基于精益6滓的航空高強(qiáng)鋼零件大尺寸面輪廓度數(shù)控加工參數(shù)優(yōu)化

汪 鵬，王 婕

（1.中國航空制造技術(shù)研究院，北京100024；2.中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京101300）

0 引言

精益 6σ（Lean Six Sigma，LSS，簡稱 6σ）是精益生產(chǎn)與6σ管理的結(jié)合，是1種消除浪費(fèi)的質(zhì)量管理方法，通過對精益生產(chǎn)和6σ管理的整合，吸收2種生產(chǎn)模式的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)單個(gè)生產(chǎn)模式的不足，達(dá)到更佳的管理效果[1-3]。精益6σ不是精益生產(chǎn)和6σ的簡單相加，而是二者的互相補(bǔ)充、有機(jī)結(jié)合，其目的是提高客戶滿意度、降低成本、提高質(zhì)量、加快流程速度和改善投入，實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化。精益6σ一般采用定義、測量、分析、改進(jìn)、控制（Define、Measure、Analyze、Improve、Control，DMAIC）[4-5]流程分析技術(shù)，規(guī)范使用和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，優(yōu)化工藝流程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或服務(wù)的持續(xù)改進(jìn)。航空零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高[6-7]。數(shù)控加工作為1種高精度、高柔性和高效率的加工方法，在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8-9]。50%以上的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件都采用數(shù)控加工制造[10]。對于大尺寸面輪廓度，數(shù)控加工是目前最好的工藝方法，但必須設(shè)置合理的數(shù)控加工工藝參數(shù)，才能提高大尺寸面輪廓度加工精度和合格率。國內(nèi)外在數(shù)控加工設(shè)備、刀具、環(huán)境等方面已經(jīng)開展了定性分析研究，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式制定加工工藝參數(shù)并進(jìn)行相關(guān)研究[11-12]。采用數(shù)控加工生產(chǎn)的航空零部件，其工藝參數(shù)數(shù)字化程度較高、規(guī)范且易于測量或監(jiān)控，適合采用精益6σ方法改善加工工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品合格率、降低成本。但由于統(tǒng)計(jì)技術(shù)應(yīng)用不普及[13]，利用精益6σ中相關(guān)方法對輪廓度等加工工藝參數(shù)進(jìn)行完善、優(yōu)化的研究較少。

本文以某航空高強(qiáng)鋼零件為對象，針對該零件大尺寸面輪廓度數(shù)控加工合格率較低的問題，利用精益6σ方法分析流程關(guān)鍵影響因素，確定3個(gè)關(guān)鍵影響因素的最佳組合，并優(yōu)化了工藝參數(shù)，改進(jìn)了工藝流程。

1 大尺寸面輪廓度數(shù)控加工難點(diǎn)分析

航空結(jié)構(gòu)件具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁結(jié)構(gòu)多、加工變形大等特點(diǎn)，且零件材料多為難加工材料[14-17]。本文所研究的某航空零件內(nèi)部為空心腔，材料為高強(qiáng)度鋼，是典型的難加工材料復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)件，如圖1所示。該零件存在1處直徑為2500 mm、高度為20 mm的圓弧面，圓弧面面輪廓度要求為0~0.25 mm。由于該特征處圓弧面直徑大，薄壁內(nèi)部為空心腔，采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)加工出的特征圓弧面面輪廓精度差，不合格率達(dá)20%，生產(chǎn)成本高，并影響了零件交付進(jìn)度，顧客不滿。

圖1 圓弧面

2 基于精益6σ的關(guān)鍵工藝參數(shù)分析

2.1 流程分析

針對該零件圓弧面面輪廓度加工精度差的問題，按照精益6σ中DMAIC流程，繪制因果圖和加工流程等，收集并分析測量相關(guān)影響因素Xs數(shù)據(jù)，找出關(guān)鍵因素及其最優(yōu)組合，制定新的工藝流程，優(yōu)化工藝參數(shù)，突破流程瓶頸；通過修訂工藝文件，制定檢查記錄表格控制方法等，對改進(jìn)后的流程進(jìn)行固化，提高生產(chǎn)合格率，提高客戶滿意度。

2.2 定義和測量階段（DM階段）

在定義階段（D階段）需要確認(rèn)顧客關(guān)鍵需求并識別需求改進(jìn)的產(chǎn)品或流程，組成項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，制定項(xiàng)目計(jì)劃，決定要進(jìn)行測試、分析、改進(jìn)和控制的關(guān)鍵質(zhì)量特性（Critical to Quality，CTQ），制定項(xiàng)目的目標(biāo)，并估算達(dá)成目標(biāo)后的預(yù)計(jì)收益[18]。

該零件加工完成后，利用3坐標(biāo)測量機(jī)測量面輪廓度，面輪廓度超出0~0.25 mm范圍即為缺陷。在同批次中共生產(chǎn)120件，其中在數(shù)控加工工序中有面輪廓度缺陷的為24件，不合格率為20%，面輪廓度問題的百萬機(jī)會缺陷數(shù)（Defects per Million Opportunity，DPMO）為200000，影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和交付進(jìn)度，顧客不滿。因此，擬采用精益6σ方法，將面輪廓度問題的DPMO降低到40000，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化后DPMO改善80%。

在測量階段（M階段），需要收集整理數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有過程進(jìn)行評估，基于客戶的關(guān)鍵需求、組織的戰(zhàn)略目標(biāo)或關(guān)鍵績效平衡標(biāo)準(zhǔn)，識別影響流程輸出Y的影響因素Xs，并驗(yàn)證測量系統(tǒng)的有效性；分析過程的當(dāng)前短期能力、長期能力等，確定過程基準(zhǔn)。

對上一批次的零件面輪廓度加工質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并在Minitab中作出Y的時(shí)間序列圖，如圖2所示。從圖中可見，在某一階段，零件面輪廓度加工質(zhì)量較好，存在連續(xù)7個(gè)點(diǎn)滿足公差要求?？梢杂?jì)算出上一批次的長期能力ZLT=0.46，短期能力ZST=1.93，中心偏移Zshift=1.47，可見該生產(chǎn)流程技術(shù)一般，控制一般。

圖2 DM階段時(shí)間序列

此外，在DM階段，需要收集整理數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)Y的測量系統(tǒng)，為后續(xù)量化分析做準(zhǔn)備。對圖2中的DM階段時(shí)間序列圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析，得到測量系統(tǒng)研究變異（Study Variation，SV）為 25.8%，可區(qū)分類別數(shù)（Number of Distinct Categories，NDC）為 9，顯示測量系統(tǒng)可用。

為分析出影響流程輸出Y的影響因素Xs，先采用頭腦風(fēng)暴的方法繪制工藝流程的魚刺圖，如圖3所示。從“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測”角度出發(fā)，確定影響面輪廓度的主要因素為測量系統(tǒng)、材料、操作者、環(huán)境、工藝方法和設(shè)備6個(gè)方面，每個(gè)方面均存在多種影響面輪廓度的因素?？紤]可控、可測量且對加工結(jié)果有影響的因素，在魚刺圖中確定操作者X1、加工刀具X2、裝夾方式X3、主軸轉(zhuǎn)速X4、切削量X5、進(jìn)給速度X6、切削方式X7為待分析影響因素Xs。

2.3 分析階段（A階段）

在分析階段，通過采用箱線圖、等方差檢驗(yàn)、單因子方差分析等多種統(tǒng)計(jì)技術(shù)方法和工具對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定影響流程輸出Y的關(guān)鍵影響因素Xs。

數(shù)控加工工序的工藝流程如圖4所示。

圖4 數(shù)控加工工序的工藝流程

整理收集到的數(shù)據(jù)，應(yīng)用Minitab軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，主要包括操作者、加工刀具、裝夾方式、主軸轉(zhuǎn)速、切削量、進(jìn)給速度、切削方式。

通過對A階段輸出Y和影響因素Xs的記錄和測量，在Minitab中對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5所示。首先，從箱線圖來看，加工刀具、切削量和進(jìn)給速度3方面的影響因素X對加工輸出Y影響明顯；用等方差檢驗(yàn)方法進(jìn)行計(jì)算，加工刀具、切削量、進(jìn)給速度的p值（P-value，用來判定假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果）大于0.05，對加工輸出Y無顯著影響；利用單因子方差分析方法進(jìn)行計(jì)算，加工刀具、切削量、進(jìn)給速度的p值均小于0.05，對Y有顯著影響。

建立輸出Y與加工刀具、切削量和進(jìn)給速度的箱線圖，如圖6所示。分析可知最佳關(guān)鍵影響因素Xs組合為加工刀具直徑60 mm，切削量0.1 mm，進(jìn)給速度100 mm/min。

綜合考慮箱線圖、等方差檢驗(yàn)和單因子方差分析的結(jié)果，可以得出加工刀具X2、切削量X5、進(jìn)給速度X6是該零件圓弧面面輪廓度數(shù)控加工過程的關(guān)鍵影響因素Xs。分析其內(nèi)在機(jī)理：

圖6 最佳參數(shù)組合分析

（1）刀具直徑。刀具直徑越小，自身剛性越差，因此加工時(shí)刀具本身振動(dòng)嚴(yán)重，加工出的零件面輪廓偏差大，加工精度差；刀具直徑過大則本身制造公差較大，旋轉(zhuǎn)切削時(shí)包容面大，加工出的面輪廓度也較差。綜合分析，直徑為60 mm的刀具加工效果最佳，結(jié)論可信。

（2）切削量和進(jìn)給速度。進(jìn)給速度小、切削量小，則切削充分，且擠壓變形小，振動(dòng)小，因此采用切削量為0.1 mm、進(jìn)給速度為100 mm/min時(shí)加工效果最佳，結(jié)論可信。

建立面輪廓度與加工刀具X2、切削量X5、進(jìn)給速度X6之間的一般線性模型，得到的結(jié)果見表1。

表1 關(guān)鍵影響因素Xs的GLM模型分析結(jié)果

由連續(xù)平方和（Sequential of Sum of Squares，Seq SS）計(jì)算出加工刀具X2、切削量X5、進(jìn)給速度X6對面輪廓度加工質(zhì)量的貢獻(xiàn)率分別為50.73%、11.13%、19.30%（見表 2）。

表2 關(guān)鍵影響因素Xs貢獻(xiàn)率

2.4 改進(jìn)和控制階段（IC階段）

在I階段尋找最優(yōu)改進(jìn)方案，優(yōu)化過程輸出Y，并消除或減小關(guān)鍵影響因素Xs給輸出Y帶來的波動(dòng)，使過程的缺陷或變異降至最低。在C階段對改進(jìn)成果進(jìn)行固化，通過修訂文件等方法，使成功經(jīng)驗(yàn)制度化，納入現(xiàn)有的質(zhì)量管理體系，通過有效的監(jiān)測方法，維持過程改進(jìn)的成果并尋求進(jìn)一步提高改進(jìn)效果的持續(xù)改進(jìn)方法。

針對分析階段得出的關(guān)鍵影響因素Xs，對工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，增加相應(yīng)控制點(diǎn)，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，改進(jìn)前后工藝流程對比如圖7所示。

圖7 改進(jìn)前后工藝流程對比

圖8 面輪廓度時(shí)間序列

優(yōu)化流程和改進(jìn)措施如下：

（1）將刀具裝夾和程序加載2個(gè)工作步驟明確為控制點(diǎn)，在這2個(gè)步驟內(nèi)，對3個(gè)關(guān)鍵影響因素Xs改進(jìn)后參數(shù)進(jìn)行控制。

（2）設(shè)計(jì)檢查表，對工藝流程中的3個(gè)關(guān)鍵影響因素Xs進(jìn)行檢查記錄。對于加工刀具控制，從操作者領(lǐng)取刀具時(shí)開始，在加載刀具至機(jī)床主軸時(shí)，增加檢查記錄表確認(rèn)動(dòng)作；為保證切削量為0.1mm和進(jìn)給速度為100 mm/min，從源頭加工程序上加以控制，并增加檢查記錄表，操作者檢查確認(rèn)加工參數(shù)后記錄。

（3）增加試切程序，在加工前進(jìn)行特征試切，確認(rèn)刀具直徑和進(jìn)給速度。在加工面輪廓度程序前，增加特征圓弧試切程序，在給定刀具直徑和速度條件下，利用零件毛坯上的余量部分，根據(jù)余量試切特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行試切，確認(rèn)裝夾刀具和加工參數(shù)無誤。

在改進(jìn)和控制階段，采用優(yōu)化后的流程和工藝參數(shù)加工零件并檢測面輪廓度，通過檢測加工結(jié)果，對改進(jìn)后的工藝流程和加工效果進(jìn)行驗(yàn)證。整體研究5個(gè)階段的面輪廓度時(shí)間序列，如圖8所示，從圖中可見，采用優(yōu)化的流程和工藝參數(shù)（刀具直徑60 mm、切削量0.1 mm、進(jìn)給速度100 mm/min）加工出的面輪廓度合格率高，穩(wěn)定性好，僅有1個(gè)點(diǎn)不在合格范圍內(nèi)。經(jīng)檢查分析，該不合格點(diǎn)產(chǎn)生的原因?yàn)榧庸r(shí)刀具產(chǎn)生崩刃而沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成面輪廓度超差。另外，改進(jìn)后的流程長期能力ZLT=4.05，短期能力ZST=2.64，Zshift=1.41，可見該生產(chǎn)流程技術(shù)和控制均較好。

3 結(jié)論

（1）通常影響數(shù)控加工精度的主要因素有操作者、加工刀具、裝夾方式、主軸轉(zhuǎn)速、切削量、進(jìn)給速度、切削方式等，這些參數(shù)規(guī)范、可控，在加工數(shù)控程序和工藝規(guī)程中均可設(shè)置或規(guī)定，適合采用精益6σ的方法進(jìn)行加工工藝參數(shù)優(yōu)化；

（2）通過運(yùn)用箱線圖、等方差檢驗(yàn)、單因子方差分析等精益6σ工具，對操作者、加工刀具、裝夾方式、主軸轉(zhuǎn)速、切削量、進(jìn)給速度、切削方式7個(gè)因素進(jìn)行分析，得出對零件面輪廓度加工精度影響大的3個(gè)關(guān)鍵影響因素為加工刀具、切削量和進(jìn)給速度；

（3）通過建立面輪廓度與7個(gè)影響因素之間的GLM模型，驗(yàn)證關(guān)鍵影響因素，并計(jì)算出3個(gè)關(guān)鍵影響因素對面輪廓度的貢獻(xiàn)率，分別為50.73%、11.13%和19.30%，明確了3個(gè)因素的最佳組合參數(shù)為刀具直徑60 mm、切削量0.1 mm、進(jìn)給速度100 mm/min。

本文通過精益6σ方法分析出影響零件具體特征數(shù)控加工質(zhì)量的主要影響因素及最佳參數(shù)組合，提高了加工質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。