構(gòu)為薄壁結(jié)構(gòu)，其損壞形式多為疲勞斷裂［15］。在小頭內(nèi)配置襯套，并在小頭和襯套上鉆孔銑鍵槽，使?jié)櫥涂梢詽櫥揭r套和活塞銷的工作表面以減少摩擦。經(jīng)現(xiàn)場生產(chǎn)管理技術(shù)人員和質(zhì)檢人員協(xié)商，確定選擇連桿小頭孔內(nèi)徑φ40+0.046+0.025mm 作為關(guān)鍵質(zhì)量特性。在對數(shù)據(jù)進行搜集之前，為確保生產(chǎn)中5M1E 處于穩(wěn)定狀態(tài)，要求測量人員搜集數(shù)據(jù)時能熟練使用測量工具。

3.2.2 數(shù)據(jù)搜集

生產(chǎn)高峰期工序穩(wěn)定性較低，推行SPC 期間生產(chǎn)數(shù)量相對較少，所以決定采用全數(shù)檢驗方式搜集某周生產(chǎn)的連桿小頭孔內(nèi)徑數(shù)據(jù)（每組5 個，共20 組），如表1 所示。

Table 1 Small hole diameter size information表1 小頭孔內(nèi)徑尺寸信息

3.2.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)抽樣方案、子組范圍、子組大小來選擇合理的控制圖類型，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場的具體情況分析連桿小頭直徑數(shù)據(jù)，確定SPC 統(tǒng)計分析方案如下：①質(zhì)量特性：小頭直徑；②子組范圍：按生產(chǎn)批次劃分；③子組大?。?；④抽樣方案：固定工作時間段簡單隨機抽取連桿測量小頭直徑。

考慮連桿小頭直徑的數(shù)據(jù)類型（連續(xù)型）、子組范圍、質(zhì)量特性（計量型）等綜合因素，決定選用均值極差控制圖（-R）。

由于應用控制圖的一個基本前提就是搜集到的數(shù)據(jù)必須服從正態(tài)分布，所以在開始繪制控制圖之前需要對搜集的數(shù)據(jù)進行分析［16］。利用MINITAB 軟件對搜集到的連桿小頭孔內(nèi)徑數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出直方圖和概率圖如圖2、圖3 所示。

Fig.2 Connecting rod hole diameter histogram圖2 連桿小頭孔內(nèi)徑直方圖

Fig.3 Connecting rod hole diameter distribution probability graph圖3 連桿小頭孔內(nèi)徑尺寸分布概率

從圖2、圖3 可明顯看出數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，滿足控制圖使用條件，可對所得數(shù)據(jù)繪制控制圖并進行后續(xù)分析。

3.2.4 控制圖繪制

由于連桿小頭孔尺寸是連續(xù)變量，且作為一個計量特性值服從正態(tài)分布，所以可選擇以正態(tài)分布為基礎(chǔ)的計量控制圖［17］。選取-X-R控制圖作為判斷生產(chǎn)過程是否穩(wěn)定的依據(jù)。根據(jù)所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，將樣本個數(shù)為5 的20 組數(shù)據(jù)在MINITAB 中繪制成如圖4 所示的控制圖。

Fig.4 Connecting rod small hole diameter size of the control chart圖4 連桿小頭孔內(nèi)徑尺寸的-X - R 控制圖

3.2.5 控制圖分析

3.2.6 工序能力分析

工序能力是生產(chǎn)工序處于受控加工狀態(tài)下能夠真正進行物料加工的綜合能力，工序能力指數(shù)可以反映出工序能力滿足技術(shù)質(zhì)量要求的程度［19］。在判斷工序能力指數(shù)時一定要考慮經(jīng)濟合理化問題，具體判斷和處置方法如表2 所示。

通過MINITAB 質(zhì)量分析軟件對連桿小頭孔內(nèi)徑工序能力進行分析，如圖5 所示。

Table 2 Process capability index analysis table表2 工序能力指數(shù)分析

Fig.5 Connecting rod small hole diameter process capability analysis圖5 連桿小頭孔內(nèi)徑尺寸工序能力分析

由圖5 可知該工序的工序能力指數(shù)C p=0.93，依據(jù)工序能力判斷標準可知該生產(chǎn)過程工序能力不足，應采取措施提高生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。

3.3 失控原因分析

魚骨圖是質(zhì)量管理的重要工具之一，使用魚骨圖從人、機、料、環(huán)、測［20］5 個方面羅列出可能導致小頭直徑誤差產(chǎn)生的原因并進行分析［21］。針對尺寸失控問題繪制如圖6所示的魚骨圖，分析造成失控的主要原因如下：

（1）檢驗標準不統(tǒng)一。由于工藝部門和現(xiàn)場生產(chǎn)人員未統(tǒng)一標準，導致現(xiàn)場檢驗人員和生產(chǎn)人員對關(guān)鍵尺寸不熟悉，不能對產(chǎn)品進行有效檢測。

（2）生產(chǎn)人員工作狀態(tài)不佳。由于部分員工態(tài)度不端正，生產(chǎn)人員技術(shù)水平不高導致出錯。許多異常狀況形成原因是由于操作者的工作倦怠，不能集中精神進行觀察和操作。另外，公司高產(chǎn)期間員工難免出現(xiàn)加班加點等情況，造成操作員和技術(shù)人員勞動強度加大，以致員工工作疲勞發(fā)生錯誤。

Fig.6 Fish-bone diagram圖6 魚骨圖

（3）工作環(huán)境較差。公司5S 實施方面不盡人意，工作環(huán)境整體出現(xiàn)臟亂差現(xiàn)象，零件擺放位置不合理，影響工作效率。

（4）檢驗工具出現(xiàn)磨損、表面不清潔導致定位不準。生產(chǎn)零件所使用的檢驗工具已使用多年，部分工具出現(xiàn)生銹情況，長期沒有保養(yǎng)導致檢驗出現(xiàn)差錯。

3.4 改進方案

針對以上問題提出對策，最終決定采取如表3 所示措施。

Table 3 Losing control reason and solution表3 失控原因及解決方案

3.5 改善狀況分析

3.5.1 改善后控制圖分析

在各部門嚴格執(zhí)行表3 中的改進措施后，每加工一組零件就及時繪制相關(guān)數(shù)據(jù)控制圖，利用判穩(wěn)準則判斷過程是否異常，實時監(jiān)測零件加工過程，及時發(fā)現(xiàn)加工中存在的異常情況。表4 為項目開展兩周后獲得的數(shù)據(jù)，同樣把所搜集到的100 個數(shù)據(jù)分為20 組，每組樣本大小為5 個，同樣用MINITAB 軟件繪制出-X-R控制圖，如圖7 所示。

根據(jù)判穩(wěn)準則可以看出，統(tǒng)計數(shù)值已達到穩(wěn)定狀態(tài)，并且數(shù)據(jù)波動很小，改善后各樣本均值均在控制界限內(nèi)，改進效果明顯，生產(chǎn)過程趨于穩(wěn)定。

3.5.2 改善后工序能力分析

工序能力指數(shù)是判斷生產(chǎn)過程是否穩(wěn)定的重要指標之一，改善后的工序能力如圖8 所示。

由圖8 可以看出，改進后的工序能力提升顯著，工序能力指數(shù)為1.12。由工序能力分析表可以看出，改進后的生產(chǎn)過程狀態(tài)較為穩(wěn)定，此時只需維持正常的工序生產(chǎn)條件，做好工序的實時監(jiān)控即可。對生產(chǎn)過程實時進行監(jiān)控，及時報警，防止廢品發(fā)生。

Table 4 Improved little head hole diameter size information表4 改善后小頭孔內(nèi)徑尺寸信息

Fig.7 Improved connecting rod small hole diameter- R control chart圖7 改進后連桿小頭孔內(nèi)徑尺寸- R 控制圖

3.5.3 改善前后連桿不合格品率對比分析

通過對控制圖和工序能力分析，可直觀了解生產(chǎn)過程穩(wěn)定狀態(tài)，但給企業(yè)帶來的經(jīng)濟效益情況不明。下面通過統(tǒng)計過程控制技術(shù)實施前后連桿不合格率的對比數(shù)據(jù)，分析統(tǒng)計過程控制技術(shù)給企業(yè)帶來的經(jīng)濟效益，如圖9 所示。

Fig.8 Improved connecting rod hole diameter process capability analysis圖8 改進后連桿小孔內(nèi)徑尺寸工序能力分析

Fig.9 Statistical process control technology application before and after connecting rod’s bad play comparative analysis圖9 SPC 應用前后連桿不良品數(shù)對比分析

從圖9 可以看出，在SPC 實施一年后，平均每月生產(chǎn)10 000 個連桿的不良品數(shù)量得到明顯控制，從平均每月257 個降低到每月的150 個，極大減少了不良品率。

3.6 SPC 應用成效

通過實施SPC，YT 公司的生產(chǎn)過程穩(wěn)定性有了提升。在生產(chǎn)工序控制方面，通過對比改善前后的控制圖和工序能力分析圖可以直觀看出，改善后控制圖沒有出現(xiàn)樣本均值超出控制界限的情況，工序能力指數(shù)由原來的0.93 提升到1.12，反映出企業(yè)在運用SPC 后生產(chǎn)過程得到改善。在質(zhì)量檢驗方面，應用SPC 解決了事后檢驗方式存在的問題，極大提高了工作效率，有效減少了不良品率，公司月不良品率由原來的3%降到了1.5%以下。

SPC 的應用降低了企業(yè)對常規(guī)監(jiān)督檢驗的依賴性，采用定時觀察以及系統(tǒng)化的測量手段代替大量監(jiān)督檢測和驗證，大大降低了檢驗成本。統(tǒng)計過程控制技術(shù)作為重要的質(zhì)量管理工具之一，能幫助企業(yè)減少質(zhì)量成本損失，提升企業(yè)質(zhì)量管理工作，提高企業(yè)市場競爭力。

4 結(jié)語

本文以控制發(fā)動機連桿尺寸為研究對象，對汽車制造業(yè)零件制造過程中應用SPC 進行了研究。本研究形成了系統(tǒng)的汽車零件加工質(zhì)量控制方法，提高了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，降低了生產(chǎn)中的不良品率，為汽車加工企業(yè)應用SPC 提供了借鑒。但本文研究還存在不足，如未實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化采集等。目前，信息化、自動化和智能化是研究熱點，SPC 發(fā)展也愈加成熟，后續(xù)研究方向如下：

（1）在傳統(tǒng)的休哈特控制圖上進行改進創(chuàng)新，與其他控制圖相結(jié)合，建立更為復雜、精準的模型。

（2）建立集成制造系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)與計算機技術(shù)完成數(shù)據(jù)采集、在線檢測、實時監(jiān)控；完成數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，使監(jiān)控效力更強，生產(chǎn)閉環(huán)更高效。

（3）過程質(zhì)量是非線性且復雜多變的，可以引入神經(jīng)網(wǎng)絡，使預測和監(jiān)控得到更好的分類及近似結(jié)果。