一種自粘鐵心生產工藝的改進

朱斌 周燕紅 宋建強 俞偉峰

（南通通達矽鋼沖壓科技有限公司）

0 引言

在電機鐵心生產領域，用帶有自粘涂層的電工鋼制成的自粘鐵心具有固定牢靠，電機效率高，振動小，噪音低等許多優點，原多用于磁懸浮列車長定子鐵心，高能離子加速器鐵心和變壓器鐵心等，現正向新能源汽車電機、風力發電機等高效電機領域發展。國內外開發、生產這種新涂層電工鋼的廠家有德國蒂森、美國阿拉甘尼、日本川崎制鐵、中國的寶武和太鋼等，鋼帶及涂層材料不同，電機鐵心生產工藝區別很大。某公司在某一客戶的大型電機自粘鐵心生產過程中，曾因為材料變更，一度面臨產品合格率的大幅下降，生產成本的大幅上升，最終通過六西格瑪立項，成功解決了這一難題。

1 界定

質量要求：鐵心開縫＜0.05mm，壓斷力≥26t等；原生產工藝：疊壓壓力36t，加熱溫度170℃，保持時間略；問題現象：產品缺陷開縫、壓斷力不夠，一次交檢合格率76.2%，經返修后報廢率15.4%。

鐵心生產的主要過程如圖1所示。

圖1 自粘鐵心生產流程圖

Y及缺陷定義如圖2所示。

圖2 Y及缺陷定義

2 測量

分析認為缺陷1有可能導致缺陷2的發生，兩者有一定聯系，所以，合在一起，針對鐵心不合格繪制了魚骨圖，如圖3所示。

圖3 魚骨圖

對魚骨圖選出的輸入因子進行打分，繪制矩陣圖，初步篩選關鍵因子，如表1所示。

表1 因果矩陣表

通過如圖4所示的C&E矩陣的Pareto圖，找出了影響80%的重要因子，采用FMEA對上述因子進行細化分析，如表2所示。

圖4 C&E矩陣的Pareto圖

表2 第一次FMEA分析表

通過FMEA對上述因子進行細化以及Pareto圖分析（見圖5），找出了其中占80%份額的重要因子，通過技術、工藝、質量和生產車間的討論研究后，認為這些因子中的油污、變形等是可以控制和改善的，通過對鐵心生產流程優化進行快速改善，予以消除。消除后因子轉化如表3所示，消除這幾個可控因子后，產品的一次合格率提升至88.5%。

表3 快速改善后的因子轉化表

圖5 第一次FMEA分析的Pareto圖

針對快速改善后的剩余因子進行了第二次FMEA分析，如表4所示。

表4 快速改善后的第二次FMEA表

通過第二次FMEA分析的Pareto圖（見圖6），找到了影響80%的關鍵因子有材料同板差、加熱溫度、疊壓壓力， 將此3個關鍵因子確定為A階段分析驗證的項目輸入。

圖6 第二次FMEA的Pareto圖

3 分析

原工藝文件要求：疊壓壓力（鎖緊力）36t，加熱溫度170℃，對同板差沒有要求，經討論，設計了以下試驗方案，結果如表5所示。

表5 壓斷力開縫全因子試驗結果表

3.1 針對壓斷力的全因子分析結果

針對壓斷力的全因子分析結果如圖7和圖8所示。

圖7 壓斷力的估計效應和系數

圖8 壓斷力的方差分析

從顯著性來看，A因子疊壓壓力、B加熱溫度、C同板差、AB（疊壓壓力×加熱溫度）對應的p值都小于顯著性水平0.05，因此可以判斷這四項效應是顯著的，而其余各項皆不顯著。

從因子正態效應圖（見圖9）和因子效應的帕累托圖（見圖10）同樣得出： A因子疊壓壓力、B加熱溫度、C同板差、AB（疊壓壓力×加熱溫度）四項效應是顯著的，而其余各項皆不顯著。

圖9 標準化效應的正態圖

圖10 標準化效應的Pareto圖

殘差診斷：殘差對于以觀察值順序的散點圖、殘差對于響應變量壓斷力的散點圖分布正常。殘差基本服從正態分布。試驗有效，如圖11所示。

圖11 壓斷力殘差診斷圖

由壓斷力主效應圖（見圖12）和交互作用圖（見圖13）可以看出：

圖12 壓斷力主效應圖

圖13 壓斷力交互作用圖

1）在加熱溫度165 ～175 ℃，疊壓壓力36～40t范圍內，加熱溫度、疊壓壓力對于響應變量壓斷力的影響非常顯著；且疊壓壓力取40t、加熱溫度取165 ℃時，壓斷力較大。

2）在同板差0.003～0.013范圍內，同板差對于響應變量開縫的影響顯著，同板差越小，壓斷力越大。

3）加熱溫度、疊壓壓力的交互作用對于響應變量壓斷力的影響顯著，其余不顯著。

由壓斷力的等值線圖（見圖14）可以看出：當溫度取165～165.5 ℃，壓力取38.5～40t，同板差＜0.005時，壓斷力最大（大于40t，遠大于26t的客戶要求）。

圖14 壓斷力的等值線圖

3.2 開縫的全因子分析

針對開縫的全因子分析如圖15和圖16所示。

圖15 開縫的估計效應和系數

圖16 開縫的方差分析

從顯著性來看，C因子同板差對應的p值小于顯著性水平0.05，因此可以判斷其效應是顯著的，而其余各項皆不顯著。

從因子正態效應圖（見圖17）和因子效應的帕累托圖（見圖18）同樣得出： C因子同板差效應是顯著的，而其余各項皆不顯著。

圖17 標準化效應正態圖

圖18 標準化效應的Pareto圖

殘差診斷：殘差對于以觀察值順序的散點圖、殘差對于響應變量壓斷力的散點圖分布正常。殘差基本服從正態分布。試驗有效，如圖19所示。

圖19 開縫殘差圖

由開縫主效應圖（見圖20）和交互作用圖（見圖21）可以看出：

圖20 開縫主效應圖

圖21 開縫交互作用圖

1）同板差對于響應變量開縫的影響非常顯著，同板差越小，開縫越小；

2）在加熱溫度165～175 ℃，疊壓壓力36～40t范圍內，加熱溫度、疊壓壓力對于響應變量開縫的影響不顯著；

3）因子同板差、加熱溫度、疊壓壓力的交互作用對于響應變量開縫的影響不顯著。

由開縫等值線圖可以看出（見圖22）：

圖22 開縫的等值線圖

1）在加熱溫度165～175 ℃，疊壓壓力36～40t范圍內，開縫和加熱溫度、疊壓壓力基本無關；

2）在上述加熱溫度和疊壓壓力范圍內，同板差＜0.006時，開縫＜0.05，符合客戶要求。

由開縫與加熱溫度、疊壓壓力的曲面圖可以看出（見圖23）：

圖23 開縫加熱溫度、疊壓壓力的曲面圖

1）在加熱溫度165～175 ℃，疊壓壓力36～40t范圍內， 加熱溫度、疊壓壓力對響應變量開縫的影響范圍很小；

2）在上述加熱溫度和疊壓壓力范圍內，加熱溫度取165 ℃ 、疊壓壓力取40t時，開縫最小。

3.3 同板差因子分析

開料方式及排樣圖如圖24和圖25所示。

圖24 開料方式

圖25 排樣圖

產品混料方式及開料位置（見圖26）：開縫位置多位于鐵心頭尾兩端處，即A卷和C卷沖片處。

圖26 產品混料方式及開縫位置

其他混料方式及結果如表6所示。

表6 其他混料方式及結果

綜上分析，鐵心開縫主要由于A或C卷沖片導致。某材料分卷后同板差測量如表7所示。

表7 某材料分卷后同板差測量數據

A、C卷同板差分別平均為0.0094、0.0078，并且在原材料邊緣30mm范圍內，材料變薄最明顯，B卷同板差平均為0.0048。通過A、B、C卷沖片同板差的測量及Xbar-R圖分析，B卷沖片的各點厚度相對穩定一致（同板差相對較小）。這也加強證明了之前全因子分析中材料同板差對開縫的影響。

分析階段小結：通過A階段的驗證與分析，基本確定了加熱溫度、疊壓壓力、同板差是壓斷力的關鍵因子；同板差是鐵心開縫的關鍵因子，即鐵心開縫關鍵影響因素是同板差，同板差越小開縫越小。

4 改進

通過A階段的驗證與因子分析，確定了影響鐵心合格率的關鍵因子為加熱溫度、疊壓壓力、材料同板差。根據鋼卷基本常識，同板差不可完全消除。因此可以通過改變疊壓鐵心時沖片配比的方法，或者減小沖片同板差的方法，來降低鐵心開縫情況的風險。

1）通過前述試驗，選溫度165℃，壓力40t。

2）同板差減小——開料工藝改變（見圖27）。

圖27 原材料開料方式優化

3）減小同板差影響并簡化疊壓工藝——混料工藝改變。原混料方式：Aa+Ab+Ba+Bb+Ca+Cb 每段各占六分之一；改進后混料方式：QAa+QAb+QAa+QAb+QAa+QAb 每段各占六分之一；Or： QBa+QBb+QBa+QBb+QBa+QBb 每段各占六分之一。

說明：原混料方案也能在一定程度上消除同板差影響，但需要6種沖片混料，改進后只要2種沖片混料，工藝更簡單，便于更好地進行現場控制。

4）改進后的效果：一次合格率提升至98%，經返修后報廢率降到0%。

5 控制

1）進行了工藝文件的優化、下發和培訓落實。

2）改進半年后的收益：①硬性收益。一次合格率由76.2%提高至98%，報廢率由15.4%降至0%，改善后生產5套產品，實際節約成本 =(15.4%-0%)×（144×5）×（12000-0.3×2500）+ (98%-76.2%)×（144×5）×200=249.48+6.2784≈128萬元。②軟性收益。鐵心的一次合格率由76.2%提升至98% ，報廢率由15.4%降至0%，減少在整理工序時的修補，提升了效益，同時鐵心質量的提升，對公司的產品聲譽和品牌力等都會帶來巨大的無形收益。

6 結束語

沖片的同板差一直是影響鐵心形位尺寸的一個關鍵因素，在自粘鐵心的生產制造過程中依然如此，并且和自粘鐵心的疊壓壓力、加熱溫度、保持時間等一起，決定了鐵心粘結固化的效果，包括開縫和壓斷力大小。通過選裁材料減小同板差或者混料減小同板差的影響，可以有效提升自粘鐵心的一次交檢合格率。