基于雜質(zhì)顆粒獲取與分析過程改進(jìn)提升清潔度檢測有效性的研究

王陽陽

摘要：本文基于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的案例對(duì)清潔度顆粒雜質(zhì)的檢測過程的改進(jìn)進(jìn)行了論述，通過尋找出需要改進(jìn)的關(guān)鍵點(diǎn)加以改進(jìn)，最終提升清潔度檢測過程的可靠性。對(duì)于檢測過程的研究分為雜質(zhì)顆粒的收集與檢測兩部分，并結(jié)合對(duì)案例中清潔度檢測實(shí)際情況的分析去發(fā)現(xiàn)問題，并制定改善措施。在這個(gè)過程中，主要運(yùn)用了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）的方法確定改進(jìn)方案，運(yùn)用過程能力統(tǒng)計(jì)（CPK）和測量系統(tǒng)分析（MSA）這些工具分析和評(píng)價(jià)過程穩(wěn)定性和測量設(shè)備的穩(wěn)定性，最終完成系統(tǒng)性的提升。在整個(gè)研究過程中，發(fā)現(xiàn)了未知雜質(zhì)對(duì)測量分析過程的影響，并總結(jié)出取樣過程的判穩(wěn)公式，通過該判穩(wěn)公式，可以合理的確定取樣參數(shù)，以獲得較為精確的取樣結(jié)果，提升了檢測真實(shí)性。

Abstract： This paper is based on the steering system to discuss the testing process improvement for detect the particle which effect the cleanliness level. Combining the theory and practice， to find out the key points to improve， ultimately improve the reliability of the cleanliness testing result. For the testing process in the paper is divided into collection and detection of the particle in the two parts， and combined with actual cases cleanliness testing analysis to find problems， and implement the improvement actions. In the analyses， mainly use the method of design of experiment （DOE） to determine the improvement scheme， using process capability （CPK） statistics and measurement system analysis （MSA） these tools to analyze and evaluate the collection process stability and the stability of the detection equipment， finally complete systematic improvement. In the whole improvement process， involve in the concept of the unknown particle which is none-influence on testing result， and summarizes the formula， through the formula it is reasonable to determine the collection parameters to obtain a relatively accurate results， enhance the testing veracity.

關(guān)鍵詞：清潔度;顆粒;未知雜質(zhì);實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）

Key words： cleanliness;particle;steering system;design of experiment （DOE）

0 ?引言

在機(jī)械行業(yè)，清潔度對(duì)于零部件工作的可靠性和持久性有著非常重要的影響，尤其是對(duì)于制造業(yè)來說，必須從每個(gè)環(huán)節(jié)的每一個(gè)細(xì)節(jié)入手來防止和減小污染物的產(chǎn)生，才可能保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，特別是汽車行業(yè)，清潔度控制非常重要。

對(duì)于清潔度的控制和管理，一般分為兩部分：一方面是管理，如何避免污染物的污染。另一方面是檢測，從檢測方面來檢測污染物的程度，進(jìn)而評(píng)估清潔度水平。所以需要對(duì)檢測方式和檢測方法進(jìn)行研究，以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。檢測反映目前清潔度所處的水平，是清潔度管理的基礎(chǔ);它也是客觀反映改進(jìn)前后的水平差異，是管理效果的評(píng)估。所以檢測的真實(shí)性和有效性就顯得尤為重要，因此無論國際化組織還是各大企業(yè)都陸續(xù)制定了相關(guān)的清潔度檢測標(biāo)準(zhǔn)或指導(dǎo)意見。但是，目前汽車行業(yè)的清潔度檢測環(huán)節(jié)做得不理想，主要體現(xiàn)在：整個(gè)檢測流程比較隨意，檢測手段簡單，重復(fù)性差，受環(huán)境干擾影響大。比如很多企業(yè)的在清潔度檢測過程中的沖洗環(huán)節(jié)，都使用人工沖洗，沖洗的次數(shù)、時(shí)間、流量、位置、強(qiáng)度都有很大的隨機(jī)性;在測量環(huán)節(jié)，部分企業(yè)僅控制雜質(zhì)的重量，或使用簡單的設(shè)備對(duì)雜質(zhì)的大小，數(shù)量進(jìn)行估計(jì)，使得檢測結(jié)果也受到人為因素的很大影響。

1 ?清潔度檢測

清潔度的檢測通常是對(duì)產(chǎn)品的首件、生產(chǎn)過程中有清潔度要求的工序以及進(jìn)貨出貨狀態(tài)的控制。一般清潔度的檢查有以下步驟：對(duì)檢測過程的準(zhǔn)備工作，如檢查零件狀態(tài)、檢查設(shè)備狀態(tài)，然后通過檢測介質(zhì)來獲得雜質(zhì)，接著測量分析雜質(zhì)，最后形成測量結(jié)果報(bào)告并進(jìn)行歸檔，如圖1。

在雜質(zhì)取樣階段，根據(jù)被測零件的空間結(jié)構(gòu)不同，運(yùn)用不同的清洗方法來獲得雜質(zhì)顆粒，一般有加壓沖洗、超聲波振動(dòng)、搖晃、臺(tái)架沖洗等幾種方式，為了更好更準(zhǔn)確的獲得雜質(zhì)顆粒，不同的清洗方法都是可以相互組合使用的。通常下面幾個(gè)參數(shù)經(jīng)常會(huì)對(duì)清洗的效果產(chǎn)生重要的影響：清洗介質(zhì)的性能、樣件的機(jī)械結(jié)構(gòu)、沖洗壓力以及沖洗劑容量或清洗的時(shí)間，需要評(píng)估確定選用合適的參數(shù)以獲得實(shí)際的清潔度水平。

雜質(zhì)的分析測量方法的選取與被測零件的清潔方式和清潔度要求的不同有關(guān)，一般有以下方法：重量分析、光學(xué)顯微鏡顆粒尺寸分析、電鏡顆粒尺寸成分掃描分析和自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)分析。以上分析方法根據(jù)清潔度要求的不同也是可以組合并多次使用的。

2 ?某公司在清潔度檢測方面存在的問題

2.1 某公司簡介

某公司曾以生產(chǎn)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為主營業(yè)務(wù)，目前轉(zhuǎn)型電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)業(yè)務(wù)發(fā)展，以持續(xù)保持公司在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場份額的領(lǐng)先地位。同時(shí)每年由于清潔度問題導(dǎo)致的索賠金額也高達(dá)200多萬元，主要故障模式是液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的漏油以及電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力失效。

2.2 目前某公司在檢測方面主要的問題

2.2.1 ?內(nèi)外部檢測結(jié)果存在較大差異

就雜質(zhì)總重量這一指標(biāo)而言，A型號(hào)轉(zhuǎn)向機(jī)總成的客戶要求為15mg，案例公司和客戶抽查的結(jié)果存在差異差異很大，且不穩(wěn)定，檢測結(jié)果對(duì)比顯示，該公司的結(jié)果一直小于客戶的數(shù)據(jù)，如圖2所示。這個(gè)差異不是可接受范圍內(nèi)的正常波動(dòng)，該公司需要對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析，尋找原因并進(jìn)行改進(jìn)。

2.2.2 自檢結(jié)果存在較大的波動(dòng)

針對(duì)定期的清潔度自檢情況，從直觀角度來看，雜質(zhì)的重量的波動(dòng)是非常大的（圖3），說明過程穩(wěn)定性差，Ppk評(píng)估僅為0.72，是用正態(tài)分布評(píng)判的話，其分布情況也呈非正態(tài)分布（p〈0.005）（圖4），說明過程中存在異常因素，可能原因之一就是所收集的數(shù)據(jù)是存在問題的，需要通過實(shí)驗(yàn)來確認(rèn)數(shù)據(jù)本身和收集數(shù)據(jù)的過程是否存在問題。

2.2.3 檢測結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性不足

該公司的雜質(zhì)檢測設(shè)備人工檢測比例高，從重復(fù)性和再現(xiàn)性原則看，由人為因素引起的變差將可能導(dǎo)致整個(gè)測量系統(tǒng)的能力不足，所以需要對(duì)測量系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如果存在能力不足的情況則需要進(jìn)行改進(jìn)。

2.3 檢測過程的改進(jìn)

首先評(píng)估測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該公司的主要清潔度檢測設(shè)備為高精度電子天平和光學(xué)分析顯微鏡，用以評(píng)判雜質(zhì)的重量和雜質(zhì)顆粒的尺寸這兩個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)。按電子天平標(biāo)定方法對(duì)其高精度天平真實(shí)值進(jìn)行測評(píng)，并無異常發(fā)現(xiàn)。隨后對(duì)電子天平的測量系統(tǒng)進(jìn)行了測量系統(tǒng)能力分析（MSA）分析，結(jié)果為7.9%，小于ISO標(biāo)準(zhǔn)定義的10%，說明電子天平測量系統(tǒng)是可靠的，而人工光學(xué)顯微鏡的重復(fù)性和再現(xiàn)性的能力就不能滿足MSA的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，為37.08%，大于可接受的30%的要求，見圖5，所以測量雜質(zhì)大小的設(shè)備需要改進(jìn)，從MSA結(jié)果來看，主要問題是重復(fù)性差異大（35.09%），這個(gè)和人員檢測主觀性差異關(guān)系較大，需要消除這個(gè)問題最有效的方法就是改進(jìn)測量方式由人工改為自動(dòng)。

經(jīng)過對(duì)多家自動(dòng)光學(xué)測量供應(yīng)商的評(píng)估，包括蔡司、萊卡、JOMESA等，其中JOMESA的顆粒度分析系統(tǒng)解決方案已針對(duì)ISO16232、ISO4406或者汽車行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)定制好標(biāo)準(zhǔn)模板，且擁有高速的掃描速度，一張濾膜僅需2分鐘的掃描時(shí)間，是其他廠家如萊卡、蔡司等所不可比擬的，目前四大德系汽車集團(tuán)用的都是德國JOMESA Messsysteme GmbH的設(shè)備（圖6）。經(jīng)過測試，其MSA的結(jié)果令人滿意（圖7），為2.91%。

通過其自帶的檢測軟件以及結(jié)果算法程序，可以對(duì)同一樣本進(jìn)行高重復(fù)性和再現(xiàn)性的檢測。對(duì)比人工和自動(dòng)檢測結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測的多次結(jié)果的離散程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人工檢測，為最終的準(zhǔn)確判定提供了更加客觀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，見圖7。

當(dāng)檢測系統(tǒng)完成升級(jí)后，對(duì)雜質(zhì)的大小和數(shù)量等要求的測量精度得到了滿足，下一步就需要對(duì)雜質(zhì)獲取過程進(jìn)行分析，尋找問題并改進(jìn)了。

2.4 雜質(zhì)獲取過程的改進(jìn)

對(duì)雜質(zhì)的取樣結(jié)果產(chǎn)生影響的因素主要有清洗液體的特性、樣件的機(jī)械結(jié)構(gòu)、沖洗參數(shù)（比如沖洗量、沖洗壓力、超聲波清洗的振動(dòng)時(shí)間）等。就這些影響因素與不同客戶進(jìn)行了差異對(duì)比（表1）。針對(duì)這些不同點(diǎn)，需要確認(rèn)關(guān)鍵的影響因素，對(duì)關(guān)鍵的影響因素進(jìn)行控制或改進(jìn)來減少或消除該差異的存在。

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）的方法對(duì)這些因素進(jìn)行了確認(rèn)，由于實(shí)驗(yàn)包括4因子3水平，選取普通的DOE實(shí)驗(yàn)至少需要81次實(shí)驗(yàn)，綜合資源考慮，采用4因子2水平加中心點(diǎn)的方法，可以將實(shí)驗(yàn)次數(shù)減少到22次。經(jīng)過計(jì)算統(tǒng)計(jì)，因子B（清洗量）最顯著，標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他因子，并且這些因子的交互作用并不顯著，見圖9。

隨后，對(duì)之前的結(jié)果進(jìn)行了一組確認(rèn)實(shí)驗(yàn)，采用不同的沖洗計(jì)量對(duì)同一批次的轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行沖洗，結(jié)果見圖10，可以確認(rèn)沖洗計(jì)量越多，所能獲得的雜質(zhì)量也越多，所以將從因子B沖洗劑量作為關(guān)鍵影響參數(shù)，來改進(jìn)雜質(zhì)顆粒收集過程的穩(wěn)定性，并獲得盡量接近真值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

改進(jìn)方向已經(jīng)選定，但究竟多少的沖洗量才是合適的，需要進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。在接下來的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)同一個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行多輪沖洗，每次都以600ml的沖洗量為一單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖11所示，每次沖洗，都能獲得雜質(zhì)，但雜質(zhì)新增量是不斷遞減的，而且下降到某一水平后就下降趨勢基本趨平。

在之后的反復(fù)實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)平均在5次沖洗以后始終能獲得0.2mg左右的雜質(zhì)的這種現(xiàn)象。經(jīng)過分析研究，發(fā)現(xiàn)在雜質(zhì)獲取的過程中清洗劑、輔助工裝和容器都會(huì)始終存在額外的微小雜質(zhì)，檢測時(shí)周邊的環(huán)境也會(huì)帶來額外的微小雜質(zhì)，包括樣本在檢測過程中的正常運(yùn)動(dòng)帶來的磨損產(chǎn)生的細(xì)小顆粒。這些都是無法避免的微小雜質(zhì)，且對(duì)整個(gè)檢測結(jié)果影響甚微的雜質(zhì)，在這里稱它們?yōu)槲粗s質(zhì)。因?yàn)槠浞浅Ｎ⑿?，無法徹底消除，同時(shí)其也不會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響，所以可以忽略。于是需要制定最大的可接受的不影響檢測結(jié)果有效性的未知雜質(zhì)的允許量，這個(gè)量是根據(jù)樣本的清潔度要求水平?jīng)Q定的，同時(shí)根據(jù)TS16949的五大工具之一的測量系統(tǒng)分析中規(guī)定汽車行業(yè)的測量系統(tǒng)的精確度不能低于公差的10%的標(biāo)準(zhǔn)，最終選取10%作為未知雜質(zhì)的邊際值標(biāo)準(zhǔn)。也就是說，在沖洗過程中，當(dāng)獲取超過90%重量的雜質(zhì)后，就認(rèn)為對(duì)零部件清潔度存在主要影響的雜質(zhì)都已獲得。根據(jù)這個(gè)原則繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，先后將多組樣本結(jié)果進(jìn)行綜合分析，結(jié)果顯示當(dāng)轉(zhuǎn)向機(jī)經(jīng)過4次沖洗，其累計(jì)可獲得的雜質(zhì)重量都超過了90%，見圖12，于是可以認(rèn)為4次沖洗的沖洗計(jì)量是可以足夠獲得所有影響雜質(zhì)的，重新確定了標(biāo)準(zhǔn)沖洗量為2400ml。同時(shí)對(duì)這個(gè)過程進(jìn)行了總結(jié)，形成了判穩(wěn)經(jīng)驗(yàn)公式（1）。

式中，Zn——第n次沖洗所獲得的雜質(zhì)量（mg）;Zi——第i次沖洗所獲得的雜質(zhì)量（mg）;n——沖洗的次數(shù)。

這個(gè)判穩(wěn)公式指的是經(jīng)過數(shù)次定量沖洗后，判斷需要分析的雜質(zhì)是否都已收集到的一個(gè)判定條件，此公式可以用于確定一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——沖洗量的準(zhǔn)確參數(shù)值。該公式也可以拓展開，去確認(rèn)其他檢測值，比如顆粒數(shù)量等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雜質(zhì)獲取次數(shù)一般在4次以內(nèi)，如果多次沖洗（經(jīng)驗(yàn)值為6次）都無法滿足判穩(wěn)公式，即認(rèn)為此現(xiàn)象說明沖洗過程存在問題或沖洗方法選擇不正確，需要重新確認(rèn)問題或調(diào)整取樣的方法。

經(jīng)過修改取樣參數(shù)沖洗量后，再次匯總對(duì)比內(nèi)外部檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)案例公司的檢測結(jié)果已超過外部檢測的檢測值，可以說明該檢測方法所取得的雜質(zhì)顆粒，較之前更加接近真實(shí)情況。

3 ?改進(jìn)成效

經(jīng)過取樣過程和測量過程的雙重優(yōu)化，案例公司對(duì)清潔度檢測的有效性在原來的基礎(chǔ)上的得到了提升，其測量值不僅更加接近于真值，而且穩(wěn)定性更好（圖13），從之后和某整車廠的抽檢結(jié)果對(duì)比中可以看出改進(jìn)的變化（圖14）。這些改進(jìn)對(duì)該公司下步清潔度改進(jìn)工作具有重要意義，不僅能夠更加真實(shí)的反映公司清潔度的目前狀況，清晰改進(jìn)方向，也能夠在今后改進(jìn)完成后更加準(zhǔn)確的評(píng)估改進(jìn)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉偉.發(fā)動(dòng)機(jī)清潔度的控制與管理[J].天津汽車，2013（1）.

[2]宋立新.工程機(jī)械產(chǎn)品清潔裝配工藝探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2016（18）.

[3]ISO/TS 16431-2002 Hydraulic Fluid Power-Assembled Systems-Verification Of Cleanliness[S].

[4]ISO 4406 Hydraulic Fluid Power-Fluids-Method for coding the level of contamination by solid particles[S].

[5]GBZ 20423-2006，液壓系統(tǒng)總成 清潔度檢驗(yàn)[S].

[6]QC/T572-1999，汽車清潔度工作導(dǎo)則[S].

[7]GMW16037.動(dòng)力總成零部件清潔度的量化試驗(yàn)方法[Z].通用汽車，2009.

[8]Christoph Kohler. Technical cleanliness - from a clean component to a technically clean system. [C]. In： 8th International Conference on Condition Monitoring and Machinery Failure Prevention Technologies 2011.Volume 2. UK. 2011.

[9]王秀軍.軸承成品清洗工藝及清洗裝置研究[D].大連：大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[10]楊敬東.基于FMEA/DOE的質(zhì)量管理在HGA污染控制中的應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.