基于SPC 的汽車零部件質量問題預警與改善

●徐雨晴 朱玉杰 郝藝婷

一、引言

在汽車電動助力轉向系統(tǒng)ECU 的生產過程中，容易出現由于散熱問題所導致的不良品產生，導致由于質量問題引起的一系列成本的損失，因此為了解決產品質量問題，提高工序能力，就需要采用有效的監(jiān)控預警以及改善方法對現狀進行改善。

劉艷秋在統(tǒng)計過程控制(SPC)在質量管理中的應用研究中詳細的闡述了兩種質量工具：控制圖以及工序能力在企業(yè)中的應用，提出了企業(yè)質量管理的思路和參考方式。費一正在基于SPC的車間制造質量管理系統(tǒng)研究中將SPC 技術與計算機信息技術相結合,建立了質量管理系統(tǒng)體系框架,開發(fā)了車間級的制造過程質量管理系統(tǒng)。王桂英、韓東在汽車發(fā)動機裝配線的SPC 質量控制系統(tǒng)設計中，以汽車發(fā)動機裝配件為研究對象，利用SPC 控制圖實現了對關鍵質量參數的實時監(jiān)控，并利用工件編碼在質量裝配環(huán)節(jié)實現了對全體工件的追溯。周小康、全世平在基于SPC 的乘用車離合器生產質量控制研究中利用SPC 控制圖實現了汽車離合器生產工序的質量監(jiān)控并利用魚骨圖分析法對工序進行剖析，解決了汽車離合器分離指結合高度存在的不穩(wěn)定性問題。

本文不僅通過SPC 單變量平均值- 極差控制圖實現了對陶瓷銅片點膠貼裝工藝的的質量監(jiān)控，而且結合5M1E 魚骨圖分析、專家打分法以及矩陣法給出了針對本工藝的詳細改善思路以及改善優(yōu)先級，提高了工藝改善的可行性。

二、工序選擇及控制圖的初次建立

（一）工序及參數的確定

SPC 統(tǒng)計過程控制是指利用過程質量數據的統(tǒng)計規(guī)律，利用統(tǒng)計技術對工序實施監(jiān)控的過程。利用控制界限區(qū)分工序的正常波動和異常波動，從而達到預警的目的。不同的控制圖適用于不同的生產類型及數據類型，本文根據數據情況選用平均值- 極差控制圖進行分析。

A 公司主營產品之一為汽車電動助力轉向系統(tǒng)ECU，而在生產過程中，會出現由于散熱性不良所造成的報廢產品出現，為了改善工藝能力，最終鎖定對產品散熱性起決定因素的陶瓷銅片點膠貼裝這一生產工序進行SPC 統(tǒng)計過程質量控制，并建立參數陶瓷銅片與鋁基本（散熱片）間散熱熱阻平均值- 極差控制圖實現對工藝的監(jiān)控及提前預警。

（二）平均值- 極差控制圖的初次建立

控制圖又稱休哈特圖，是美國休哈特博士于1924 年發(fā)明的。控制圖分為兩種，即分析用控制圖和控制用控制圖，分析用控制圖通常用來確定工序是否處于穩(wěn)態(tài)，控制用控制圖則是在工序達到穩(wěn)態(tài)后，對工序實時監(jiān)控，利用控制界限區(qū)分工序的正常波動和異常波動，從而達到預警的目的。

為了建立控制圖，針對陶瓷銅片與鋁基本間散熱電阻進行了抽樣檢測，按照自然生產順序，單件流u 形線上每10 個產品測一組散熱電阻，每組連續(xù)取5 個產品的散熱電阻作為一批次，共得到25 個批次數據，即子組數k=25，子組容量n=5，共取得N=125 個樣本，生產節(jié)拍約為2min，抽樣間隔時間約為20 分鐘，所有電阻檢測值全部取自一個班次12 小時之內，數據取自基本相同的生產條件，這樣的抽樣方法保證了樣本內僅有偶然因素影響，系統(tǒng)性原因反映為樣本間差異，具體數據見表1。其中散熱電阻規(guī)格控制限為1.6～1.9K/W。

表1 熱阻測量數據表

根據表1 中的計算可知：

通過計算，可得出R 圖的上控制限為UCL=D4×R=0.234899，下控制限不考慮記為0，控制中心線CL=R=0.11112,平均值控制圖上控制限UCL=+A2×R=1.7764，下控制限LCL=-A2×=1.648172，控制中心線CL==1.712286，其中所涉及的參數A2、D4分別為均值控制圖控制界限因數和極差控制圖控制界限因數，可通過查計量控制圖系數表獲得，形成的平均值控制圖和極差控制圖見圖1 和圖2。

圖1 平均值控制圖

圖2 極差控制圖

三、工藝能力判定及改善

（一）過程能力指數計算

過程能力實為工序能力，是指工序處于控制狀態(tài)下的實際加工能力，也是在人員、機器設備、材料、方法、環(huán)境、測試等質量因素處于穩(wěn)定狀態(tài)下所表現出來的保證過程質量的能力，屬于工序的固有屬性。過程能力通過過程能力指數Cp來度量，當過程中心有偏移時，引入偏移量ε 和偏移系數k 來計算調整后的過程能力指數Cpk。當過程能力指數Cpk小于1 時，應利用5M1E魚骨圖對影響工序的各個因素進行剖析，找到影響工序能力的根本原因并進行改善，在工序有了本質的改善，過程能力指數大于等于1 后，才可使用重新計算的控制圖的上下限并進行控制。當過程能力指數大于等于1 但工藝仍不令人滿意時，可使用同樣的方法進行改善，改善的思路可以參考本文提出的打分法結合影響程度- 改善可行性矩陣進行改善優(yōu)先級的判斷。

基于表1 計算可以得出偏移量ε=0.03771，修正系數k=0.0251424，其中TU和TL分別為控制上限和控制下限，T 為控制限公差，d2為中心線系數，可查表獲得，過程能力指數Cpk=0.7835＜1，由于過程能力嚴重不足，因此不可將圖1 和圖2轉為控制用控制圖，應在過程能力指數提升至1 以上后重新計算控制圖。

（二）5M1E 魚骨圖分析

為提升陶瓷銅片點膠工藝的工藝能力，本文采用5M1E 魚骨圖分析法去尋找出現報廢的原因和控制方法。在陶瓷銅片點膠貼裝根據工藝可分為兩部分，分別為散熱片點膠和陶瓷銅片貼裝，在散熱片點膠這一工藝中，可能出現的問題點包括：膠水重量；膠水黏度；膠的導熱性；散熱片平整度和粗糙度；膠盤內膠高；點膠頭初速度；點膠頭懸停高度等。在陶瓷銅片貼裝工藝中，問題可能出在壓合銷釘壓力;裝貼頭彈簧彈性；裝貼頭移動穩(wěn)定性；壓合銷釘水平度；陶瓷銅片表面平整度。其他的問題還包括原材料的存放環(huán)境、灰塵顆粒影響以及測試針的質量等。一旦通過控制圖發(fā)現異常出現時，可以通過魚骨圖對異常發(fā)生原因問題初篩。

（三）專家打分及矩陣法

在經過5M1E 魚骨圖法的問題點尋找和分析后，經過實地調研，排除了目前并未引發(fā)質量問題的因素。在實際改善中，由于成本、人力等現實條件的制約，很難對余下每一個影響因素都進行迅速有效的改善，因此在改善過程中，應對采取科學的方式對所有改善點進行分析，找到對工藝影響最大，最需要緊急改善，相對來說改善成本最低的方面進行改善。在確定改善優(yōu)先級前，通過經驗及調查，已經將不存在問題的改善點篩出，并采用專家打分法對余下改善點進行打分，其中改善可行性是在改善過程中需要花費的成本多少、人力多少以及可施行的綜合指標，影響程度是指問題發(fā)生頻次以及造成相關時間及成本損失的綜合指標。隨著影響程度增大，改善可行性增強，分數不斷增高，滿分為10 分，打分詳情見表2。

圖3 陶瓷銅片點膠工藝5M1E 分析魚骨圖

表2 影響程度及改善可行性打分表

圖4 影響程度- 改善可行性矩陣

在打分結束后，通過影響程度- 改善可行性矩陣對改善點進行分級，通過矩陣可以很直觀地看到每個改善點所處的位置，判定思路應為優(yōu)先解決矩陣右上方改善點，由于矩陣由打分范圍組成，并不精確，因此應結合打分表，做出準確的改善優(yōu)先級判斷，改善分析如下：

影響工藝能力最重要的因素為膠重和壓合銷釘的壓力，影響程度均為9 分，因此要想提高工藝能力，這兩個問題必須解決。目前對膠重的測量全部為手工稱重，在精度控制上上存在不足，因此升級設備是非常必要的，增加高精度的膠重稱量設備保證生產中的膠重控制，避免因膠重問題導致的報廢品產生；壓合銷釘的壓力監(jiān)測也應提高精度并達到實時監(jiān)測，當壓合銷釘的壓力參數出現異常時，方便工程師及時處理并分析導致壓力異常的原因；除此之外，一些改善可行性極高的，改善程序相對簡單的也應當優(yōu)先解決，諸如技術員在換型時刮刀高度調整出現偏差導致不良產生，通過培訓等手段可以在幾乎不耗費成本的情況下就得以解決；對于影響程度均為6 分的陶瓷銅片表面平整度、鋁板表面平整度、裝貼頭移動穩(wěn)定性、壓合銷釘水平度中應該優(yōu)先通過抽測的方式改進由于陶瓷銅片表面平整度、鋁板表面平整度問題引發(fā)的不良品產生，再去解決改善難度相對較高的裝貼頭移動穩(wěn)定性、壓合銷釘水平度問題。總之，解決問題的思路應是優(yōu)先解決對工藝能力影響高的問題，若影響程度相近，則優(yōu)先解決改善可行性高的問題，如果有改善可行性極高的問題，雖然對工藝能力影響較弱，也應優(yōu)先解決，排除潛在風險，按照優(yōu)先級的順序逐一解決。

四、改善后控制圖的再次建立及應用

（一）控制用控制圖的建立

在經過改善分析后，該公司升級了膠重稱量設備，提高了設備稱量精度，并且實現了壓合銷釘壓力的實時高精度監(jiān)測，并積極對技術員及工人進行培訓消除操作風險。經過改善后再次使用同先前數據采集相同的方法再次進行數據采集，采集到的數據見表3。

表3 改善后熱阻數據采集表

圖5 平均值控制圖

圖6 極差控制圖

同理計算可得出R 圖的上控制限為UCL=D4×=0.15291，下控制限不考慮記為0，控制中心線CL==0.07233,平均值控制圖上控制限UCL=+A2×R=1.766072，下控制限LCL=-A2×R=1.682604，控制中心線CL=X=1.724338，過程能力指數Cpk=1.332827≥1，且兩個控制圖均通過了控制圖異常的八種模式，因此可以將分析用控制圖轉為控制用控制圖進行監(jiān)測和預警，形成的極差控制圖和平均值控制圖見圖5 和圖6。

（二）控制用控制圖的使用

首先，確定抽樣頻次，并在控制圖上打點。由于目前工序能力還存在不足，抽樣頻次應按照與建立控制圖同樣的抽樣方式進行抽樣并監(jiān)控。

其次，記錄人員除了應將記錄的時間，參數等信息記錄并存檔外，還應將諸如設備的開關機、換型、斷電等相關的計劃事件和非計劃事件都做好對應的記錄，目的是為了在收集了足夠的數據之后，方便歸納數據特點及對應原因。

最后，在記錄數據完成后，就是利用控制圖對異常進行判斷和控制，控制圖異常通常有八種判定模式，即控制圖上一個點位于控制限外；連續(xù)9 個點落在中心線同一側；連續(xù)6 點遞增或遞減；連續(xù)14 點中相鄰點交替上下；連續(xù)3 點中有兩點落在中心線同一側的B 區(qū)外；連續(xù)5 點中有4 點落在中心線同一側的C區(qū)外；連續(xù)15 點落在中心線兩側的C 區(qū)內；連續(xù)8 點落在中心線兩側且無一點在C 區(qū)內。當出現上述8 種異常時，應及時通知工程師進行原因分析并做出后續(xù)動作，形成預報式的質量管控，及時止損，異常出現原因的分析思路可以參考前文的5M1E 魚骨圖分析。

（三）改善成果

A 公司按照改善優(yōu)先級，將影響程度為9 分的膠重問題以及壓合銷釘壓力問題通過升級設備的方式進行改善，通過完善技術員及員工培訓消除操作及保養(yǎng)過程中造成的產品質量風險。經過上述改善后過程能力指數Cpk由0.7835 增長為1.3328，實現了大幅度的提高，證明改善體系和方法是行之有效的，若想在工序能力上有進一步的提升，應該持續(xù)的利用控制圖進行監(jiān)控并對引發(fā)質量問題的原因進行更加細化的分析，并參照本文提出的方法進行改善。

五、結語

本文針對汽車零部件陶瓷銅片點膠貼裝工藝進行了完整的SPC 統(tǒng)計過程控制分析，工藝能力提升分析及改善思路分析。通過計算過程能力指數判斷該工藝的過程能力，并通過5M1E 魚骨圖對引起工藝不良的因素進行分析；通過結合專家打分法和影響程度- 改善可行性矩陣法確定了改善方法及改善優(yōu)先級；在SPC 統(tǒng)計過程控制分析中，建立出參數的平均值- 極差控制圖實現該工藝質量問題的預警，形成了完整的基于統(tǒng)計過程控制的質量監(jiān)控與改善方法。