基于SPC的螺栓加工過程控制

陳維 潘新 劉哨巡

摘? 要：在航空工業中，應用螺栓的場合較為廣泛，螺栓的加工質量對產品性能有著重要影響。很多時候直接影響產品的性能和使用壽命，或為后續的加工、裝配、試驗、使用和維護等帶來困難和不良影響。因此為了保證螺栓的加工質量，設計中將一些螺栓特性作為關鍵特性或者重要特性進行過程控制。文章將結合民機批產初期零件生產實際，以螺栓特性為例，應用統計過程控制方法對螺栓零件制造過程進行控制，分析過程能力，并通過有效的改善措施逐步提高過程能力，最終實現螺栓加工質量的穩定提升。

關鍵詞：螺栓;關鍵特性;統計過程控制;小批量

中圖分類號：U213.5+2? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）33-0011-05

Abstract： In aviation industry applications of bolts are widely used and machining quality of bolts plays an important role in product performance. Many times affect directly product performance and service life or bring difficulties and adverse effects for subsequent processing assembly testing use and maintenance etc. Therefore， in order to ensure the quality of bolt machining， some bolts characteristics are designed as key characteristics or important characteristics process control. Based on actual production practice of civil aircraft batch production， this paper takes bolt characteristic as an example， applying statistical process control method to control bolt parts manufacturing process， so as to analyze process capability， improve process ability gradually through effective improvement measure， and finally realize bolt machining quality stability promotion.

Keywords： bolts; key characteristics; statistical processes control; small batch

1 概述

航空產品對質量和安全有著特別嚴苛的要求，因此航空制造企業通常采用航空航天和國防組織質量管理體系要求AS9100來保證產品的質量，這是目前為止最嚴格的質量體系標準。AS9100系列標準明確要求，需對產品的關鍵特性進行監視和測量，可通過過程控制方法對產品的質量特性進行預測和持續改進，目的是驗證產品要求是否得到滿足。通過統計過程控制可以預防缺陷發生、分析過程是否處于受控狀態并且穩定，生產過程能力是否滿足要求。因此在航空制造中采用統計過程控制的方法是十分有必要的。

在公司現有零件制造中，螺栓零件作為關鍵/重要件的比例較大。因此本文將以螺栓零件為例，研究統計過程控制方法在零件制造過程中的應用，通過過程控制的方法優化加工工藝流程，逐步提高螺栓零件的加工質量，并保證質量的穩定性。

2 SPC概念

世界上沒有完全一模一樣的兩個事物，到處都存在差異，我們將這些差異稱作波動，波動不能被消除，但可以通過有效的手段來降低。統計過程控制（SPC），便是利用統計學的分析技術對生產過程實時監控，將生產中的波動，這種難以描述的狀態量化為可以判斷好壞的數值及圖表，從而把生產中的隨機波動和異常波動進行區分，實現異常波動的預警，提醒操作人員立即采取相應措施以防止不合格品的產生，最終達到產品質量提高、生產成本降低、過程能力提高的目的。

過程能力是指過程加工質量滿足技術標準的能力，用于衡量過程加工內在一致性。過程能力決定于質量因素：人、機、料、法、環，與公差無關。

過程能力指數反映過程的加工質量滿足產品規范要求的程度，即產品的控制范圍滿足客戶要求的程度。

3 關鍵特性

相對于工程名義尺寸的任何波動都會造成損失。其中有一些特性的波動所造成的損失比其他特性的大得多，我們把這些特性稱為關鍵特性。這些特性的波動對最終產品的性能、適配性、使用壽命和制造工藝性有很大的影響。把某一特性定義為關鍵特性的目的是將改進的努力作用于過程，從而使投入能獲得最大的收益。雖然焦點是關鍵特性，但改進的是影響關鍵特性波動的過程。

4 螺栓特性分析

某螺栓零件，具體尺寸見圖1。該螺栓工程定義中有兩個關鍵特性，分別為螺紋位置和螺紋尺寸。對于螺紋而言，螺紋中徑是決定螺紋強度的關鍵尺寸，螺距是決定裝配連接的關鍵，UNJ螺紋的特點是有較大半徑的牙底圓弧。

螺紋的加工主要有切削和滾壓兩種方法。切削加工一般指使用刀具或磨具加工螺紋，如車削螺紋、銑削螺紋、套螺紋、攻螺紋、磨削螺紋等。該零件的螺紋加工主要使用板牙套螺紋和車床車螺紋兩種加工方法。

板牙套螺紋是指用一定的轉矩，將板牙旋入棒料的外徑表面切削出螺紋。板牙的外形像帶有排屑孔的圓螺母，在通過排屑孔的兩端進行切削，而中間的定徑部分則起修光作用。隨著板牙的不斷磨損，會產生加工誤差，需要不斷調緊板牙上的螺釘進行間隙補償。手工套螺紋時按照板牙外徑規格選擇配套板牙架，始終保持圓桿與板牙端面的垂直，手工對板牙架施力轉動板牙。因此板牙的精度、工人的操作水平等都會對板牙套螺紋的加工帶來一定的影響。

車床車螺紋是指螺紋車削，使用成形車刀或普通車刀與零件做相對螺旋運動車削出螺紋。車床的加工精度、刀具好壞、加工參數的選擇等都對螺紋質量帶來一定影響。

對該螺栓零件來說，關鍵特性為螺紋的尺寸和螺紋的位置。螺紋位置尺寸指螺紋在螺栓上的位置，工程圖紙中反映出來就是螺栓光桿區的長度。螺紋位置尺寸通過普通車床加工來保證。

下文將分別針對螺紋位置和螺紋尺寸這兩個關鍵特性的數據進行統計分析，分析其加工穩定性與過程能力，并通過過程控制的方法對其加工工藝持續改進，實現加工質量的提高。

5 螺紋位置尺寸的過程控制

5.1 數據收集

螺紋位置的工程尺寸為46±0.13mm，即光桿的尺寸。該尺寸定量可測，因此測量該尺寸所得數據為計量型數據。表1為前10架份該尺寸的測量值。

5.2 數據分析

分析表1數據，發現樣本量較少，采用單值-移動極差控制圖作為分析用控制圖。使用MINITAB軟件繪制出表1數據的單值-移動極差控制圖，見圖2。

使用判異判穩準則，判斷該控制圖的狀態，判異判穩準則如下：

判穩準則：連續25點，無界外點;連續35點，界外點數d≤1;連續100點，界外點數d≤2。數據達到穩態。

判異準則：

（1）一點距離中心線大于三個標準差。

（2）連續9點落在中心線的同側。

（3）連續6點遞增或遞減。

（4）連續14點中相鄰點上下交替。

（5）連續3點中有2點距離中心線（同側）大于2個。

（6）連續5點中有4點落在中心線（同側）大于1個。

（7）連續15點距離中心線（任一側）1個標準差以內。

（8）連續8點距離中心線（任一側）大于1個標準差以內。

根據判異準則第一條：一點距離中心線大于三個標準差。可以發現數據中第十個點出現了異常。

查找該點對應零件架次號的制造大綱等相關制造文件以及現場調研該零件的生產情況，發現該零件加工時，原來加工該批零件的車床正處于維護狀態，因此使用了另一臺車床加工該零件，機床的更換可能導致該點加工值發生波動，因此可以認為該點屬于異常點。排除該異常點后，重新繪制出的控制圖見圖3。根據判異判穩準則，圖3數據已經達到了統計穩態。

5.3 過程能力分析與提高

在控制圖處于穩態的情況下，此時可分析該尺寸的加工過程能力。圖4為MINITAB軟件得出的過程能力報告。

由該報告可知過程能力指數（CPK）僅為0.88，遠小于顧客要求的1.33。雖然該零件為合格零件，且過程處于穩定狀態，但是該尺寸的加工能力尚低。若持續制造，對加工成本以及加工質量必會帶來不良影響，因此必須采取一定措施，提高加工螺紋位置尺寸的過程能力，滿足客戶要求。

為了進一步分析導致過程能力值不高的影響因素，必須對該零件尺寸加工過程進行全面系統的分析。魚刺圖是一種用于分析質量特性與影響質量特性的因素之間關系的圖。通過魚刺圖可對那些影響質量特性的因素進行全面系統的觀察分析，從而找到質量因素與質量特性之間的因果關系。

使用魚刺圖，從人、機、料、法、環、測六個方面羅列導致螺紋位置尺寸誤差產生的可能原因，并從中找出影響這一尺寸加工的主要原因，見圖5所示。

針對影響尺寸的主要原因，提出改善計劃。針對加工工藝提出以下改善措施：

（1）車床選擇：采用數控車床亦或是精度更高、加工穩定性更好的車床。

（2）保證絲桿精度，定期校準。

（3）優化車削速度等參數。

（4）優化車削路徑和進給量。

（5）合理使用冷卻液，做好冷卻、潤滑工作。

（6）使用控制圖對加工過程實時監控，以便及時發現異常波動，進行改正。

（7）對操作工進行強化培訓，提高操作工技術水平，減小人員加工誤差。

經過上述工藝優化，繼續加工該批零件，每加工一架份零件就及時將相關數據繪制控制圖，利用判異判穩準則判斷過程是否異常，實時監測零件加工過程，及時發現加工中存在的異常情況。重新對該10架份零件加工后的狀態繪制的控制圖如圖6。

圖6 控制用控制圖

根據判異判穩準則的分析，可知圖6中數據已經達到了統計穩態，并且從中可以發現數據波動變小。圖7為軟件得出的10架份數據的過程能力報告。此時過程能力指數已達到1.41，達到了顧客要求的標準。可見我們的優化措施收獲了令人滿意的效果，零件的加工能力得到了提高，加工穩定性也可以得到保證。

6 螺紋尺寸加工的過程控制

6.1 數據收集

該螺栓零件的螺紋型號為0.625-18UNJF-3A，現選取前20架份數據，每架份有四個零件，不合格品數見表2。

從表2數據可知，前8架份產品不合格率很高，后12架份暫未出現不合格零件。針對此現象，分析螺紋的加工工藝，發現前8架份的螺栓采用板牙套螺紋，后12架份采用車床車削螺紋。板牙套螺紋的精度很大程度上依賴于操作人員的技術水平，加工出的螺紋尺寸值波動比較大，所以很容易造成不合格，而車削螺紋對人的依賴性小，主要取決于車床與刀具等因素，螺紋加工精度容易保證。因此為了提高產品質量，將后續所有螺紋的加工采用車削加工。

后續分析螺紋尺寸的過程控制將只分析車床車螺紋的過程控制。

6.2 數據分析

螺紋特性是否合格有多種判據，如果有任何一個判據不滿足，就可以認為該零件不合格，若采用計量控制圖，因為要控制很多尺寸，需應用計量多元控制圖，不但數據收集處理非常復雜而且很多尺寸不能全面測量。采用計數控制圖進行數據處理雖然比較簡單，但是目前該零件數量較少，不適用于采用不合格數控制圖。

因此，我們將相同加工工藝的螺栓零件一起進行分析，增加樣本數量，統一進行控制。相同加工工藝指同一類型的質量指標;同一臺或同型號設備;同一類型的加工件;同一組操作人員;同一類型操作;同一加工環境。

對于本文所述情況，選擇生產車間同一種車床加工的該類型螺栓零件一起分析。一共分為20個樣本，每個樣本中有80個零件，零件總數為1600個，其中不合格品數量為7個，不合格率為0.004。由數據可見，該零件不合格品率非常低，絕大部分零件為合格品，偶有不合格品出現。若采用傳統的計數控制圖，需要的樣本量很大，且統計分析需要等到采樣過程結束方能計算，無法及時控制。每組樣本只提供樣本的不合格品率，大量的產品信息都被浪費，未有效利用。

因此選擇接近零不合格過程的質量控制方法，對零件進行過程控制：選取相鄰不合格品之間的連續合格品數量作為控制對象，來代替傳統的統計量不合格品數和不合格品率。表3為該類螺栓零件的數據。

使用該控制方法判斷數據是否異常，接近零不合格過程的判異準則如下：

（1）若相鄰不合格品之間的連續合格品數不大于n1，則判斷過程異常。

（2）若接連出現的兩個連續合格品數之和不大于n2，則判斷過程異常。

（3）若接連出現的三個連續合格品數之和不大于n3，則判斷過程異常。

接近零不合格過程的判穩準則如下：

（4）若接連出現的m1個不合格品的連續合格品數都不能判斷過程異常，則判斷過程處于穩態。

（5）若接連出現的m2個不合格品中，判斷過程異常的相鄰不合格品之間的連續合格品不多于1個，則判斷過程處于穩態。

（6）若接連出現的m3個不合格品中，判斷過程異常的相鄰不合格品之間的連續合格品不多于2個，則判斷過程處于穩態。

設判異準則顯著性水平為αA=1%，查找相關數據表，n1=2，n2=36，n3=107，m1=6，m2=15，m3=44。

由此可見，使用車床加工該螺紋，數據未出現異常，但是仍存在一定的不合格品，因此還需要對加工工藝進行改善提高。

6.3 過程能力提高

針對螺紋的三個重要尺寸，詳細分析其誤差產生的原因。

6.3.1 螺距

車床加工螺紋，螺距是通過車床螺紋加工裝置的刻度盤確定，因此螺距誤差主要由機床本身決定。影響因素主要有機床絲桿螺距的累積誤差;絲桿、主軸和零件的軸向跳動;機床傳動系統中齒輪的齒距累積誤差和裝配偏心;零件和母絲桿間的溫差;機床溜板移動導致的零件軸心線在水平面和垂直平面內不平行。

6.3.2 螺紋中徑

螺紋中徑誤差產生的主要原因是：機床溜板移動導致的零件軸線在水平面內不平行，造成螺紋中徑產生錐度;頂尖固定時，零件中心孔圓度超差;機床回轉精度;零件基準外圓圓度超差。另外，由于加工過程中螺紋中徑無法直接測量，常通過千分尺測量螺紋外徑和內徑來控制。因此測量誤差也是造成螺紋中徑誤差的一個重要原因。

6.3.3 牙底圓弧

牙底圓弧由車刀的刀尖圓角控制，刀尖圓角的誤差會直接影響牙底圓弧尺寸。因此刀尖圓角的精確修磨是牙底圓弧尺寸控制的關鍵。

針對以上導致螺紋質量不合格的因素，提出相關改善措施：

（1）保證絲桿、主軸、齒輪等傳動系統精度，定期校準。

（2）定期校準機床主軸軸心線來保證溜板移動水平方向的平行度。

（3）車床安裝誤差校正裝置和調節絲桿軸向間隙的裝置。

（4）采用死頂尖以減少軸跳動。

（5）在加工前，機床空運轉足夠時間。

（6）選擇合理切削參數。

（7）提高刀具刀刃質量，定期進行檢查、更換刀具。

（8）充分、合理使用冷卻液。

（9）調整尾座頂尖位置，來保證溜板移動水平方向的平行度。

（10）及時修正零件中心孔。

上述工藝優化的目的是為了提高零件加工過程的質量控制水平，將現場的過程質量控制與預期的質量目標建立一個橋梁，將螺紋質量分析用控制表繼續延伸，轉換成控制用控制表，實時監測零件生產情況，及時反饋，不斷優化提高產品質量。

7 結束語

航空制造業的零件，存在多品種小批量的特點，尤其是在民機項目批產初期，這個特點尤為顯著。因此在這個階段可以使用單值-移動極差控制圖控制、相似工序零件在同一控制圖中控制、接近零不合格過程的質量控制方法這三種零件制造的過程控制方法。

將零件測量數據利用數理統計的方法通過合適的控制圖將其質量波動情況展現出來，轉化為實際有用的SPC反饋預警系統，從控制圖中及時發現零件制造過程中的問題，可對質量波動趨勢進行準確預測。從而有針對性地完善其加工工藝，改善零件制造過程中的各個影響因素，形成系統化的飛機零部件質量控制方法，從而保證飛機零件的質量穩定性，避免不必要的報廢。本論文以螺栓零件為例，對航空制造業零件制造過程的統計過程控制方法的應用進行了研究，為目前國內的航空企業應用統計過程控制方法提供了借鑒。

參考文獻：

[1]聶微.工廠質量管理五大手冊應用指南——最新版APQP/CP/PP

AP/FMEA/SPC/MSA[M].北京：中國標準出版社，2010.

[2]于振凡.生產過程質量控制[M].北京：中國標準出版社，2013.

[3]張公緒.質量工程師手冊[M].北京：企業管理出版社，2002.

[4]彭云峰.車削加工工藝及應用[M].北京：國防工業出版社，2010.