六西格瑪方法提升新型火箭發動機噴嘴合格率

劉 焱 柳 洋 陳宏亮 幺 健 張 亮 畢 凱

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六西格瑪方法提升新型火箭發動機噴嘴合格率

劉 焱 柳 洋 陳宏亮 幺 健 張 亮 畢 凱

（首都航天機械公司，北京100076）

利用氫噴嘴可以控制火箭發動機燃料和氧化劑的比例，其制造精度要求達到微米級，產品重要尺寸常無法滿足設計精度，導致零件報廢。利用六西格瑪工具找出造成產品缺陷的關鍵因子，并從切削參數、裝夾方式、刀具因素、人員技能及機床因素5個方面加以優化，產品合格率由改善前的38%提升至90%，取得了圓滿的效果。

六西格瑪管理；切削參數優化；過程控制

1 引言

六西格瑪管理以顧客為中心、以質量經濟性為原則，以數據為基礎，追求幾乎完美無瑕為目標的管理理念，其核心實施步驟為：確定問題、測量現狀、分析問題、改進優化和保持效果五個階段，是一門科學研究的理論指導。產品質量穩定性對于航空航天產品，至關重要，引入六西格瑪的管理方式，對于航天制造業的質量控制意義重大。

氫噴嘴是火箭發動機關鍵零件，材料為難加工的高溫合金。該產品精確控制燃料與助燃劑的比例、流量，且在高溫高壓下工作，設計部門對于產品尺寸精度提出了極高的要求。實際制造過程中，產品合格率及過程能力水平低，無法滿足使用要求，帶來了損失[1]。六西格瑪管理方法解決氫噴嘴零件合格率低的問題。

根據產品實際情況，將產品合格率由38%提升至90%以上，最終目標為100%，即零缺陷。在產品工藝穩定性方面，選取產品關鍵尺寸——噴嘴直徑，作為檢測對象研究產品過程能力（Cpk）。

2 測量階段

2.1 測量系統分析（MSA）

表1 測量系統MSA分析（部分數據）

測量工具為內徑千分尺，隨機抽取10個產品進行試驗。重復檢驗2次，共60個數據，對測量系統進行了MSA分析[2]，分析結果如表1所示。

將表格中的數據導入Minitab軟件中，執行量具研究，方差分析。測量系統分析如表2所示。可區分的類別數=15。通過Minitab計算出：a. 方差/研究變異9.03%；b. 重復性檢驗為8.42；c. 可辨別范圍為15。

表2 量具運行圖

2.2 過程能力分析

表3 現狀數據（部分數據）

收集工藝改進前產品數據，如表3所示，分析過程能力。經過驗證，正態概率大于95%，且所有數據都在控制線以內，利用這一組數據研究產品的過程能力[3]。結果如圖1所示：Cpk為0.19，與標準值1.33差距大。目標Cpk設為0.8，且產品合格率95%以上。

圖1 過程能力分析

2.3 因果矩陣分析（C&E）

影響產品質量所有因子共計21項，對這些因子重要程度打分，篩選出80%的重要因子。

2.4 失效模式分析（FMEA）

對因果矩陣分析后獲得9個潛在的缺陷模式進行FMEA分析[4]。刀具使用情況、裝夾系統、機床精度、人員技能、切削參數這5項占失效因素的80%以上。

3 分析階段

對篩選出來的5個因子進行顯著性分析。運用DOE全因子試驗設計、雙樣本T檢驗。

3.1 快贏改善

快贏改善裝夾方式、人員技能。產品毛坯料尺寸長，車削過程毛料高速旋轉，由于離心力作用，繞軸線擺動。在機床送料處，增加防甩料裝置，減小毛坯擺動對產品車削精度的影響。未經培訓的機床操作者加工產品尺寸誤差大，完成產品總數少。針對此問題提出快贏改善。

4 改善階段

表4 曲面響應試驗（部分數據）

采用DOE部分因子加中心點的方式優化參數，共設計9組試驗。經過分析，機床精度越高，產品質量越好，但切削速度和刀具時間存在彎曲效應，設計了DOE響應曲面試驗，收集20組數據，試驗數據見表4。

擬合出切削速度、刀具時間二因子的最優組合區間：切削速度150～180m/min，刀具使用時間150～230min，機床精度為2μm，生產的產品尺寸滿足要求。

5 控制階段

5.1 改善效果驗證

收集改進前后產品數據，見表6。可以看出，隨著項目控制階段完成，優化措施落實，產品合格率提升。

表6 改進前后產品交付情況匯總

5.2 過程能力分析

圖5 優化后的過程能力

測量改善后某一批產品噴嘴直徑數據，驗證改善后的過程能力，分析結果如圖5所示，取得預期效果。

a. 改善后Cpk=1.02，超出設定目標0.8，產品的過程能力提高，達到了航天制造行業先進水平。

b. 改善后產品合格率達到91%以上，超過了項目初期設定的目標90%。

6 結束語

六西格瑪管理作為當前研究的熱點之一，逐漸成為取得效益的有效途徑，并發展為戰略改進，業務變革和解決問題的最佳實踐。組織開展的一個實際項目，有效地提升發動機關鍵產品的合格率與工藝穩定性。

1 彼得潘德，羅伯特紐曼. 六西格瑪管理法：追求卓越的階梯[M]．北京：機械工業出版社，2001

2 德菲歐，巴納德. 論六西格瑪：突破與超越[M]．北京：中國人民大學出版社，2005

3 張宏偉. 六西格瑪核心教程黑帶讀本[M]．北京：中國標準出版社，2002

4 于洪彬. 六西格瑪管理在我國制造業中的運用[D]．南京：河海大學，2007

Improve Quality of Launch Vehicle Nozzle by Using Six Sigma Method

Liu Yan Liu Yang Chen Hongliang Yao Jian Zhang Liang Bi Kai

(Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076)

Hydrogen nozzle can be used to take accurate control of the proportion of fuel and oxidant for rocket engine, and the manufacturing accuracy has even reached micron grade. While in the process of practical production, some important sizes cannot meet the design accuracy, which leads to part scrap. The six sigma tools are used to find out the key factor of the product defects, such as the cutting parameters, the clamping method, cutter, staff skills and machine tool. In the end, the qualified rate increases from 38% before to 90%, which comes out a satisfactory result.

six sigma management；cutting parameter optimization；process control

劉焱（1981-），碩士，航天工程專業；研究方向：質量管理。

2016-12-16