運用DOE實驗設計優化鋅鋁合金壓鑄件電鍍工藝參數

馬三中

（河南新飛電器有限公司 河南新鄉 453002）

運用DOE實驗設計優化鋅鋁合金壓鑄件電鍍工藝參數

馬三中

（河南新飛電器有限公司 河南新鄉 453002）

運用精益六西格瑪管理在F公司開展質量、效率提升專案，并延伸到下游提高供應商的產品質量。針對鋅鋁合金壓鑄中鉸鏈電鍍成型生產工藝參數優化問題，借助Minitab軟件，采用DOE實驗設計優化成型條件，實現成型生產標準條件最優化。該技術可運用于保證產品質量、降低成型生產周期，提升生產效率。

試驗設計（DOE）；方差分析（ANOVA）；鋅鋁合金壓鑄；電鍍工藝；參數優化

1 引言

試驗設計（Design of Experiment，簡稱DOE）是以概率論與數理統計為基礎、合理安排試驗的一種方法，通過高效經濟地獲取數據信息、科學地分析處理、得出正確的結論。現代企業的制造和設計部門則經常用它來解決設計、生產和服務流程中的問題，特別是在一些推行持續改進的企業里，更是一個提升質量，穩定流程的有力工具。本文以優化鋅鋁合金壓鑄件電鍍工藝參數，闡述如何面對諸多影響因素，科學地設定工藝參數。設計、制造、質量工作由一個個過程組成。由于輸入的變化，各因素之間可能存在的交互作用，再加上各種干擾因素的影響，使得結果變化不定。在大多數情況下，這種輸出的不穩定會帶來質量不穩定和成本高居不下。試驗設計將通過對產品質量，工藝參數的量化分析，尋找關鍵因素，控制與其相關的因素，以少的投入換取大的收益，從而使產品質量得以提升，工藝流程優化。

2 問題描述

F公司是生產家用電冰箱的一家大型企業，冰箱中鉸鏈有壓鑄型、包塑型和鋼件型三類，其中近年來壓鑄型鉸鏈的冰箱一直占F公司冰箱總產量的80%以上，高端冰箱全部采用壓鑄型鉸鏈。壓鑄型中鉸鏈采用鋅鋁合金壓鑄成型，具有重量輕、強度高的特點。但是，鋅鋁合金壓鑄件本身的功能性和裝飾性較差，為了提高它的功能性和裝飾性，采用鍍裝飾性銅鎳鉻工藝。但是電鍍出現質量問題返修的可能性很小，造成較高的質量成本。因此，需要對電鍍的工藝參數進行優選。

如何面對諸多影響因素，科學地設定工藝參數，優化鋅鋁合金壓鑄件電鍍工藝參數？借助Minitab軟件可以幫助我們快速進行試驗方案設計和分析，獲得我們所需要的信息，從而找到改進的途徑。

3 案例分析

3.1 壓鑄中鉸鏈生產主要工藝流程

壓鑄中鉸鏈生產主要工藝流程如圖1所示，本案例以最后鍍鉻工序為例，運用DOE實驗設計進行了參數優選。

3.2 DOE實驗設計

3.2.1 實驗因子選擇

根據試驗的因子個數，可以分為單因子和多因子試驗。本案例中影響鍍鉻工序的因子包括：陰極電流密度、溫度、PH值。為了估計出所有的主效應和所有的各階交互效應，選用全因子設計。采用2水平3因子全因子實驗設計，分別選擇陰極電流密度、溫度、PH值進行全因子實驗，以便找出確定這些變量的最佳設置，試驗中選擇中鉸鏈材質、電鍍生產線和最終測試條件作為固定因子保持不變，三個因子的水平設置如下：陰極電流密度：低水平為8A/m2，高水平為13A/m2；溫度：低水平為26.5℃、高水平為33.5℃，PH值：低水平為4、高水平為6（水平數據依據工藝文件）。

3.2.2 實驗設計及數據分析

使用Minitab軟件中的DOE模塊生產實驗計劃，共8組實驗，接下來對每組條件取樣，用測厚儀測量鉻層厚度。如表1。

3.3 實驗設計分析

3.3.1 擬合選定模型及方差分析

方差分析（analysis of variance, ANOVA）是檢驗一對假設是否成立的統計方法，顯著性水平a是指在對原假設是否成立進行判斷時，由于樣本的隨機性，判斷可能產生兩類錯誤，第一類錯誤是原假設為真，由于樣本的隨機性，做出拒絕原假設的決定，這類錯誤記為第一類錯誤，也稱為拒真概率，記為a。第二類錯誤是原假設為假，由于樣本的隨機性，做出保留原假設的決定，這類錯誤記為第二類錯誤，也稱為取偽概率，記為B。若要求犯第一類錯誤的概率不超過a，由此給出的檢驗稱為水平為a的檢驗，稱a為顯著性水平，常取a為0.05。

運用MINITAB軟件進行分析，在運行窗中可得到計算結果。從ANOVA表中可以看出，主效應項Main Effevts中，P-Value=0.002,顯示模型總的效果是顯著的、有效的；從顯著性來看，因子電流密度、溫度、PH值的P-Value都小于顯著性水平0.05，因此判定二項效應是顯著的，2因子交互效應P-Value=0.005，小于顯著性水平0.05。判定顯著。

擬合因子：鉻層厚度與電流密度、溫度、PH值。通過實驗計算的回歸式，得出結論：鉻層厚度=0.584+0.026（電流密度）+0.006（溫度）－0.041（PH值）－0.019(電流*PH值 )+0.016(溫度*PH值 )（coded units ）

3.3.2 因子正態、效應圖進行驗證

運用MINITAB軟件分析，如圖2所示。結論:從因子效應的Pareto圖及因子正態效應圖中可以看出：因子A、B、C、BC、AC，主效果都有效，其中C最為顯著。

3.3.3 各因子主效應及交互效應圖進行分析

主要目的是判斷已經選定的主效應和交互效應是否真的顯著，未選中的效應是否真的不顯著。各因子主效應及交互效應圖如圖3所示。由主效應圖中可以看出，PH值、電流密度對厚度的影響顯著，其中PH值影響更顯著。當電流、溫度兩個因子從低水平到高水平時變化時，厚度提高；當PH值因子從低水平到高水平變化時，厚度降低。由交互效應圖中可以看出，電流密度*PH值、溫度*PH值兩者的交互作用顯著。

3.3.4 殘差診斷

從殘差診斷中看出，模型基本上是好的, 殘差的正態性檢驗圖符合正態分布。誤差的分布相當隨機，殘差與觀測之間沒有明顯關系。

3.3.5 各因子立方圖進行分析

見圖4，立方圖告訴我們最佳的因子組合方案。

3.3.6 輸出響應變量等高線圖及響應變量曲面圖確認最佳設置

為進一步確認響應變量如何受所選因子和交互作用影響及其相互間變化規律，繪制等值線及響應曲面，曲面高低狀況更加一目了然，見圖5、6。從圖中可以看出，PH值*溫度、PH值*電流密度交互效應對于鉻層厚度的影響顯著。

3.3.7 實現最優化。

本案例具體問題是屬于“望大”型的，在MINITAB軟件中可以從窗口中得到最優化的結果。利用響應變量優化器可以得到一組最優數據，電流密度為8A/m2，溫度為26.5℃，PH值為4時，厚度為0.59微米，我們將按此標準進行生產實踐，以驗證是否達到目標值。

3.3.8 預測CI、PI

如表2所示。

3.3.9 優化參數效果驗證

按照試驗設計得到的最佳電流、溫度和PH值取值，重新試驗進行驗證；測得的厚度數據如表3。

結論：經過驗證，厚度值均在95%PI(0.569876, 0.610124)置信區間內，說明我們進行DOE試驗得到的擬合模型是有效的、可靠的。我們以后將按照此參數設置進行批量生產。

表1 DOE設計矩陣和實驗數據表

表2 預測CI、PI

表3 優化參數后的厚度數據

圖1 壓鑄中鉸鏈生產主要工藝流程

圖2 因子正態、效應圖

圖3 各因子主效應及交互效應圖

圖4 立方圖

3.3.10 鉻層厚度提高改善效果驗證

我們收集5月6～18日的鉻層厚度數據25組（每組4個數據），進行了正態性檢驗，工序能力分析，Cpk明顯提高。從Xbar-R圖中可以看出鉻層厚度得到了有效監控，均值達到了0.57mm。我們運用假設檢驗以驗證改進前后平均鉻層厚度是否提高：從改進前和改進后的產品中隨機抽取N=10的樣品，測量其鉻層厚度。

我們運用假設檢驗以驗證改進前后平均鉻層厚度是否提高。從改進前和改進后的產品中隨機抽取N=10的樣品，測量其鉻層厚度。

（1）檢驗方差是否相等。先驗證改進前后數據是否服從正態分布，改進前后數據P-value＞0.05,數據服從正態分布, F檢驗的P-value為0.568＞0.05，沒有充足的證據判定兩總體方差不等，可認為兩總體方差相等。

（2）檢驗均值。運用MINITAB軟件進行分析，P-value=0＜0.05，拒絕原假設，接受備擇假設，說明在95%的置信水平下，有足夠的統計證據證明改進后鉻層厚度明顯提高。

4 結束語

本文通過DOE實驗設計，對鋁合金壓鑄件鍍裝飾性銅鎳鉻工藝參數進行了優選，找出了電流密度、溫度、PH值的最佳配合，運用到生產實踐中，提高了產品質量和生產效率。因此，借助Minitab軟件，采用DOE實驗設計優化成型條件,實現成型生產標準條件最優化，可以推廣到家電生產的許多方面，具有啟發意義。

[1] 馬逢時等編著. 《六西格瑪管理統計指南》. 中國人民大學出版社. 2008

[2] 馬林，何楨主編. 《六西格瑪管理》. 中國人民大學出版社. 2008

[3] 巫江，宋宏春，李小聯，魏丹. 基于DOE的注塑成型工藝參數優化. 制造業信息化. 2011（1）

[4] 羅軍，宋德朝. 基于Minitab的質量控制技術在制造過程中的應用[J]. 現代制造工程.2009（2）：10-20

[5] 王愛榮. 實用鋅鋁合金壓鑄件鍍裝飾性銅鎳鉻工藝.腐蝕與防護. 2002（3）

圖5 響應變量等高線圖

圖6 響應變量曲面圖

2015年5月中國家用電器檢測所健康家電分析測試中心檢測產品一覽表1

檢測結果由中國家用電器檢測所健康家電分析測試中心發布

2015年5月中國家用電器檢測所健康家電分析測試中心檢測產品一覽表2

2015年3月重點家電類產品出口統計表金額單位：萬美元

2015年3月重點家電類產品進口統計表金額單位：萬美元

2015年3月全國主要家用電器產品產量

2015年3月全國重點大商場主要小家電品牌市場占有情況

電飯煲

電壓力鍋

電磁爐

吸油煙機

電熨斗

中怡康時代市場研究公司對全國972個市縣7412家門店銷售監測

2015年3月四大家電及上游行業產銷數據月度簡析

冰箱

冰箱：產銷同比降幅收窄

產業在線監測數據顯示，2015年3月冰箱市場下滑態勢未能得到改變，但是下降幅度明顯收窄，在結束了春節休假影響后，冰箱產銷量環比大幅提升。

3月冰箱總產量為802萬臺，同比下滑2.9%，環比增長75%；總銷量為784.6萬臺，同比下滑3.4%，環比增長66%；從冰箱的內外銷表現來看，3月冰箱出口和內銷同比均下滑，其中出口由于基數小，下滑幅度大于內銷。3月庫存環比增長7%，同比略有下滑。

（注：產銷數據統計范圍為使用壓縮機的冰箱，采用其他制冷方式的冰箱不在此統計中）

洗衣機

洗衣機：內銷增長 出口下滑

產業在線監測數據顯示，2015年3月，我國家用洗衣機行業總產量497.9萬臺，同比下滑3.1%；總銷量468.0萬臺，同比下滑6.5%。其中內銷出貨量347.3萬臺，同比增長1.9%，環比2015年2月增長26.3%。出口出貨量120.6萬臺，同比下滑24.4%，環比2月下滑9.8%。

2015年3月，國內滾筒洗衣機產量135.9萬臺，同比增長1.8%；總銷量121.8萬臺，同比增長0.6%。其中內銷84.6萬臺，同比增長20.3%；出口37.2萬臺，同比下滑26.6%。同期波輪內銷出貨262.7萬臺，同比下滑2.8%，出口83.4萬臺，同比下滑23.4%。

液晶電視

液晶電視：內銷向好 出口承壓

產業在線監測數據顯示：2015年3月中國液晶電視產量約為832.2萬臺，銷量為807.7萬臺。其中出口437.8萬臺，內銷369.9萬臺，分別占整體銷量的54.2%和45.8%。3月液晶電視出口承壓，同比環比呈現雙降勢態，出現這一現象主要是因為去年上半年受人民幣匯率貶值以及體育賽事等諸多因素的拉動以致液晶電視呈現爆發性增長，使得今年同期對比基數較高，同比下滑20.4%。3月內銷出貨也相對平淡，但是由于2014年同期市場表現慘淡，對比基數較低，3月出貨同比仍小增6.3%。

家用空調

空調：產銷環比增長翻番

產業在線監測數據顯示，2015年3月國內空調產銷總體規模水平環比均出現較大幅度增長，主要是2月春節企業都放了長時間的假期，假期結束后生成步入正軌，產量回升也屬正常。

3月家用空調的行業生產總量為1350.1萬臺，同比下降0.7%，環比增長116.22%；銷售總量為1505.07萬臺，同比增長2.66%，環比增長102.54%。總體來看，3月產量和去年同期相比有微幅下降，可以說這個結果應該是比預期表現略好，2014年同期3月的行業產量在很高的水平，在2015年如此艱難的形勢下，還能基本保持相當的水平已實屬不易。

冰箱壓縮機

冰箱壓縮機：旺季啟動 動力不足

產業在線監測數據顯示：2015年3月，冰箱壓縮機在2015年的旺季正式啟動，從行業數據表現看，可謂動力不足，信心猶存。當月產量1157.7萬臺，同比下滑3.6%，銷量1208.7萬臺，同比下滑6.5%，在庫400.5萬臺，同比下滑44.0%。

在結束了春節期間的休假、產能不足等狀況后，冰壓市場逐步恢復動力，為即將到來的旺季積極備貨。在對2015年市場的一片質疑聲中，依然有企業積極排產并實現銷量的增長。首當其沖的是安徽美芝，在開發新客戶的同時，現有客戶占有率逐步提升，帶動3月產銷量同比大幅增長。

空調電機

空調電機：產銷同比大幅下滑

產業在線監測數據顯示，2015年3月，空調電機總銷量2763.5萬臺，同比下滑10.42%，環比上漲64.38%；其中內銷為2242.5萬臺，環比增長89.56%，同比下滑7.83%；出口為521萬臺，環比增長4.58%，同比下滑20.09%。

3月，空調電機內銷市場逐步恢復生產，環比數據上漲，為空調整機企業補貨需求旺季的到來提供準備，而3月傳統需求旺季的來臨，同比卻出現了小幅下滑，市場上漲缺乏動力，后市信心不足。出口方面，3月空調電機出口市場環比小幅上漲，同比下滑。

2015年3月全國重點大商場主要小家電品牌市場占有情況

儲水式熱水器

即熱式熱水器

凈水系列

吸塵器

浴霸

中怡康時代市場研究公司對全國972個市縣7412家門店銷售監測

2015年3月全國及分區冰箱暢銷機型平均價格單位：元／臺

全國

東北

華北

華東

華南

西北

西南

華中

中怡康時代市場研究公司對全國972個市縣7412家門店銷售監測

2015年3月全國及分區空調暢銷機型平均價格 單位：元／臺

全國

東北

華北

華東

華南

西北

西南

華中

中怡康時代市場研究公司對全國972個市縣7412家門店銷售監測

2015年3月部分家電產品前10名型號價格變化

洗衣機

冰箱

空調

微波爐

市場簡析

※ 洗衣機市場結構下沉常態化，產品高端化明顯

捷孚凱(GfK中國)洗衣機全國線下市場零售監測數據：2015年第一季度，洗衣機線下市場零售量規模較去年同期增長3%，零售額同比增長7%。從城市級別增長來看，大中城市的需求相對萎縮，隨著城鎮化的帶動和各渠道物流網絡的不斷下沉，下一級別城市逐漸迎來消費的升級，中小城市增長明顯好于大中城市，其一季度零售額同比漲幅為12%。從產品來看，隨著人們居住條件的改善和生活節奏的加快，市場對大容量的需求不減，2015年一季度，滾筒市場9公斤段的增長最為突出，對比2014年同期，其零售額增長350%。此外，洗衣機的功能也不斷完善，具備智能化功能的產品逐漸開始推廣和普及，產品高端化日益明顯。根據GfK中國家電零售線下市場的監測數據顯示，一季度5000元以上的高端滾筒洗衣機零售額依然保持了良好增長，同比增23.8%；3000元以上的單缸市場為另一增長看點，其零售額同比增長58%。

市場簡析

※ 3月在線市場表現拉動冰箱整體市場提升，一季度趨穩

根據捷孚凱(GfK中國)冰箱全國市場零售監測數據顯示：3月冰箱全國零售量約為219萬臺,同比去年增長7%，市場增長主要來自于“3.15”的促銷，在“3.15”期間，冰箱廠商和零售商抓住機會，相比往年增加更多投入。3月份在線市場增長尤為明顯，零售量約為28萬臺,同比去年增長50%，使得在線市場零售量占比提升近3個百分點，對整體市場的拉動作用明顯。2015年一季度，全國冰箱零售量約為636萬臺，同比去年增長4%，零售額約為188億元，同比去年增長約為12%，冰箱市場趨于穩定的新常態。冰箱市場出現增長，主要受到了房地產市場的影響：一方面，由于2013年房地產市場的低迷，使得冰箱市場2014年一季度出現了一段時間的低迷。另一方面，2014年，隨著大部分城市取消房地產限購政策，房地產市場有一定的回升，對2015年一季度的冰箱市場起到了一定的促進作用。

市場簡析

※ 大型家電連鎖渠道掀起旺季第一輪促銷大戰，三級能效產品比重提高

根據捷孚凱（GfK中國）空調全國線下市場零售監測數據顯示，2015年3月，家用空調零售市場零售量同比增長超過3%，零售額同比下降1%。縱觀2015年第一季度，零售量同比增長1%，零售額同比下降1%，均價依然保持下跌趨勢。3月旺季啟動期，清庫存依然是空調市場主流旋律。

從產品角度來看，由于促銷活動的發力，三級能效產品占比持續提升，其中三級能效變頻產品在整體空調市場占比達到40%，同比增長2個百分點，三級能效定頻空調占比達到31%，同比增長3個百分點。目前來看，廠商、零售商在加大促銷力度的同時，并未減緩產品升級的腳步，變頻空調的市場比重保持增長的趨勢，2015年3月零售量占比達到65%，同比增長4個百分點。未來隨著空調市場旺季的到來，各種促銷活動將層出不窮，因此過多的促銷活動是否會對產品結構升級造成實質影響，將會是未來關注的重點。

市場簡析

※ 微波爐線下市場零售量份額下跌繼續擴大；零售額有所收增，在線市場價格向上拓展根據捷孚凱(GfK中國)微波爐市零售監測數據顯示：2015年1-3月，微波爐線下大中城市市場零售量同比下跌25%，零售額同比下跌11%，下跌幅度較去年同期零售量繼續擴大，零售額有所收窄。產品結構升級趨勢依舊，線下400元以下低端微波爐產品零售量份額進一步被線上市場搶占，由去年同期的50%下跌到38%；另一方面，2015年1-3月1500元以上的高端微波爐線下零售量同比增長55%，零售量份額較去年同期提升3個百分點，市場前景頗具潛力。

剃須刀

榨汁機

食物料理機

電吹風

市場簡析

※ 3月剃須刀線下市場高端化趨勢加深

根據Gfk男用電動剃須刀線下零售監測數據顯示：2015年一季度剃須刀零售額同比增長3.7%，零售量同比下跌5.7%，均價較去年同期上揚了近10%，隨著2014年下半年及2015年面市的高端剃須刀相繼發力，線下市場高端化趨勢相比14年繼續深化。在高端剃須刀中，干濕兩剃功能又是倍受消費者關注的功能，根據Gfk男用電動剃須刀線下零售監測數據顯示：線下市場2015年一季度延續2014年的發展趨勢，具有干濕兩剃功能的剃須刀零售額與零售量持續增長，同比增長均為21%。

市場簡析

※ 春節過后，榨汁機在線市場復蘇

春節過后，全國物流逐漸恢復正常，榨汁機在線市場銷量大幅上漲，其中受限于第三方物流的淘寶系漲幅最為猛烈。根據GfK榨汁機在線市場零售監測數據顯示：2015年3月零售額為1.7億元，環比增長40%；零售量為27萬臺，環比增幅超過60%。但隨著近幾年在線市場的迅猛發展，在線市場的規模已經相當巨大，榨汁機在線市場的同比增長速度正在快速放緩。2015年3月，榨汁機在線市場零售額同比增長29%，基本接近線下市場的同比增長速度。

市場簡析

※ 2015年第1季度食物料理機高端市場快速增長

根據GfK食物料理機在線市場零售監測數據顯示：2015年第1季度食物料理機1000元以上高端市場增長迅速，零售額占比接近30%，環比漲幅約6個百分點，而同比漲幅超過15個百分點。高端市場的火爆主要歸功于高速料理機，同時，火爆的市場又吸引了大批的品牌進入和新型號上市，兩者互相推動將繼續助漲該細分市場。雖然高速料理機所推崇的養生功能有待證實，不同品牌的質量也參差不齊，但仍阻擋不住消費者的熱情，該品類在整體食物料理機在線市場零售額占比中已經超過50%。

市場簡析

※ 3月份電吹風線下市場一路走高

根據GfK電吹風大中城市線下零售監測數據顯示：中國電吹風線下市場在2015年一季度的總零售額同比2014年下降了7.4%，其中3月份的單月零售額卻同比增長了7.3%。如此高的增長率主要源于百貨渠道和家電連鎖渠道日趨明顯的高端化。根據GfK電吹風大中城市線下零售監測數據顯示，400元以上價格段市場的總零售額占比在2015年一季度同比2014年增長了近5%。驅動高價產品的走紅是因為各大品牌帶來了更多智能化和創新功效的產品。

2015年4月部分家電零售市場數據簡評

空調零售市場零售量規模變動

空調總體市場：銷量環比上升0.2%，同比上升3.3%

根據奧維云網(AVC)零售監測數據顯示，4月空調整體市場銷售規模環比上升，其中零售量環比上升0.2%，同比上升3.3%；零售額環比上升0.3%，同比下降1.4%。

洗衣機零售市場零售量規模變動

洗衣機總體市場：銷量和銷額同比增長環比下降明顯

根據奧維云網(AVC)零售監測數據顯示，2015年4月，洗衣機零售市場銷量和銷額環比分別下降12.5%和8.1%；銷量和銷額同比分別增長9.0%和11.7%。

冰箱零售市場零售量規模變動

冰箱總體市場：銷量同比下降1.0%，環比上升3.9%

據奧維云網（AVC）零售監測數據顯示，2015年4月冰箱零售市場監測銷量同比下降1.0%，環比上升3.9%；監測銷額同比上漲4.1%，環比上升4.5%。均價同比上升5.2%，環比上升0.5%。

空氣凈化器零售市場零售量規模變動

空氣凈化器總體市場：4月份的銷量同比下降22.1%，環比下降34.6%

2015年4月份凈化器市場遭遇低冷，環比3月份整體下降34.6%，同比下降22.1%，4月氣溫上升，空氣質量有所好轉，花粉等影響空氣因素未對消費者形成有效刺激，消費熱情不足，線上線下市場均有所下降，整體缺乏上升動力。

Application of DOE experiment to optimize the zinc aluminum alloy diecasting electroplating process parameters design

MA Sanzhong
(Henan Frestech Electrical Appliance Co., Ltd. Xinxiang 453002)

To carry out quality, improve the efficiency of the project in F company by using the six sigma management technology, and extend to the downstream improve supplier product quality. Aiming at the problem of optimizing the production process parameters hinge aluminum zinc alloy die-casting electroplating molding, using Minitab software, adopting the optimization condition of molding DOE experimental design, to realize the optimization of molding production standard conditions. The technique can be applied to ensure the quality of products, reduce the molding production cycle, improve production efficiency.

DOE; ANOVA; Aluminum zinc alloy die-casting; Electroplating process; Parameter optimization