基于QC方法的生瓷帶沖孔機沖針壽命提升研究

張志耀，白 璐，馬海亮

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024）

引言

1 設備結構及問題描述

沖孔機主要由運動平臺和沖孔單元組成，平臺帶動生瓷片快速、精確運動定位，沖孔單元完成沖孔。沖孔單元是沖孔動作的執行者，其機構如圖1所示，主要由單元架、驅動氣缸、導向機構、沖頭及凹模等組成。沖頭在驅動氣缸及導向機構的作用下與凹模相配合，完成生瓷片上微孔的沖切加工[1]。

圖1 沖孔單元結構圖

對于常見的生瓷片，一般采用直徑差為20μm的沖針與凹模（即：凹模孔比沖頭直徑大20μm），所加工孔質量良好，沖針壽命能達到150萬次以上，滿足用戶使用要求。

然而，隨著材料技術的發展，各種不同物理特性的生瓷片不斷涌現，近期某客戶提供了一種高彈性、高韌性的生瓷片，加工時孔邊緣有大量毛刺，不能滿足產品要求。后通過各種試驗并參考客戶生產線上同類進口設備，發現采用直徑差為10μm的沖針與凹模加工，微孔質量良好，但只加工十余萬孔后，微孔質量明顯變差，對比進口設備沖頭壽命差距明顯，設備還是不能正常進行生產，因此該高彈性、高韌性生瓷片的加工問題成為打孔機亟待解決的問題。

為解決上述問題，成立QC小組，運用QC理論方法，通過現狀調查、目標確定、原因分析、對策實施、效果驗證等過程開展活動。

2 現狀調查、目標確定及檢測方法

統計各次沖孔試驗數據，沖針壽命都在10萬次左右，與加工常規生瓷片時的150萬次壽命相比，相差甚遠（對比數據如圖2所示）。

圖2 沖針壽命現狀

顯微鏡下仔細觀察每次沖針失效后的狀態，發現每支沖針都是一側磨損的非常厲害，而另一側完好無損，且磨損的方向基本固定，均朝向設備后側。判斷認為：沖針壽命短的原因主要是在某些因素的作用下，導致沖孔時沖針與凹模不同軸，發生“啃咬”，使沖針很快失效。如能解決“啃咬”問題，沖針壽命必將大幅提高，因此，本次QC活動的首要目標任務確定為解決沖頭凹模“啃咬”問題。

為了直觀判斷“啃咬”發生，對沖孔單元做了改進，將凹模座改為陶瓷材質，沖針和凹模只要不直接接觸，兩者之間就不導電。沖針與凹模分別引出一根導線接入PLC，用PLC的高速計數器來捕捉沖針與凹模是否有過接觸，接觸一次計數器數值加1，這樣就能將“啃咬”問題，轉化為直觀的計數器數值，便于判斷改進效果。

近、現代以來，自然科學與人文科學的迅猛發展，極大地突破了人們認識和思維的局限性。尤其是現代地質學、巖石學、礦物學、晶體學等新興學科的誕生，使觀賞石不論從客觀的本體論，還是從主觀的認識論都有突飛猛進的發展。人們在趨利性、功利性的經濟人的追逐中，也開始有了人性化的返璞歸真與反思。

3 原因分析

確定目標任務、檢測方法后，從人、機、料、法、環五個環節，采用“頭腦風暴”方式，針對“啃咬”問題進行分析，最后制作“啃咬”問題原因“魚骨”圖，如圖3所示，為制定改進措施提供方向[2-3]。

圖3 沖針凹模“啃咬”原因魚骨圖

結合圖3，對各可能因素逐項詳細分析、驗證。限于篇幅，本文只列出主要影響因素的驗證過程。確定引起“啃咬”問題的主要因素為以下三種：沖孔氣缸及運動平臺振動、沖孔單元熱變形、生瓷片氣泡孔。

3.1 氣缸及平臺振動

設備安裝自制的沖針、凹模接觸檢測系統后，開始沖孔，發現PLC計數器數值頻繁增加。觀察工作過程，沖孔時設備整體振動較大，振動源一個是運動平臺的高速定運動，頻繁啟動停止，另一個是沖孔氣缸的高頻動作。為了驗證兩個因素進行如下試驗。

試驗一：設備不夾持生瓷片，平臺不運動，排除平臺及生瓷片的影響。理論上沖針與凹模之間有10 μm的間隙，沖孔時兩者不應發生接觸，且手動使沖針上下動作，沖針確實不會接觸凹模。但氣缸驅動沖針重復進行沖孔動作時，觀察PLC計數器，數值頻繁增加，由此可證明，氣缸運動是引起“啃咬”的因素之一。

試驗二：設備不夾持生瓷片，使沖針插入凹模，驅動氣缸不動作，排除驅動氣缸及生瓷片的影響。運動平臺按照正常沖孔時運動，發現PLC計數器數值不斷增加。可證明平臺的運動，引起了沖針與凹模的相對位置發生變化，使兩者接觸，也是引起“啃咬”的因素之一

3.2 沖孔單元熱變形

消除振動因素后設備工作，沖孔單元驅動氣缸高頻動作，約每分鐘600次，幾分鐘內PLC數值沒有增加，工作正常，但隨著沖孔的繼續，氣缸缸體與活塞高頻摩擦會產生大量熱量，使氣缸溫度升高，在23℃室溫的凈化廠房中，測得氣缸溫度最高可達到41℃。氣缸固定在單元架上，兩者中間設置有玻璃纖維隔熱板，可在一定程度上降低氣缸與單元架之間的熱傳導，但沖孔約8 000次后，單元架溫度上升2～3℃。此時PLC計數器數值不斷增加，停止沖孔，在顯微鏡下觀察沖頭與凹模已明顯錯位，此時沖孔必將發生“啃咬”現象。為了確認溫度引起的熱變形原因，用壓縮空氣給單元降溫，幾分鐘后再次觀察，發現沖針已復位，沖針、凹模之間同軸度良好。據上述驗證過程，可確認沖孔單元熱變形是“啃咬”問題的主要原因之一。

3.3 生瓷片氣泡孔

生瓷片作為客戶提供的被加工物料，在著手解決沖針壽命問題之初，并未予以高度重視，直到一次試驗中，新裝的沖針、凹模只沖了幾千次，孔質量已明顯不合格，沖針已損壞。在顯微鏡下仔細觀察生瓷片各孔狀態，發現生瓷片上有一凹坑（如圖4所示，該凹坑由瓷片流延時漿料中氣泡產生），凹坑周圍有明顯的沖針金屬碎屑。分析認為：此次沖針損壞主要原因是沖頭沖到凹坑邊緣，使沖針受到徑向力而偏移，沖針直接沖到凹模上，發生金屬間的碰撞，導致沖針受損，由此可認為，生瓷片上的氣泡孔是導致沖針突然受損的主要原因之一。

圖4 生瓷片氣泡孔

4 對策實施及效果驗證

4.1 對策實施

4.1.1 氣缸及平臺振動的解決

氣缸的振動主要是運動活塞對限位墊的沖擊引起，試驗過程中，一方面減小活塞部分的重量，同時對通入氣缸的壓縮空氣進行適當節流，減小活塞的運動動量；另一方面，更換活塞限位墊材料，降低硬度，增強緩存效果，使活塞接觸限位墊的過程中，沖擊力減小。通過上述改進后，進行試驗一時，未檢測到沖針與凹模的接觸信號。

降低平臺振動方面，主要從調整平臺運動控制參數著手，通過大量試驗，優化運動參數，有效降低振動，且對運動平臺定位速度影響不大。進行試驗二時，未檢測到沖針與凹模的接觸信號。

通過上述措施，有效解決了氣缸及運動平臺引起的振動問題，雖對設備加工效率有一定影響（沖孔效率從“618孔/min”降低至“607孔/min”），尚在可接受范圍。

4.1.2 沖孔單元熱變形問題解決

針對沖孔單元發熱問題，首先對單元結構進行了熱仿真分析，了解了單元各部位的熱場分布，如圖5所示。然后，從降低熱源溫度、加強隔熱降低熱傳導、降低溫度敏感性等方面采取多項措施反復試驗，最終采取了更換單元架材料的方法，有效解決了沖孔單元熱變形問題。

圖5 沖孔單元溫度分布圖

沖孔試驗時幾乎觀測不到其變形，連續進行5萬孔試驗，未檢測到沖針與凹模的接觸信號。

4.1.3 生瓷片氣泡孔問題的解決

生瓷片氣泡孔問題，屬于生瓷片質量問題，發現該問題后，與客戶溝通，更換合格的生瓷片后，解決該問題。

4.2 效果驗證

各項對策實施后，為了驗證改進效果，進行了5根沖針的沖孔壽命驗證。

在沖孔驗證過程中，基本檢測不到沖針與凹模的接觸信號，統計各沖針沖孔次數（如圖6所示），均超過了目標值，實現了本次QC活動目標。

圖6 改進后沖針壽命

5 結語

運用QC理論方法，通過詳細調查目前沖針壽命情況，把解決沖針與凹模的“啃咬”問題作為本次活動的主要方向，確定產生“啃咬”問題的主要因素，并采取相應措施，使沖針壽命顯著提升，實現預期目標。

此次QC活動的開展，也使小組各成員對QC理論方法有了更深刻的理解，解決問題的能力有了很大提升，獲益良多。