張南洋,侯園
(江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機械工程學(xué)院,江蘇 徐州 221000)
蘇州某醫(yī)療器械(中國)有限公司質(zhì)量保證部發(fā)現(xiàn),2020年1—12月,在機械加工工序鎖骨干VI接骨板的厚度尺寸超差,共計生產(chǎn)600件,其中報廢82件,合格率86%,與接骨板線機加工合格率97.5%的目標(biāo)差距較大,造成大量返工,增加制造成本并影響制造周期,鎖骨干VI接骨板如圖1所示。
為減少產(chǎn)品超差,提升產(chǎn)品合格率,采用六西格瑪管理法,通過設(shè)計和監(jiān)控過程,以數(shù)據(jù)作為決策基礎(chǔ),將可能的失誤減少到最低限度[1],實施流程遵循五步循環(huán)改進法,即DMAIC模式:定義(Define)、測量(Measure)、分析(Analyze)、改進(Improve)、控制(Control), 從而提高鎖骨干VI接骨板厚度一次合格率。
鎖骨干VI接骨板是接骨板線重要產(chǎn)品之一,作為一款暢銷產(chǎn)品,市場認可度高,務(wù)必保證產(chǎn)品合格率,滿足客戶要求。該產(chǎn)品單件加工成本較高且班組產(chǎn)能較低,而2021年產(chǎn)能需求又大幅提高,如不提高一次合格率,將會影響生產(chǎn)周期和及時交付。本文鎖骨干VI接骨板厚度一次合格率Y=檢驗合格數(shù)÷檢驗總數(shù)×100%,依據(jù)70%以上改善幅度,目標(biāo)設(shè)定Y=98%。
在測量階段,影響測量結(jié)果的因素有很多,如操作人員的經(jīng)驗、測量的溫度、測量儀器的精度等。因此,為保證測量數(shù)據(jù)的真實性、有效性,必須對測量系統(tǒng)進行一次科學(xué)、系統(tǒng)的評價。
取10個試樣,每個樣品由3個操作員各測量3次,采用量具R&R交叉法進行重復(fù)性和再現(xiàn)性研究。從表1中可知,%R&R=4.37% <10%,可區(qū)分類別數(shù)=32>5,說明該測量系統(tǒng)是可以接受的,測量誤差滿足使用要求。
表1 實測值的量具R&R分析數(shù)據(jù)
過程能力也稱工序能力,是指能穩(wěn)定地生產(chǎn)合格品的實際加工能力。影響過程能力的因素很多,如操作人員的加工質(zhì)量、機床設(shè)備的精度、材料、工藝等。從2020年10月至12月的記錄中抽取30件產(chǎn)品進行過程能力分析,結(jié)果如圖2所示。
圖2 Y的過程能力分析
I-MR控制圖是指標(biāo)繪變量數(shù)據(jù)在一段時間內(nèi)的單個觀測值(I控制圖)和移動極差(MR控制圖)。通過I-MR圖,可判定機加工過程是處于統(tǒng)計受控;通過正態(tài)概率圖的P<0.05,說明數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布,Ppk(用來計算工序性能或叫過程性能的指數(shù))為-0.01,說明過程能力很差,需要即刻改善。通過以上描述可知,測量系統(tǒng)滿足要求,但鎖骨干VI接骨板厚度的過程能力嚴(yán)重不足。
分析階段主要是針對測量階段找出的變動原因的優(yōu)先順序來收集數(shù)據(jù),對引起Y變動的因素X進行分析,確定哪些因素對Y有顯著的影響。
經(jīng)小組頭腦風(fēng)暴識別,影響Y的潛在因素X如表2所示。
表2 影響Y的潛在因素X
通過對Y分解為若干個相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),按照重要程度分為1~10個級別,對影響Y厚度尺寸的影響因子分為0、1、3、6、9五個等級,并對輸入因子逐一進行打分,將這些因子進行因果矩陣分析,進一步找出關(guān)鍵的輸入因子。最后,利用帕累托圖篩選占比80%的因子,共篩選出4個重要因子:工藝不穩(wěn)定(42.9%)、零件變形(28.6%)、定位不良(14.3%)、工裝干涉(14.3%),并對原因清楚因子進行快速改善,改善計劃如表3所示。
表3 快贏改善計劃
該階段主要是優(yōu)化解決方案,并確認該方案能夠滿足或超過項目質(zhì)量改進目標(biāo)。擬訂幾個可供選擇的改進方案,通過討論并多方面征求意見,從中挑選出最理想改進方案付諸實施。
經(jīng)過以上3個階段的幾個快速改善,已經(jīng)對工裝干涉、定位不良等重要因子進行了快速改善。經(jīng)過分析階段分析驗證, 判斷對Y有影響的重要X因子是零件變形和工藝不穩(wěn)定,改進階段將對以上重要X因子進行改善,改善計劃如表4所示。
表4 因子改善計劃表
影響殘余應(yīng)力的主要因素是銑削力、銑削熱和裝夾狀態(tài)等,當(dāng)銑削速度比較小、裝夾均勻的情況下,銑削力就成為影響殘余應(yīng)力的關(guān)鍵因素。因此,優(yōu)化切削參數(shù)對切削力的影響很有必要[2]。
4.2.1 銑刀有限元模型構(gòu)建與分析
1)前置處理。
在DEFORM-3D軟件中定義銑刀為剛體,工件為純鈦TA3G板材,采用四面體網(wǎng)格進行劃分,其中工件網(wǎng)格為20 000個,并進行0.1比例的網(wǎng)格細分。分別拾取X、Y、Z三個方向的面進行自由度約束,完成對工件邊界條件的設(shè)定,參照工件坐標(biāo)系設(shè)置銑刀的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)軸線及進給方向,并設(shè)置切削速度和移動速度[3]。
根據(jù)加工條件刀具直徑為6 mm,工件主軸轉(zhuǎn)速為2000 r/min,進給速度為60 mm/min,切削溫度為20 ℃,為研究刀具伸出長度對銑削力所承受的應(yīng)力、變形的影響規(guī)律,選取4種不同的伸出長度L為10、15、20、25 mm,仿真過程如圖3所示。
圖3 DEFORM銑削仿真加工
2)后處理分析。
銑刀伸出長度類似懸臂梁,總體上刀具應(yīng)力隨著伸出長度的增大而增大,但從表5可知,并不是簡單的線性關(guān)系,而是呈現(xiàn)先減小、后增大的變化趨勢,不過當(dāng)?shù)毒呱斐鲩L度從20 mm增大到25 mm時,只有略微的增大。另外,當(dāng)?shù)毒叩膽?yīng)變處于15~25 mm范圍內(nèi)時,整體變化不明顯。綜上可以得出,刀具懸伸長度在20 mm(40%總長)時,銑刀體現(xiàn)出的綜合加工特性較好。
表5 不同刀具伸出長度的最大變形與應(yīng)力
4.2.2 切削用量對切削力的影響
依據(jù)銑削用量的選擇原則、實際操作加工習(xí)慣及自動編程的特點,基于銑削寬度ae、每齒進給量fz以及主軸轉(zhuǎn)速n三個變量[4],選用L9(34)正交表進行四因素三水平正交試驗,測得切削力合力如表6所示。
表6 正交試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析
根據(jù)極差R值可知,進給量和銑削寬度對切削力影響較大,切削速度影響最小。在此基礎(chǔ)上考慮金屬材料去除率即零件的加工效率,第8組試驗為最優(yōu)一組切削參數(shù)組合。
另外,參照表6正交回歸試驗的數(shù)據(jù),借助回歸處理功能,可構(gòu)建銑削力預(yù)測模型[5]為。
除此之外,考慮工藝不穩(wěn)定,還需要對相關(guān)工序次序進行改進,減小裝夾次數(shù),如將加工中心上的3次裝夾改為2次裝夾,去掉工序15,直接調(diào)整平口鉗夾緊兩側(cè)面,銑削基準(zhǔn)平面保證厚度>12.5 mm。型面按三維造型加工,并自動編程,在保證厚度尺寸的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)表面無明顯刀痕等。針對影響工藝不穩(wěn)定的全部因子改善細節(jié)如表8所示。
表8 因子改善細節(jié)
抽取30件產(chǎn)品進行過程能力分析,得到Ppk=1.12,說明改善后過程能力顯著提升,P<0.05,判定改善措施有效。
表7 正交試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析
在改進階段,通過對工藝工步、工裝夾具、裝夾方式等方面進行改善,已充分分析各因素對加工中心工序厚度尺寸的影響,取得較好的改善效果。在控制階段,將對上述結(jié)果進行跟蹤確認并加以標(biāo)準(zhǔn)化控制,形成PWT22Z67/A0企業(yè)文件編號。
經(jīng)過連續(xù)5個月檢測,鎖骨干VI接骨板的厚度一次合格率由86%提高至100%,如表9所示。
表9 目標(biāo)達成情況確認
本文采用了六西格瑪(6σ)管理法,首先對產(chǎn)品的測量系統(tǒng)、過程能力進行分析,利用帕累托圖篩選出工藝不穩(wěn)定、零件變形、定位不良、工裝干涉4個重要因子,并對原因清楚制定了解決問題的方法,最終使該產(chǎn)品的合格率得到顯著的提升。