黃兆云，李佳佳，劉好利，周亞成，劉春，張建華

（理士國(guó)際技術(shù)有限公司（江蘇理士），江蘇 淮安 211600）

0 引言

早在十多年前，《鉛蓄電池行業(yè)準(zhǔn)入條件》中第四點(diǎn)第八條明確規(guī)定“2012 年 12 月 31 日后新建、改擴(kuò)建項(xiàng)目禁止采用外化成工藝”[1]，各鉛酸蓄電池生產(chǎn)廠家逐步實(shí)施了鉛酸蓄電池的內(nèi)化成工藝。然而，12 V 6 Ah 小型鉛酸蓄電池內(nèi)化成工藝的一次容檢合格率始終沒(méi)有達(dá)到以往外化成電池一次容檢合格率水平。因此，通過(guò)對(duì)內(nèi)化成工藝一次容檢不良率產(chǎn)生的各個(gè)因素進(jìn)行了分析和探討，如內(nèi)化成生極板成分分析、注酸機(jī)測(cè)量系統(tǒng)分析、充電機(jī)測(cè)量系統(tǒng)分析、注酸條件等，并采用 DOE 實(shí)驗(yàn)響應(yīng)優(yōu)化器得出最優(yōu)方案。

1 項(xiàng)目定義階段（Define）

統(tǒng)計(jì) 2022 年 1 月至 2022 年 5 月生產(chǎn)的 12 V 6 Ah鉛酸蓄電池的內(nèi)化成一次容檢合格率得出，這種小型密封鉛酸蓄電池的內(nèi)化成一次容檢合格率只有94.88 %。雖然可以對(duì)剩下的占比為 5.12 % 的一次容檢不合格的蓄電池，進(jìn)行二次補(bǔ)酸、補(bǔ)電、重新容檢，使容檢合格率達(dá)到 99.9 % 以上，但是二次容檢過(guò)程耗時(shí)耗工，會(huì)增加生產(chǎn)成本，并導(dǎo)致生產(chǎn)不順暢，影響產(chǎn)品及時(shí)交付。

提升閥控鉛酸蓄電池 12 V 6 Ah 內(nèi)化成一次容檢合格率，啟動(dòng)六西格瑪改善綠帶項(xiàng)目。通過(guò)分析供應(yīng)商（Supplier）、輸入（Input）、過(guò)程（Process）、輸出（Output）、客戶（Customer），確定過(guò)程中的原材料、極板、組裝、加酸、充電容檢為關(guān)鍵過(guò)程。對(duì) 12 V 6 Ah 內(nèi)化成一次容檢合格率Y以及導(dǎo)致不合格的各種原因y進(jìn)行定義。Y=1- (y1+y2+y3+y4)。y1表示一次容檢不合格率，是指電池 20 小時(shí)率容量檢測(cè)終止電壓小于 10.8 V或工藝標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，不符合工藝要求的電池?cái)?shù)量占電池生產(chǎn)總量的比率。此數(shù)據(jù)由充電機(jī)篩選得出。y2表示酸量不合格率，是指電池加酸后，人工發(fā)現(xiàn)酸量或多或少的電池?cái)?shù)量占電池生產(chǎn)總量的比率。酸量不合格的電池?cái)?shù)量由人工統(tǒng)計(jì)。y3表示開(kāi)機(jī)不合格率，是指電池加酸后由于短路、斷路而不能開(kāi)機(jī)的電池?cái)?shù)量占電池生產(chǎn)總量的比率。開(kāi)機(jī)不合格的電池?cái)?shù)量由充電工人統(tǒng)計(jì)。y4表示過(guò)程不合格率，是指由于操作失誤、巡檢線掉落等原因數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的電池?cái)?shù)量占電池生產(chǎn)總量的比率。過(guò)程不合格的電池?cái)?shù)量由充電工人統(tǒng)計(jì)。

2 測(cè)量階段（Measuremen）

六西格瑪管理測(cè)量階段（M 階段）的路徑包括：①關(guān)鍵輸出的測(cè)量系統(tǒng)分析?？蛇x用的工具包括計(jì)量型測(cè)量系統(tǒng)分析、計(jì)數(shù)型測(cè)量系統(tǒng)分析、破壞性測(cè)量系統(tǒng)分析。②關(guān)鍵輸出的當(dāng)前表現(xiàn)。可選用工具為統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制、計(jì)量型過(guò)程能力分析。③初步尋找原因并識(shí)別快贏機(jī)會(huì)?？蛇x用工具為頭腦風(fēng)暴法、魚骨頭、詳細(xì)流程圖、因果矩陣圖、潛在失效模式及后果分析、控制計(jì)劃等。

2.1 Y 的表現(xiàn)（過(guò)程能力）

12 V 6 Ah 電池內(nèi)化成的過(guò)程影響首要是檢驗(yàn)極板成分、厚度、質(zhì)量等是否符合工藝標(biāo)準(zhǔn)的要求。抽取正生極板做 XRD 成分分析，觀察其中的 3BS與 4BS 的比例是否有利于一次初始容量形成。圖1顯示，正生極板中 PbO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 31.1 %，3BS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 62.4 %，4BS 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5.3 %。3BS 的含量達(dá)到預(yù)期值 60 % 以上，有利于初始容量的形成[2]。由圖2 可見(jiàn)，正極板中尺寸為 10 μm 的晶體表現(xiàn)正常，尺寸為 100 μm 的晶體表現(xiàn)均勻。

圖1 正生板鉛膏 XRD 成分分析圖

圖2 正極板鉛膏 SEM 掃描電鏡圖片

2.2 注酸機(jī)測(cè)量系統(tǒng)分析

測(cè)量設(shè)備為 MTL-FCK200×12 型（單格容量200 mL，12 管）真空注酸機(jī)。測(cè)量對(duì)象為注酸量。該注酸機(jī)配有稱量系統(tǒng)，可自動(dòng)采集前、后兩稱的電池質(zhì)量，并錄入系統(tǒng)，自動(dòng)計(jì)算酸量，然后繪制Xbar–R 控制圖。12 V 6 Ah 內(nèi)化成電池注酸量單格89 g，總酸量 534 g ± 5 g。在一臺(tái)加酸機(jī)上連續(xù)加酸 125 只電池。表1 顯示，極差控制上限為 14.595 g，已經(jīng)超出規(guī)格上下限極差 10 g 的范圍。過(guò)程能力指數(shù)Cpk為 0.554，過(guò)程性能指數(shù)Ppk為 0.465。二者均小于 0.67，表明過(guò)程能力嚴(yán)重不足，因此需要立即采取全檢措施，必要時(shí)可進(jìn)行停工整頓[3]。

表1 加酸機(jī)酸量 Xbar-R 數(shù)據(jù)表

2.3 充電機(jī)測(cè)量系統(tǒng)分析

所選測(cè)量設(shè)備為 μc-3000SH 型微電腦充電機(jī)（技術(shù)指標(biāo)：輸出電壓 320 V，輸出電流 10 A，24 回路，穩(wěn)流穩(wěn)壓精度±0.5 % FS）。測(cè)量對(duì)象為電流，測(cè)量人員有 3 人。量具重復(fù)性和再現(xiàn)性研究（R&R 研究）采用 Xbar-R 法。樣本數(shù)量取10 只，重復(fù)測(cè)量 3 次。量具用外校萬(wàn)用表，公差0.001。經(jīng)過(guò)計(jì)算，%R&R = P/TV = 4.29% ≤10%，P/T = 2.68% ≤10%，ndc = 32 ≥ 5。此結(jié)果表明，充電機(jī)測(cè)量系統(tǒng)工作正常。

2.4 原因篩選

為了研究哪些因素對(duì)內(nèi)化成工藝一次容檢不合格率（Y）有影響，梳理工藝流程圖中的來(lái)料極板、極群配組、焊接、加酸、充電/容檢等過(guò)程，通過(guò)因果矩陣圖篩選出對(duì)容檢不合格率影響因素有極板厚度、極板質(zhì)量、裝配壓力、隔板厚度、工人的操作手法、焊接厚度、真空壓力、注酸機(jī)的穩(wěn)定性、充電機(jī)的電流和充電電池的溫度。通過(guò)初始FMEA（失效模式與后果分析）的嚴(yán)重度（S）、發(fā)生率（O）、探測(cè)度（D）的分值相乘得出 rpn（風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)），對(duì) rpn 值較高的注酸機(jī)穩(wěn)定性、裝配壓力、充電機(jī)電流、極板質(zhì)量展開(kāi)初步分析，得出影響一次容檢合格率的關(guān)鍵因子 X。

3 分析階段（Analyze）

對(duì)上述篩選得出的 4 個(gè)初步關(guān)鍵因子 X，通過(guò)潛在的關(guān)鍵原因進(jìn)行識(shí)別出根本原因。在 Minitab軟件協(xié)助下，可以采用箱型圖、散點(diǎn)圖、交互作用圖、方差分析、等方差檢驗(yàn)、相關(guān)性及回歸分析等方法來(lái)驗(yàn)證這些因子是否為根因。

3.1 注酸機(jī)是否為關(guān)鍵因子

選取同批次生產(chǎn)的正生極板、負(fù)生極板各 125 片，稱量極板的質(zhì)量，做卡方檢驗(yàn)，目的是排除極板質(zhì)量的干擾。將極板質(zhì)量數(shù)據(jù)輸入 Minitab 軟件中工作表，選擇統(tǒng)計(jì)（S）—質(zhì)量工具—運(yùn)行圖。由圖3 可見(jiàn)，對(duì)正生極板的質(zhì)量數(shù)據(jù)中每組 5 個(gè)數(shù)據(jù)取平均值運(yùn)行后，得出檢驗(yàn)聚類性混合的近似 P 值為 0.151，大于 0.05，表明正太性檢驗(yàn)無(wú)異常[4]。也就是說(shuō)，正極板質(zhì)量的偏差犯錯(cuò)概率不高，為影響一次容檢合格率的非關(guān)鍵因子。由圖4 可見(jiàn)，對(duì)負(fù)生極板的質(zhì)量數(shù)據(jù)中每組 5 個(gè)數(shù)據(jù)取平均值運(yùn)行后，得出檢驗(yàn)聚類性混合的近似 P 值為 0.728，大于 0.05，表明正太性檢驗(yàn)無(wú)異常。也就是，負(fù)極板質(zhì)量的偏差犯錯(cuò)概論不高，為影響一次容檢合格率的非關(guān)鍵因子。

圖3 正生板質(zhì)量的運(yùn)行圖

圖4 負(fù)生板質(zhì)量的運(yùn)行圖

同樣，采用 μc-3000SH 型微電腦充電機(jī)作為測(cè)量設(shè)備。在運(yùn)行時(shí)，預(yù)設(shè)每個(gè)回路的校驗(yàn)電流后，對(duì)充電過(guò)程的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在這 24 個(gè)回路中，每個(gè)回路抽查 5 只電池端充電電流，所以共有 120 個(gè)數(shù)據(jù)。由圖5 可得，對(duì)充電機(jī)輸出到電池端電流數(shù)據(jù)中每組 5 個(gè)數(shù)據(jù)取平均值運(yùn)行后，得出檢驗(yàn)聚類性的混合近似 P 值為 0.982，大于 0.05，表明正太性檢驗(yàn)無(wú)異常。也就是，充電機(jī)的輸出到電池端電流的犯錯(cuò)概率不高，為影響一次容檢合格率的非關(guān)鍵因子。

圖5 充電機(jī)電流的運(yùn)行圖

選取同批次極板，采用規(guī)格型號(hào)相同的充電機(jī)，以及 3 臺(tái)同樣規(guī)格、不同機(jī)臺(tái)的注酸機(jī)，收集容檢后產(chǎn)生的電池不合格率數(shù)據(jù)。每臺(tái)注酸機(jī)給400 只電池注酸。經(jīng)過(guò)容檢后，3 臺(tái)注酸機(jī)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的不合格電池?cái)?shù)量分別為 3 只、11 只、16 只。將數(shù)據(jù)輸入 Minitab 軟件中工作表，選擇統(tǒng)計(jì)（S）—表格—卡方檢驗(yàn)。由表2 可知，經(jīng)過(guò)卡方檢驗(yàn)，P 值為 0.012，小于 0.05，說(shuō)明注酸機(jī)的穩(wěn)定性是影響一次容檢合格率的關(guān)鍵因子。

表2 不同注酸機(jī)之間的卡方檢驗(yàn)

3.2 極板質(zhì)量是否為關(guān)鍵因子

抽取不同批次的極板組裝成電池，然后在同一注酸機(jī)給電池注酸，并采同規(guī)格的充電機(jī)給電池充電，收集容檢后產(chǎn)生的一次容檢不合格率。對(duì)于第 1 組電池，正極板的質(zhì)量板偏上限，負(fù)極板的質(zhì)量偏上限。對(duì)于第 2 組電池，正極板的質(zhì)量板偏下限，負(fù)極板的質(zhì)量偏下限。兩組極板為極限組合，檢驗(yàn)極板質(zhì)量是否為關(guān)鍵因子。由表3 可知，經(jīng)過(guò)卡方檢驗(yàn)，P 值為 0.410，大于 0.05，說(shuō)明極板質(zhì)量不是顯著因子。但是，從整體水平來(lái)看，第 1 組電池與第 2 組電池相比，20 小時(shí)率容量放電時(shí)間均值要高出 30 min。

表3 不同批次極板之間的卡方檢驗(yàn)

3.3 充電機(jī)電流是否為關(guān)鍵因子

由上述不同質(zhì)量極板生產(chǎn)的電池，在同一臺(tái)充電機(jī)的 8 個(gè)回路上充電、容檢。統(tǒng)計(jì)經(jīng)過(guò)容檢后的電池不合格率。經(jīng)過(guò)卡方分析，P 值為 0.693，大于 0.05，說(shuō)明充電機(jī)電流為影響一次容檢合格率的非關(guān)鍵因子。

3.4 裝配壓力是否為關(guān)鍵因子

取 125 個(gè)極群，采用 WD51-V1000 型極板極群壓力測(cè)試儀，測(cè)試極群的裝配壓力為 45～55 kPa。有研究表明，閥控式鉛酸蓄電池的裝配壓力在 20～30 kPa 比較適中。當(dāng)裝配壓力在 70 kPa以上時(shí)，電池的 20 小時(shí)率容量顯著下降[5]。經(jīng)過(guò)卡方檢驗(yàn)，P 值為 0.204，大于 0.05。因此，極群裝配壓力與容量有關(guān)，但非影響一次容檢合格率的關(guān)鍵因子。

4 改進(jìn)階段（Improve）

4.1 初步分析

通過(guò)以上分析，得出關(guān)鍵因子為注酸機(jī)的穩(wěn)定性。加酸機(jī)穩(wěn)定性的因子與其工藝過(guò)程密切相關(guān)。注酸工藝有重力法（自流式）、真空法、增壓推入法[6]。目前車間有真空注酸機(jī) 8 臺(tái)，加酸工藝主要條件為抽真空的壓力、時(shí)間、頻次。在 Minitab 軟件中，選擇統(tǒng)計(jì)（S）—DOE—因子，設(shè)計(jì)三因子兩水平 DOE 實(shí)驗(yàn)。三因子分別為抽真空壓力、時(shí)間、頻次。兩水平分別為高、低。按 1 個(gè)仿行進(jìn)行2K 全因子分析[7]。每項(xiàng)選取 100 只電池。實(shí)驗(yàn)設(shè)定抽真空壓力的水平為 -90 kPa、-80 kPa，抽真空時(shí)間的水平為 15 s、25 s，抽真空頻次水平為 1 次、3 次。對(duì)經(jīng)過(guò)注酸、充電的電池進(jìn)行容檢，然后把容檢合格率結(jié)果輸入工作表中進(jìn)行分析。表4 給出了三因子兩水平 DOE 實(shí)驗(yàn)方案的運(yùn)行結(jié)果。其中，合格率為 97 % 就表示 100 只電池有 97 只電池合格。

表4 3 因子兩水平 DOE 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在該 DOE 實(shí)驗(yàn)方案中，選擇統(tǒng)計(jì)（S）—DOE—因子—分析因子設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作效應(yīng)的Pareto 圖，通過(guò)圖6 可以看出，代號(hào)為 A、C、AB的因子影響較大。代號(hào) A 的因子是抽真空壓力、代號(hào) B 的因子是抽真空時(shí)間、代號(hào) C 的因子是抽真空頻次、代號(hào) AB 的因子就是抽真空壓力和抽真空時(shí)間。繼而，在該 DOE 實(shí)驗(yàn)方案中，選擇統(tǒng)計(jì)（S）—DOE—因子—響應(yīng)優(yōu)化器，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作期望值最大的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)圖7 分析，得到最大值 98 % 的條件為：抽真空壓力為 -90 kPa，抽真空時(shí)間 25 s，抽真空頻次為 3 次。

圖6 效應(yīng)的 Pareto 圖

圖7 主效應(yīng)圖

4.3 改善方案

針對(duì)車間真空壓力不穩(wěn)定，在 -90～-80 kPa 范圍內(nèi)來(lái)回波動(dòng)的情況，增加 1 個(gè)負(fù)壓真空泵，將真空壓力穩(wěn)定在 -95～-90 kPa 之間。制定臨時(shí)工藝，設(shè)定抽真空 3 次，并且根據(jù)電池大小將首次抽真空時(shí)間由 15 s（目前電池注酸工藝參數(shù)）調(diào)整為 25 s，其余 2 次抽真空時(shí)間為 15 s。

4.4 運(yùn)行檢驗(yàn)

按照改善方案的工藝，經(jīng)過(guò) 3 個(gè)月的運(yùn)行，電池的一次容檢合格率從之前 94.88 %，提升至 99.63 %，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)（即合格率為 99.5 %）。在 Minitab軟件中，選擇統(tǒng)計(jì)（S）—基本統(tǒng)計(jì)量—雙比率—匯總數(shù)據(jù)，輸入試驗(yàn)電池?cái)?shù)量，以一次容檢不合格電池?cái)?shù)量作為事件。表5 顯示，通過(guò)差值檢驗(yàn)，P值近似為 0，小于 0.05，說(shuō)明改善效果顯著[8]。

表5 雙比率檢驗(yàn)結(jié)果

5 控制階段（Control）

上述運(yùn)行結(jié)果經(jīng)過(guò)評(píng)估，可以形成文件。修訂操作標(biāo)準(zhǔn)書，將注酸工藝中影響注酸機(jī)穩(wěn)定性的3 個(gè)重要因子，即抽真空時(shí)間、抽真空壓力、抽真空頻次，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。并且，召集現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)修改后的文件進(jìn)行培訓(xùn)，說(shuō)明前因后果。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)六西格瑪項(xiàng)目，運(yùn)用科學(xué)的思路和方法，解決錯(cuò)亂復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，尤其是每一步的邏輯驗(yàn)證真假，篩選關(guān)鍵因子，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否為該因子的改善直接結(jié)果，并注重財(cái)務(wù)收益結(jié)果。六西格瑪不僅僅是一個(gè)形式上的程式或教條，作為一種經(jīng)