SPC分析在特種氣體行業(yè)的應用

袁淑筠

(廣東華特氣體股份有限公司，廣東 佛山 528241)

0 引言

2016年10月，國際汽車工作組(IATF)發(fā)布了汽車行業(yè)質(zhì)量管理體系標準IATF16949：2016[1]，新標準完全符合質(zhì)量管理體系ISO9001：2015標準的要求，并提出了適用于該行業(yè)的細節(jié)。IATF16949：2016的認證對象為汽車行業(yè)及其直接供應商，若半導體行業(yè)供貨給汽車行業(yè)則適用于此標準，應按標準要求對其供應商(包括特種氣體行業(yè))進行管控。普遍認為，汽車行業(yè)標準比普通工業(yè)標準更為嚴苛。比起固定在工廠少有移動的設備，汽車得年復一年承受高頻高強度的震動。加上汽車需上萬零件間互相配合，即使僅僅差之毫厘，裝不上就是裝不上，含糊不得。同理，半導體行業(yè)面對微波、毫米波多品種、小批量、高性能的要求[2]，工序動輒幾百步，最終成品率為每一工序的合格率的連乘積[3]。假設成品需經(jīng)100步工序，每工序的合格率均為99.999%，成品合格率僅為99.999%100=99.9%，其中若有一工序的合格率為90%，成品合格率會驟降到89.9%。零件或工序越多，變差越容易累積，可見對每個工序細致把控不是吹毛求疵而是不得不如此。希望從第一步就不產(chǎn)生無用的輸出，必須管理好供應商對SPC的應用。

SPC以20世紀20年代美國休哈特發(fā)明控制圖為標志，是一種科學的數(shù)據(jù)分析指導實際問題解決的方法[4]。而SPC不但能把數(shù)據(jù)用曲線表示出來，展示其變化趨勢，且能顯示變差是由普通原因還是特殊原因引起的，仍在合格范圍時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程有變差(尤其是特殊原因導致的)就及時修正，避免了更大偏差，降低了成本，保障了產(chǎn)品質(zhì)量，也提高了生產(chǎn)效率。以前統(tǒng)計方法多用于零件而不是過程，而SPC研究變差和應用統(tǒng)計方法改進性能的基本概念適用于任何領域，包括車間和辦公室[5]。應用SPC既有利于特種氣體公司，也有利于顧客，更有利于特種氣體生產(chǎn)和質(zhì)量管理者個人水平的提高，是一個多贏的選擇。因行業(yè)特性不同，若全套照搬整套IATF16949：2016的各種精細化要求到特種氣體行業(yè)，難免水土不服，本文將從汽車行業(yè)和半導體行業(yè)的管理理念和行業(yè)特性出發(fā)，講解如何用SPC對特種氣體行業(yè)關鍵工序的數(shù)據(jù)進行分析。

1 管理理念

IATF16949：2016有五大核心工具：生產(chǎn)件批準程序(PPAP)，產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃和控制計劃(APQP)，潛在失效模式和后果分析(FMEA)，統(tǒng)計過程控制(SPC)和測量系統(tǒng)分析(MSA)。五大工具不是互相獨立的，而是互相支持的，例如SPC使用前提是可靠的測量系統(tǒng)，故必須嚴格按照MSA參考手冊[6]的要求執(zhí)行。無論是設計階段還是過程階段，都必須以FMEA為基礎指導全部工序的運行?？梢娞胤N氣體行業(yè)想實現(xiàn)超純、超凈、超前的目標，僅為了交給顧客SPC而做“好”SPC是不可能的，理解IATF16949：2016科學的管理理念，全方位地應用才是大勢所趨。

1.1 顧客滿意與多方合作

特別強調(diào)應保證顧客滿意，在不斷減少質(zhì)量變差和浪費的原則下，當顧客提出特殊要求時，需多方合作對特殊訂單進行評審，提出可滿足顧客的方案。每一環(huán)節(jié)都應考慮多方合作，小組對重要的事項或變更進行評估，通過后做好相應培訓方可實施，且全過程形成受控文件備查。立項時應設立專項小組，組員包括多個部門的成員，最好有專家和顧客的參與。

1.2 缺陷預防

重點在于預防缺陷發(fā)生而不是找出缺陷(即探測)和糾正缺陷[5]。在確定小組，確定范圍，確定顧客和得到管理者支持后，運用FMEA對每一個工序進行：1.識別潛在的失效模式；2.識別潛在后果；3.識別潛在要因；4.將嚴重度、發(fā)生率和探測度三者參數(shù)化識別和評估風險，識別出關鍵工序和特殊特性；5.提出建議措施和后果，意圖在降低綜合風險和失效模式發(fā)生的可能性[7]；6.定期更新FMEA，尤其是有客訴，或內(nèi)部不符合項的提出時，都應檢視FMEA是否需修改。

1.3 持續(xù)改進

每一環(huán)節(jié)都應按戴明循環(huán)P(Plan，策劃)-D(Do,執(zhí)行)-C(Check,檢查)-A(Adjust,糾正)的思路執(zhí)行。除了整體框架按P-D-C-A規(guī)劃外，在各分階段也應細化為P-D-C-A?？傊?，持續(xù)改進的理念——分析過程，保持或控制過程，改進過程——必須貫徹始終。

1.4 體系有效

顧客注重質(zhì)量體系的有效性，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的可追溯性上，即能否在短時間內(nèi)還原出產(chǎn)品制造出來的全過程，包括每個工序的時間地點操作者具體操作參數(shù)等。同時，產(chǎn)品標識和區(qū)域標識是否清晰，記錄是否受控，防錯措施是否有效，批次管理是否到位，人員責任是否明晰等都影響著產(chǎn)品的可追溯性，不容忽視。

2 難點與對策

2.1 單邊公差

對控制圖可依3個特征加以分析：一是其中心線(CL)，即總均值；二是分布寬度，即最大值和最小值間的距離，由極差(R)和標準差(σ)來衡量；三是形狀，即對稱或偏斜，和變差有關。汽車行業(yè)和半導體行業(yè)多采用雙邊公差，既有上規(guī)格限(USL)又有下規(guī)格限(LSL)，望目值(即目標值)為1/2(USL+LSL)。而特種氣體行業(yè)對氣體雜質(zhì)進行測量，采用只有USL的單邊公差，要求雜質(zhì)越少越好，即取望小值。假設不同批次的產(chǎn)品控制圖的形狀和分布寬度是一樣的，由表1可見其CL越接近望目值，則過程能力指數(shù)(Cpk)越大，評級越優(yōu)，也代表制程越佳；在CL不等于望目值時，即使雙邊公差時按LSL=0計算，仍不等于相應的單邊公差的Cpk，故特種氣體行業(yè)不能套用取望目值或望大值時的方法。因此，SPC判異規(guī)則(OCAP)中關于“上升/下降”的描述應用到特種氣體行業(yè)應改為“上升”。

其中，Cpk用來確定一個過程是否有能力滿足顧客的需要，單邊公差只有USL時它等于CPU(也寫作Cpku)，只有LSL時等于CPL(也寫作Cpkl)，雙邊公差則取兩者最小值：

CPU=(USL-CL)/3σ

(1)

CPL=(CL-LSL)/3σ

(2)

表1 單雙邊公差對比

2.2 時間線

SPC改變了以前靠經(jīng)驗來調(diào)整生產(chǎn)的模式，該事后檢驗的模式之所以過時，一是造成的直接成本增加，周期過長，二是不易分清哪個環(huán)節(jié)出問題，是主因還是次因，三是耗費精力大效果差[4]。SPC強調(diào)數(shù)據(jù)被收集的順序，以顯示何時發(fā)生變差，不適用于先后順序錯亂和非連續(xù)時間或時間跨度比較大的數(shù)據(jù)。從SPC的OCAP如“連續(xù)14點上下交錯”，“連續(xù)9點在同一側”，可見時間線的重要性。顧客想要的是制程過程及時的修正和改善，而不是事后完美的數(shù)據(jù)，針對過程的控制參數(shù)所做的才是SPC，針對產(chǎn)品所做的是SQC。

2.3 數(shù)據(jù)量

汽車行業(yè)和半導體行業(yè)1 h動輒幾百個數(shù)據(jù)，所以需要將數(shù)據(jù)分組后統(tǒng)計。相比起來，特種氣體行業(yè)因檢測出1個數(shù)據(jù)往往需要0.5 h以上，數(shù)據(jù)量少得可憐(數(shù)據(jù)量大于25才算有效)且時間跨度偏大，數(shù)據(jù)點與數(shù)據(jù)點之間是相對獨立的，故子組大小必須設置為1，以保證在變差發(fā)生時第一時間被識別出來。同理，“連續(xù)7個點上升/下降”的OCAP不能直接應用在特種氣體行業(yè)，應改為“連續(xù)3個點上升”甚至是“連續(xù)2個點上升”。

2.4 自動化

汽車行業(yè)和半導體行業(yè)的自動化程度很高，當SPC系統(tǒng)計算出異常時，會自動鎖住生產(chǎn)設備，需要工程師排查出異常后輸入密碼才能恢復生產(chǎn)。特種氣體行業(yè)的制程自動化已經(jīng)很常見了，但SPC系統(tǒng)自動化還是不夠普及。我們?nèi)钥啥嗷ㄐ乃继岣卟僮鞯谋憷?，逐步實現(xiàn)SPC系統(tǒng)自動化。例如利用Excel軟件中的“數(shù)據(jù)有效性”的功能設置數(shù)據(jù)超標時會彈出警告窗口，又如在設備上加裝報警器，或者編程將報警記錄自動上傳到工程師手機等。

2.5 周期性波動的數(shù)據(jù)

汽車行業(yè)和半導體行業(yè)的過程控制多為平穩(wěn)型的數(shù)據(jù)，例如尺寸、電容容值、粘度等等。而特種氣體的過程控制中，則是周期性波動的數(shù)據(jù)，例如真空度由0.1 MPa下降到5 Pa，雜質(zhì)含量從3000 ×10-6下降到0.05×10-6。這就意味著只能選取相同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)點來做SPC，而不能將精餾塔不同純化階段的取樣數(shù)據(jù)混在一起，否則容易誤判，浪費精力和成本。這就又回到了1份SPC中數(shù)據(jù)量較少，時間跨度大的問題了。建議選取雜質(zhì)降到最低的工序來做SPC管控，例如充裝排在線檢測數(shù)據(jù)，先集中精力把產(chǎn)品質(zhì)量做好，待效率和量上去后再考慮增加SPC管控點，例如用純化時間來做SPC，但絕不能因為某些困難而放棄使用SPC這一科學的分析工具。

3 數(shù)據(jù)分析

圖1 質(zhì)控流程圖

圖2 階梯狀分布的控制圖

分析數(shù)據(jù)時應避免只關注X圖而忽視MR圖，除了關注到變差還需管理變好。如圖2，雖然該組數(shù)據(jù)的Cpk=3.48(屬A++級)，但MR圖可見序號1～25的MR范圍為0～0.5，而序號26～50的MR縮小到0～0.09，呈階梯分布，應查出什么導致了該狀況的發(fā)生，才能使變好得以保持，變差得以糾正預防。直方圖用圖形表示了變差的分布，可以判斷數(shù)據(jù)是否呈現(xiàn)正態(tài)分布，但是否正態(tài)分布并不能區(qū)分是否存在變差的特殊原因，應以分析控制圖為主。Cp、Pp、PR、CR可以描述非正態(tài)的數(shù)據(jù)，但Cpk和Ppk則必須滿足數(shù)據(jù)是近似正態(tài)分布(可通過Johnson族的轉換和Box-Cox轉換實現(xiàn))的前提。

沒有一種指數(shù)(或比值)可以廣泛地應用到所有過程中，即沒有一個過程可以由一種指數(shù)(或比值)完全描述，所以SPC用到的指數(shù)(或比值)很多，一般不用考慮抽樣變差的影響。SPC參考手冊推薦同時使用Cp和Cpk，并與圖表技術一起使用，但Cp、Pp、PR和CR在單邊公差時是沒有意義的[5]。也有人喜歡用過程性能指數(shù)(Ppk)評估過程性能是否實際上滿足了顧客要求，單邊公差只有USL時Ppk等于PPU(寫作Ppku)，只有LSL時Ppk等于PPL(寫作Ppkl)，雙邊公差則取兩者最小值(s為方差)：

PPU=(USL-CL)/3s

(3)

PPL=(CL-LSL)/3s

(4)

其實Cpk和Ppk比較相似，都直接與過程所產(chǎn)生的不合格品比例有關[5]，一般要求大于1.33甚至1.67。Cp、Cpk和CR顯示子組內(nèi)的變差，Pp、Ppk和PR顯示整體總變差。

4 結 論

產(chǎn)品的制造工藝不是絕對穩(wěn)定的，使用SPC工具發(fā)現(xiàn)變差產(chǎn)生時，應分別從人、機、料、法、環(huán)等多方面去對異常原因進行分析，通過一些檢查手段，確認問題的根源，提出糾正預防措施，措施實施后再收集數(shù)據(jù)對此進行評審。除了對過程的分析，還要識別顧客不斷變化的需求和期望，融入我們的產(chǎn)品和服務中。如此持續(xù)優(yōu)化，可實現(xiàn)整個供應鏈中變異和浪費的減少，提高特種氣體產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。

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