運用六西格瑪設計解決張緊器轉矩衰減問題

李姣， 李強， 劉峰

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海201804）

0 引言

六西格瑪誕生于全面質量管理蓬勃發(fā)展的20世紀80年代，是對全面質量管理特別是質量改進理論的繼承和新發(fā)展[1]。1987年摩托羅拉（Motorola）公司全面推行六西格瑪（Six Sigma），點燃了六西格瑪管理的火種。1995年美國通用電氣首席執(zhí)行官杰克·韋爾奇（Jack Welch）帶領公司開始了六西格瑪管理[2-3]。在實踐中，六西格瑪不再僅是一種質量改進的方法，而是已經(jīng)發(fā)展成為可以使企業(yè)保持持續(xù)改進，增強綜合領導能力、不斷提高顧客滿意度及經(jīng)營績效并帶來巨大利潤的一整套管理理念和系統(tǒng)方法。

為實施全面質量管理戰(zhàn)略[4-5]，六西格瑪設計（Design for Six Sigma,DFSS）在汽車行業(yè)廣泛運用。DFSS流程分為4個階段（IDOV），依次為識別階段、設計階段、優(yōu)化階段和驗證階段。每個階段都有豐富的質量工具幫助分析問題和指導設計。

圖1 解決張緊器轉矩衰減問題的IDOV圖

本文運用六西格瑪設計方法解決某款汽車發(fā)動機正時液壓張緊器轉矩衰減量過大的問題，項目流程及運用到的主要工具如圖1所示。首先項目識別階段分析客戶聲音（VOC）和客戶需求，建立第一個質量屋[6]，然后設計階段建立第二個質量屋，完成試驗設計（DOE），獲得轉移函數(shù)（Transfer Function）。優(yōu)化階段進行穩(wěn)健設計（Robust Design）、公差帶分析（Tolerance Allocation）等，驗證階段完成敏感性分析（Sensitivity Analysis）和結果驗證。每個階段最后還都需要完成記分卡（Scorecard）。最終的驗證結果如果能夠滿足客戶需求和達到目標，則項目結束，最后做好經(jīng)驗學習和總結活動[7]。

1 項目識別階段（Identify Phase）

某汽車發(fā)動機的正時張緊器在使用發(fā)生漏油、噪聲和其他形式的失效，其中漏油最為主要（見圖2），導致公司索賠成本顯著增加。為解決漏油問題采取了提高張緊器的擰緊轉矩的緊急措施，但是發(fā)動機張緊器在熱試后發(fā)現(xiàn)轉矩衰減超過30%，Cpk僅有-0.23，遠不能達到質量要求。

按照客戶需求的優(yōu)先級，由高到低分別為：漏油和轉矩衰減，即在消除最終客戶漏油抱怨前提下，最大程度解決內(nèi)部客戶（發(fā)動機廠質保）所提出的轉矩衰減過大問題。首先建立第一個質量屋（表1），把客戶需求轉換為能夠測量的轉矩衰減量、墊片壓縮率和夾緊力。由于布置應變片測量液壓張緊器夾緊力所需費用大，不適宜做多輪試驗，且在生產(chǎn)線測量和控制方面也存在困難，因此不予考慮。通過第一個質量屋，得到關鍵控制變量轉矩衰減量和墊片壓縮率，且墊片壓縮率重要性更高。

圖2 張緊器失效頻次帕雷特圖

表1 質量屋#1

2 項目設計階段（Design Phase）

使用Pugh概念選擇方法，對比轉矩法控制和初始轉矩加轉角法控制兩種方法的優(yōu)劣，從保持夾緊力一致性和防止漏油等方面綜合考慮，選擇初始轉矩加轉角控制的方法。

運用因果圖分析各因子對轉矩和預緊力的影響，如圖3所示。影響轉矩的因子主要來自4個方面：張緊器、墊片、缸蓋安裝孔和安裝方法。再細分每個影響因子，并把每個細分的因子分三類性質，噪聲（N-Noise）、變量（X）和常量（C-Constant）。諸如螺紋質量、毛刺和清潔度等因子，對轉矩和預緊力結果有影響，但是不受控制的，屬于噪聲性質的因子。墊片材料和轉矩槍旋轉角度兩個因子在試驗設計（DOE）中有變化，屬于變量性質的因子。諸如張緊器外徑，安裝時不使用潤滑劑，僅使用1次，墊片的尺寸和缸蓋安裝孔的尺寸，還有轉矩槍等因子，在試驗設計時必須保持一致，屬于常量因子。

圖3 因果圖

表2 質量屋#2

根據(jù)上面的因果圖分析結果，建立第二個質量屋（表2），將關鍵控制變量轉矩衰減量和墊片壓縮率轉化為對應關鍵控制參數(shù)墊片材料和旋轉角度，其中后者更為重要。

在試驗設計前需要進行測量系統(tǒng)分析（MSA）[8]，確認是否合格。以游標卡尺測量使用后的墊片厚度的測量系統(tǒng)為例，分析結果如下。

2.1 方差

在墊片厚度測量系統(tǒng)中，零件本身方差占98.43%，是最主要的貢獻，重復性方差和再現(xiàn)性方差貢獻度分別僅為1.3%和0.27%（如圖4）。各方差滿足下面公式，它們的貢獻度（%Contribution）是各方差占總方差的百分比：

式中為總體方差；為測量系統(tǒng)方差為零件方差為重復性方差為再現(xiàn)性方差為操作人員方差為零件和操作人員交互作用方差。

圖4 使用后墊片厚度測量系統(tǒng)方差貢獻度圖

2.2 測量系統(tǒng)有三個主要的評價準則

經(jīng)過分析使用后墊片厚度測量系統(tǒng)P/TOL=0.13,Resolution=11.2，基本滿足評價準則要求。P/TOL還可以優(yōu)化，加強操作人員培訓，提高復現(xiàn)性。

受試驗資源的限制，試驗設計時選擇2因子2水平，且每個試驗條件下完成4組，一共16組試驗，同時用發(fā)動機靜置24 h的轉矩衰減情況替代發(fā)動機熱試后的轉矩衰減。由于信息不足，墊片材料變量選為定性變量；旋轉角度作為定量變量，且低水平和高水平的跨度選擇盡可能大。擬合墊片壓縮率和轉矩衰減量回歸結果如下：

1）分析評估回歸的顯著性。如果P值<0.05，則說明該因子是重要的[9]。對于墊片壓縮率模型，墊片材料和旋轉角度P值都小于0.05，兩個都是主效應；對于轉矩衰減量模型，墊片材料、旋轉角度和兩者的交互作用P值分別為0.0001，0.0057和0.0012，全部都是主效應。

2）分析評估回歸的總效果。墊片壓縮率模型R2值和R2調(diào)整值分別為0.88和0.86，轉矩衰減量模型R2值和R2調(diào)整值分別為0.92和0.89，表明兩個模型回歸較好。

3）對于預測結果的估計。如果F值大于6或SigF值小于0.05，則說明模型的較強的預測性[10]。兩個模型的預測能力均滿足上述要求。

4）分析評估誤差。對于2水平的誤差s值模型，由于自由度問題不能進行統(tǒng)計驗證，所以不能給出P值。如果因子系數(shù)大于常數(shù)的一半，則認為效應明顯[11]。對于墊片壓縮率和轉矩衰減量兩個s模型，其因子系數(shù)均小于常數(shù)的一半，所以不存在主效應因子。

3 項目優(yōu)化階段（Optimization Phase）

通過優(yōu)化器得到結果是：墊片材料#1和轉角25°。穩(wěn)健設計結果如圖5。公差帶分析結果表明，轉角公差的縮緊50%Sigma或放松50%Sigma對于墊片壓縮率和轉矩衰減量的dpm（defects per million）的貢獻都不足1%，影響都很小，轉角設計穩(wěn)健[12]（注：由于墊片材料為定性變量，不能進行公差帶量化分析）。

圖5 墊片壓縮率和轉矩衰減量穩(wěn)健設計

4 項目驗證階段（Validation Phase）

敏感性分析結果表明，轉角均值的移動1.5Sigma，墊片壓縮率和轉矩衰減量dpm變化分別23%和14%；轉角標準差的波動50%，壓縮率和衰減量dpm變化都小于1%，再次證明了轉角的穩(wěn)健設計。根據(jù)樣本量計算（sample size）結果，將優(yōu)化的墊片材料#1和轉矩槍25°轉角應用到生產(chǎn)線，用樣本預估總體，獲得關鍵控制變量均值估計95%置信區(qū)間：墊片壓縮率均值4±1%；轉矩衰減量均值13.7±5%。

5 結語

重新設計了墊片材料和轉角工藝，基本解決了正時張緊器漏油和轉矩衰減量過大的問題，找到了合適的墊片壓縮率區(qū)間3%～5%。雖然轉矩衰減量的均值變小，但衰減量的波動依然較大，所以還有優(yōu)化的空間。下一步，計劃從新涂層墊片的硬度和熱處理工藝等方面考慮，量化墊片材料因子，降低轉矩衰減量標準差，進一步提高Cpk。

六西格瑪設計的IDOV包含有許多技術創(chuàng)新方法[13]，本文僅使用了質量屋（HOQ）、測量系統(tǒng)分析（MSA）、試驗設計（DOE）和公差分析等工具[14]，還有QFD，TRIZ，田口方法等重要工具[14]，因此六西格瑪設計是一個強大的產(chǎn)品設計和質量控制工具。企業(yè)研發(fā)人員，制造工程師和管理人員都可學習和掌握該工具，并應用到實際的工作中[15]，讓質量成為我國自主品牌汽車產(chǎn)品的優(yōu)勢。

[參 考 文 獻]

[1] 馬林,何楨.六西格瑪管理[M].北京：中國人民大學出版社,2007.

[2] REAGAN L A,KIEMELE M J.Design for Six Sigma[M].Colorado Springs：Air Academy Press,2008.

[3] 朱蘭學院.六西格瑪基礎教程[M].王金德,譯.北京：中國財經(jīng)易文出版社,2002.

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[5] 戴明.戴明論質量管理[M].鐘漢清,戴永久,譯.海口：海天出版社,2003.

[6] 派茲德克.六西格瑪手冊[M].吳秀云,譯.北京：清華大學出版社,2011.

[7] 馬逢時,周暐,劉傳冰.六西格瑪管理統(tǒng)計指南[M].2版.北京：中國人民大學出版社,2013.

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[9] SCHMIDT S R,LAUNSBY R G.Understanding Industrial Designed Experiment[M].Colorado Springs：Air Academy Press,1994.

[10]CLOUD D,LARRY R.Applied Modeling and Simulation：An Integrated Approach to Development and Operation[M].New York：Mc-Graw Hill,1998.

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[12]任露泉.試驗優(yōu)化設計與分析[M].長春：吉林科學技術出版社,2001.

[13] 吳貴生,王毅.技術創(chuàng)新管理[M].北京：清華大學出版社,2009.

[14]邵家駿,趙勝.系統(tǒng)設計的基本原理和方法[J].中國質量,2001(12)：4-8.

[15]余秀慧,謝騁,孫麗麗.六西格瑪設計在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的應用[J].上海汽車,2010(3)：20-22.