提高陶瓷產品尺寸一致性的工藝研究

摘 要：Cpk是現代企業用于表示制程能力的指標，是一種表示制程水平高低的方法，實質作用是反映制程合格率的高低。將Cpk的特點應用在95%氧化鋁陶瓷生產的尺寸控制過程中，可有效提高產品尺寸的合格率。本文闡述了影響95%氧化鋁陶瓷產品尺寸一致性各因素的控制要求，并跟蹤產品質量狀況，確定了提高陶瓷產品尺寸一致性的工藝方法。

關鍵詞：陶瓷產品；尺寸；一致性；工藝研究

1 前言

隨著近年來國家電力行業的快速發展，市場對電真空用95%氧化鋁陶瓷管殼的尺寸一致性要求越來越高。為滿足市場需求，在95%氧化鋁陶瓷的加工過程中，必須對其生產過程中的關鍵因素進行控制改進，從而控制陶瓷產品尺寸的一致性。

過程能力指數（Cpk）作為統計過程控制的方法之一，已經有成熟的理論基礎[1]。Cpk是反應過程合格率高低的方法，且值的大小可以有效反映過程能力的大小，有效解決工業生產中質量優劣判斷的難題[2]，可成功運用于陶瓷產品尺寸一致性控制過程中。本文結合95%氧化鋁陶瓷的生產過程，重點闡述影響陶瓷產品尺寸一致性各因素的控制要求，并跟蹤產品質量狀況，確定了提高陶瓷產品尺寸一致性的工藝方法。

2" 過程能力指數Cpk

過程能力指數（Cpk）表示過程能力滿足技術標準（例如規格、公差）的程度，也稱工序能力指數，是指工序在一定時間里，處于控制狀態下的實際加工能力。Cpk值越大，過程能力越強，過程能力強才可能生產出質量好、可靠性水平高的產品。

過程能力指數Cpk的數值與過程準確度Ca、過程精密度Cp有關，其含義與計算公式為：

2.1過程準確度Ca

準確度Ca為實際中心與規格中心的差異，其計算公式為：

Ca=

式中：X：平均數；U：規格中心值；T：規格上限-規格下限；

準確度Ca越大，表明過程平均值偏離規格中心值越大，過程能力越差。

2.2過程精密度Cp（雙邊規格）

精密度Cp為規格公差寬度與制程變異寬度之比例，其計算公式為：

Cp=

式中：σ：標準差；

精密度Cp越大，尺寸波動越小，過程能力越充足。

2.3制程能力Cpk（雙邊規格）

Cpk=Cp*（1-Ca）

Cpk是Ca及兩者的中和反映，Ca反映的是集中趨勢，反映的是離散趨勢。

2.4 Cpk等級評定及處理原則見表1

3陶瓷產品尺寸的主要影響因素分析及控制方案

95%氧化鋁陶瓷白瓷生產流程見圖1：

通過對白瓷生產過程梳理，認為影響產品尺寸一致性的主要因素有：毛坯密度的一致性、車坯件尺寸的一致性及陶瓷燒結工藝過程控制。

3.1毛坯密度的一致性

為保證毛坯密度的一致性，主要可通過提高造粒料含水率的均勻性及提高壓坯過程中毛坯密度的均勻性來控制。

3.1.1 提高造粒料含水率的均勻性

在陶瓷的壓制過程中，不同含水率的造粒料在相同的壓力下進行壓制，得到的生坯密度不同。在相同的壓力下，含水率較高的造粒料，壓制的生坯密度較大。

在同一批造粒料不同位置進行取樣，測定含水率為0.18%-0.36%，差異較大。為了確保造粒料的均勻性，消除含水率對毛坯密度的影響，在制漿過程中，規定了選取至少3個連續批次的料漿進行混料，連續噴霧造粒，使用正常工藝進行除鐵，除了正常工藝的陳腐外，增加了使用造粒料前，需在V型混料機中進行混料。

在該批次造粒料不同位置進行取樣，測定其含水率為0.22%-0.24%，含水率差異較小，可滿足要求。

3.1.2 提高壓坯過程中毛坯密度的均勻性

因等靜壓工藝限制，壓制的毛坯件有“象足”現象，對毛坯不同位置的坯體密度進行測試，“象足”端的坯體密度在2.22-2.30g/cm3之間，毛坯中間位置的坯體密度在2.32-2.35g/cm3之間，“象足”端的坯體密度偏小且不均勻。為了消除坯體密度的差異，減少對產品質量的影響，在等靜壓工序的裝料過程中，要求裝料至模腔端面約30mm后將模具放置在振動臺上震動15s以上，循環多次直至裝滿模具[3]。

對工藝改進后壓制的毛坯不同位置的坯體密度進行測試，“象足”端的坯體密度在2.29-2.31g/cm3之間，毛坯中間位置的坯體密度在2.32-2.34g/cm3之間，“象足”端的坯體密度較均勻且與毛坯中間位置的坯體密度相近。通過保證填料密度的一致性，可減小“象足”端與毛坯中間位置坯體密度的差異。

3.2車坯件尺寸一致性

為保證車坯件尺寸的一致性，主要可通過提高產品內徑尺寸及質量、解決車坯件偏心問題、保證車加工外徑尺寸及質量三個方面來控制。

3.2.1 提高產品內徑尺寸及質量

根據造粒料的收縮選取專用工裝模具，用模芯尺寸保證內徑尺寸，無需進行車加工內徑；等靜壓壓制產品時保證模芯光滑、無劃痕、凸起等，確保壓制后產品內徑光滑，無需進行砂修。

3.2.2 解決車坯件偏心問題

為解決毛坯的偏心問題，將等靜壓模具設計為一模一件，如圖2所示：采用底座與模芯一體化設計，在模具底座上留有與模套的垂直配合面，保證模套與模芯的同軸度；等靜壓壓制時選擇在壓坯自動線進行壓制，為單件流水線式生產，生產過程中模具間無接觸，無擠壓。產品毛坯偏心可降低至0.2-0.3mm，可有效解決車坯件的偏心問題。

3.2.3 保證車加工外徑尺寸及質量

為保證白瓷尺寸，需要根據收縮來計算車坯件尺寸并進行車加工。車加工前需先對車加工夾具進行調整，不允許有跳動現象；車加工過程要求刀具鋒利，車加工完成后，車坯件表面光滑，無需進行砂修，確保車坯件壁厚偏差≤0.2mm。

3.3陶瓷燒結工藝過程控制

陶瓷燒結是陶瓷生坯在高溫下的致密化過程和現象的總稱，在這一過程中，瓷殼體積縮小、密度增大。為保證陶瓷產品尺寸的一致性，可通過調整陶瓷燒結工藝并匹配合適的墊腳裝載來控制[4]。

3.3.1 調整陶瓷燒結工藝

選擇雙孔同向高溫電隧道窯進行燒結，其控溫點較多，調整曲線中1120-1450℃緩慢升溫，可有效保證產品圓度[5]；裝載產品時，需裝載高產品進行間隔，解決了因產品高度問題導致的窯爐溫均性較差，確保產品在燒結過程中受熱均勻，收縮均勻，從而保證產品尺寸的一致性。

3.3.2匹配合適的墊腳裝載

選擇同批次原料作為其墊腳用料，保證燒結過程中產品與墊腳的同步收縮，減小產品變形；車制墊腳時，將墊腳臺徑和產品內徑的單邊配合間隙控制在0.4-0.6mm之間，墊腳臺徑圓度≤0.1mm；在刷墊腳的過程中要求粘砂薄且均勻，減小燒結過程中，墊腳內臺位置粘砂對產品收縮的影響，保證產品圓度及尺寸。

4" 產品質量

嚴格控制上述制漿造粒、等靜壓壓制、車加工、陶瓷燒結過程中影響陶瓷產品尺寸一致性的因素，燒結陶瓷產品（φ110±0.6*φ98±0.6*90mm）。測試300件產品，600個外徑尺寸數據，使用Cpk計算工具進行計算：

（1）根據產品尺寸公差，在分析軟件中輸入選項設定內容（目標值、上規格、下規格、樣本數）；

（2） 陶瓷產品尺寸波動見圖3：

（3）陶瓷產品尺寸分布見圖4：

（4） 計算該批次陶瓷產品外徑尺寸Cpk，見圖5：

該批次陶瓷產品外徑尺寸Cpk值為1.63，滿足1.33≤Cpklt;1.67的要求，等級評定為A，狀態良好可維持現狀；上述陶瓷生產過程中的工藝控制方法有效。

5 結語

通過對影響陶瓷產品尺寸一致性主要因素的控制，可以滿足陶瓷產品尺寸Cpk值≥1.33的要求，確定了提高陶瓷產品尺寸一致性的工藝方法；通過提高陶瓷產品尺寸的一致性，陶瓷產品尺寸的合格率可大幅度提升。

參考文獻

[1]忻乾康.蔡英. CpK在堿性電池生產中的應用[J]. 電池工業.2020-4.59-62.

[2]呂琴紅.董永謙.王增琴. CPK在生瓷片打孔工藝中的應用[J]. 電子工藝技術.2017-5.171-173.

[3]顧芬君. 淺析氧化鋁陶瓷制作工藝[J].天工.2022-2.68-69.

[4]楊寶珠. 控制瓷殼燒成形變、提高裝配尺寸精度[J]. 真空電子技術.2009.53-56.

[5]李景云.緱亞娥. 95%氧化鋁陶瓷大型產品燒成工藝的研究[J].真空電子技術.2013-04.92-94.