六西格瑪管理在O形橡膠密封圈內(nèi)徑控制中的應(yīng)用

趙 晴

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211100）

O形橡膠密封圈（簡稱O形密封圈）作為常見的橡膠密封件，結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、拆裝方便，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)[1-4]，其中O形特種橡膠（氟橡膠、硅橡膠和氟硅橡膠等）密封圈由于其出色的耐高溫、耐低溫和耐油等性能得到了越來越多的應(yīng)用[5-8]。但由于膠料收縮率較大和波動(dòng)范圍較寬，O形密封圈生產(chǎn)中常常出現(xiàn)尺寸超差[9]，因此尋找O形密封圈的膠料收縮規(guī)律并掌握其尺寸控制的方法，具有重要意義。

六西格瑪管理是一種質(zhì)量流程管理與統(tǒng)計(jì)技術(shù)相結(jié)合的方法，遵循一套完善的改進(jìn)流程[10]，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)工具分析數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成改進(jìn)決策。六西格瑪管理分為定義、測量、分析、改善和控制（DMAIC）5個(gè)階段，每個(gè)階段都有相應(yīng)的管理工具和方法。六西格瑪管理比傳統(tǒng)的質(zhì)量管理更敏捷、更具前瞻性[11]，在航空工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[12]。

本工作以某規(guī)格O形氟硅橡膠密封圈為例，采用六西格瑪管理方法，分析影響O形密封圈內(nèi)徑的因素，對其進(jìn)行改進(jìn)流程控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 六西格瑪概述

六西格瑪在統(tǒng)計(jì)學(xué)上表示一個(gè)流程或產(chǎn)品在100萬次使用機(jī)會(huì)中只出現(xiàn)3.4個(gè)缺陷，六西格瑪管理的目標(biāo)是消除變量、優(yōu)化流程、提高質(zhì)量，滿足客戶需求[13]。

依靠統(tǒng)計(jì)學(xué)解決問題是六西格瑪管理的特點(diǎn)，其運(yùn)用因果圖、流程圖、時(shí)間序列圖、矩陣圖和回歸分析等工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。而Minitab軟件作為一個(gè)全面的統(tǒng)計(jì)分析工具，提供了普通統(tǒng)計(jì)學(xué)涉及的大多數(shù)功能，并包含了大量的質(zhì)量工具，可以繪制多種統(tǒng)計(jì)圖形，直接顯示數(shù)據(jù)分析的過程與結(jié)果，充分滿足六西格瑪管理各個(gè)階段的數(shù)據(jù)測量、收集、分析和改進(jìn)的需求，是實(shí)施全面六西格瑪管理的重要工具[14]。

2 O形密封圈內(nèi)徑改進(jìn)與控制

2.1 定義階段

O形密封圈的主要尺寸有內(nèi)徑和截面直徑（見圖1），但經(jīng)統(tǒng)計(jì)O形密封圈內(nèi)徑超差頻率遠(yuǎn)大于截面直徑，同一批次O形密封圈的內(nèi)徑差別較大是影響產(chǎn)品合格率的重要原因。本工作以內(nèi)徑（75±0.4） mm的O形密封圈為例進(jìn)行分析。

圖1 O形密封圈示意Fig.1 Diagram of O-ring

2.2 測量階段

目前O形密封圈內(nèi)徑的檢測方法是將密封圈套在有尺寸刻度的圓錐上，利用重力自然下落，讀取最終所在水平線的刻度值。由于測量儀器經(jīng)過校準(zhǔn)，因此測量誤差主要來自于檢驗(yàn)員的操作和讀數(shù)。為驗(yàn)證該測量系統(tǒng)的可靠性，需進(jìn)行抽樣調(diào)查，方法如下：隨機(jī)選出10個(gè)O形密封圈，由2名檢驗(yàn)員分別測量內(nèi)徑并重復(fù)操作1次，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 O形密封圈內(nèi)徑測量數(shù)據(jù)Tab.1 Measurement data of O-ring inner diameters mm

利用Minitab軟件對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行精確度分析，結(jié)果表明合計(jì)量具重復(fù)性和再現(xiàn)性（R&R）為11.75%（＜30%），表示測試的重復(fù)性與再現(xiàn)性水平較高，測量系統(tǒng)可接受；可區(qū)分的類別數(shù)為37（＞4），表明測量系統(tǒng)分辨不合格能力較好，能夠用于參數(shù)分析，測量系統(tǒng)合格。

2.3 分析階段

該階段通過數(shù)據(jù)分析確定影響輸出的關(guān)鍵影響因子，是六西格瑪管理DMAIC流程中的中樞階段。

首先通過因果圖尋找O形密封圈內(nèi)徑控制影響因子，從操作者、設(shè)備、材料、環(huán)境、測量系統(tǒng)和工藝方法6個(gè)方面分析，排除設(shè)定因素，初步確定模具尺寸、膠料收縮率、膠料返煉時(shí)間、膠料停放時(shí)間、用料質(zhì)量、硫化壓力8個(gè)影響因子，見圖2。

圖2 因果圖Fig.2 Diagram of causes and effect

由于膠料的線膨脹因數(shù)較鋼材大約20倍，因此經(jīng)模壓硫化、啟模、冷卻至室溫后，橡膠制品會(huì)產(chǎn)生較大收縮，目前常用的模壓橡膠制品膠料收縮率（C）計(jì)算公式如下：

式中，L1是室溫時(shí)橡膠制品尺寸，L2是室溫時(shí)模具型腔尺寸[15]。

在O形密封圈的實(shí)際生產(chǎn)中，硫化溫度和硫化時(shí)間是根據(jù)膠料性質(zhì)和產(chǎn)品尺寸共同確定的，無法更改，因此再排除其作為影響因子；模具尺寸是按膠料收縮率3.2%制作的，已經(jīng)固定，也排除其作為影響因子。最終選定O形密封圈內(nèi)徑的影響因子為膠料收縮率、膠料返煉時(shí)間、膠料停放時(shí)間、用料質(zhì)量和硫化壓力。

為了判定各影響因子對O形密封圈內(nèi)徑的影響，需用統(tǒng)計(jì)學(xué)中假設(shè)檢驗(yàn)的P值法。P值表征某一事件發(fā)生的概率，P值小于0.05表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異，即對立假設(shè)成立。同時(shí)，用回歸分析方法評定各影響因子對結(jié)果的貢獻(xiàn)率（R2），R2越接近100%，表示選定的影響因子對結(jié)果波動(dòng)的貢獻(xiàn)率越大。當(dāng)P值小于0.05且R2值較大時(shí)，表明找到了關(guān)鍵的影響因子。

隨O形密封圈生產(chǎn)收集的數(shù)據(jù)如表2所示。其中，由于膠料外購，因此膠料的收縮率無法控制，此處按經(jīng)驗(yàn)設(shè)定膠料收縮率。使用Minitab軟件作回歸分析，檢驗(yàn)其回歸模型是否成立（P值是否小于0.05），并評定各影響因子對O形密封圈內(nèi)徑影響的R2。O形密封圈內(nèi)徑與膠料收縮率、用料質(zhì)量及硫化壓力的回歸分析結(jié)果如圖3所示。

表2 O形密封圈生產(chǎn)數(shù)據(jù)Tab.2 Producting data of O-rings

圖3 O形密封圈內(nèi)徑與3個(gè)影響因子的回歸分析Fig.3 Regression analysis of inner diameter of O-ring and three influence factors

據(jù)計(jì)算，膠料收縮率、用料質(zhì)量和硫化壓力3個(gè)回歸模型的P值分別為0.003，0.003和0.005，均不大于0.05，說明3個(gè)影響因子對O形密封圈內(nèi)徑統(tǒng)計(jì)相關(guān)，其R2分別為21.5%，21.9%和20.0%，三者之和為63.4%，說明這3個(gè)影響因子為影響O形密封圈內(nèi)徑的關(guān)鍵影響因子。

2.4 改善與控制階段

該階段要確定關(guān)鍵影響因子及其之間的交互影響，以利于O形密封圈內(nèi)徑達(dá)到最優(yōu)值，完成流程改善，使O形密封圈質(zhì)量的缺陷或變異減至最小。

本階段對O形密封圈內(nèi)徑的影響因子進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)并分析，采用“一次一個(gè)+保留勝者”的方法進(jìn)行試驗(yàn)，對第1個(gè)影響因子設(shè)置不同的數(shù)值，其他影響因子不變，試驗(yàn)確定令O形密封圈內(nèi)徑達(dá)到最優(yōu)的數(shù)值，并固定下來，之后繼續(xù)對第2個(gè)影響因子進(jìn)行數(shù)值設(shè)置和試驗(yàn)，從而得到最佳組合。試驗(yàn)結(jié)果表明，O形密封圈內(nèi)徑影響因子的最優(yōu)組合為：膠料收縮率為3.2%，膠料返煉時(shí)間為8 min，膠料停放時(shí)間為20 min，用料質(zhì)量為2.6 g，硫化壓力為12 MPa。

使用Minitab軟件做O形密封圈內(nèi)徑與膠料收縮率、膠料返煉時(shí)間、膠料停放時(shí)間、用料質(zhì)量及硫化壓力的矩陣圖，評定多個(gè)因子間的相關(guān)性并得出以下結(jié)論：O形密封圈內(nèi)徑與膠料收縮率呈負(fù)相關(guān)，與用料質(zhì)量和硫化壓力呈正相關(guān)，與膠料返煉時(shí)間和停放時(shí)間關(guān)系不明顯。

根據(jù)影響因子最優(yōu)組合和關(guān)鍵影響因子對O形密封圈內(nèi)徑的影響方式，可采用相應(yīng)的方法進(jìn)行O形密封圈內(nèi)徑流程控制。其中，膠料收縮率無法改變，但可通過首檢提前確定，然后調(diào)整工藝參數(shù)（用料質(zhì)量和硫化壓力的增大都會(huì)導(dǎo)致密封圈內(nèi)徑增大）。調(diào)整結(jié)果落實(shí)到相應(yīng)的工藝文件中，由操作人員參照執(zhí)行，從而提高O形密封圈內(nèi)徑的合格率。

按照流程控制計(jì)劃執(zhí)行后，隨機(jī)抽取生產(chǎn)中的25個(gè)樣件進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表3。改進(jìn)后O形密封圈內(nèi)徑保持在（75±0.2） mm的范圍內(nèi)，達(dá)到了可控制的穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 流程控制后O形密封圈內(nèi)徑的測量結(jié)果Tab.3 Measurement results of inner diameter of O-rings after process control mm

3 結(jié)論

六西格瑪管理作為一種系統(tǒng)科學(xué)的管理方法，適用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)，在航空工業(yè)得到了大力推廣。本工作在O形密封圈內(nèi)徑控制中開展六西格瑪管理，使用六西格瑪管理DMAIC流程分析O形密封圈內(nèi)徑的影響因子，得出影響因子最優(yōu)組合，確定關(guān)鍵影響因子為膠料收縮率、用料質(zhì)量和硫化壓力，其中膠料收縮率與O形密封圈內(nèi)徑呈負(fù)相關(guān)，用料質(zhì)量和硫化壓力與O形密封圈內(nèi)徑呈正相關(guān)，通過流程控制使O形密封圈內(nèi)徑的合格率得到了提升。