SPC 統(tǒng)計過程控制在鋼鐵企業(yè)研發(fā)過程中的應(yīng)用

李 娜， 王廣忠， 李 紅， 魏升輝， 劉金濤

（河鋼集團唐鋼公司技術(shù)中心， 河北 唐山 063000）

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟進入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)升級階段，對鋼鐵制品的質(zhì)量要求不斷提高。因此，需要建立一套有效的質(zhì)量管理措施，提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高用戶滿意度，不斷提高企業(yè)的綜合競爭實力。

近年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對零部件產(chǎn)生了海量需求。而汽車用板材須經(jīng)一系列復(fù)雜加工流程，才能制作成各類零部件。因此，對板材質(zhì)量的穩(wěn)定性提出了更高要求。如某主機廠對配件供應(yīng)商的零件廢品率要求不超過百萬分之三，相應(yīng)的配件供應(yīng)商或車企生產(chǎn)基地對鋼鐵企業(yè)所提供的卷板成型全過程報廢率，普通件不高于1‰，高強深沖件則不高于3‰～4‰。僅依靠傳統(tǒng)抽檢方式，不能反映出卷板各項力學(xué)的穩(wěn)定性。

隨著IATF 16949 汽車行業(yè)質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)在鋼鐵企業(yè)落地，利用體系五大質(zhì)量管理工具（SPC、MSA、PPAP、APQP 和FMEA），實現(xiàn)了在研發(fā)生產(chǎn)過程中對缺陷進行防范、控制，減少產(chǎn)品的質(zhì)量波動。同時，建設(shè)了新產(chǎn)品研發(fā)信息化平臺，不僅實現(xiàn)研發(fā)項目流程的信息化、高效化，而且在平臺內(nèi)整合SPC、APQP 和FMEA5 等工具，使質(zhì)量管理的工具應(yīng)用更為便捷。SPC 與信息平臺結(jié)合后，實現(xiàn)記錄、統(tǒng)計與大數(shù)據(jù)、流程深度融合，在上道工序輸出的真實數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，開展下階段工作，能精確而科學(xué)地檢驗和判斷制造水平是否滿足要求，并量化對質(zhì)量穩(wěn)定性的評價，最終生產(chǎn)出滿足客戶要求的性能穩(wěn)定的高質(zhì)量產(chǎn)品。

1 統(tǒng)計過程控制簡介

統(tǒng)計過程控制SPC 貫穿于產(chǎn)品開發(fā)的全過程，是一種借助數(shù)理統(tǒng)計方法的過程控制工具，能夠?qū)ιa(chǎn)過程進行分析評價，根據(jù)反饋信息及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性因素出現(xiàn)的征兆，并采取措施消除其影響，使過程維持在僅受隨機性因素影響的受控狀態(tài)，以達到控制質(zhì)量的目的[1]。SPC 工具首先對過程進行分析，消除系統(tǒng)性因素或減少隨機波動帶來的影響，確保過程能力的實現(xiàn),然后，用于對過程進行監(jiān)控。

2 產(chǎn)品穩(wěn)定性控制

作為長流程技術(shù)沉淀型行業(yè)，鋼鐵企業(yè)的工藝技術(shù)控制要點繁多，通過對主要工序所輸出的重要特性進行控制，確保最終產(chǎn)品的各項指標(biāo)與用戶要求一致。按工序來說，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)分為煉鐵、煉鋼、熱軋和冷軋4 大部分。通過分解客戶需求，各工序按照相應(yīng)的質(zhì)量設(shè)計開發(fā)，最終生產(chǎn)出滿足客戶需求的高質(zhì)量產(chǎn)品。一般鋼材的質(zhì)量穩(wěn)定性要求是指不同批次的卷板及板材的不同位置，各項質(zhì)量特性均勻一致，能夠保障客戶在相同工藝下穩(wěn)定生產(chǎn)，且產(chǎn)出的部件質(zhì)量合格，殘次品少。

例如，在冶煉工序，鋼水的最終成分是鋼材后期的金相組織基礎(chǔ)，潔凈度對組織缺陷有決定性影響。因此，需要借助SPC 工具對鋼水的重要特性如成品成分和夾雜物進行精準(zhǔn)管控，以達到讓最終熱軋或冷軋產(chǎn)品各項性能穩(wěn)定的要求。

3 SPC 信息化管理在各研發(fā)階段的需求和應(yīng)用

3.1 各階段需求

1）新產(chǎn)品開發(fā)過程中，按照產(chǎn)品開發(fā)的策劃和APQP 計劃，如過程能力研究計劃等，在相應(yīng)階段，選擇合適的統(tǒng)計技術(shù)。

2）量產(chǎn)移交后，各生產(chǎn)工序按照控制計劃中的規(guī)定，針對關(guān)鍵特性控制要求，使用相應(yīng)的SPC 控制圖對相應(yīng)工藝特性或產(chǎn)品質(zhì)量特性實施穩(wěn)定性監(jiān)控。

3）各單位按照IATF 標(biāo)準(zhǔn)要求和基于改進需要識別的SPC 應(yīng)用項目。

4）顧客有要求時，按照顧客要求實施的SPC 統(tǒng)計控制。

3.2 控制圖選擇原則

1）對于化學(xué)成分、帶鋼機械性能、鋅鍋Al 含量等樣本信息是離散的計量值，選擇用“單值—移動極差控制圖（X-RM）”。

2）可測得計量值、且特性均勻，能按子組取樣的工藝參數(shù)或產(chǎn)品特性，采用“均值—極差控制圖（Xbar-R）”。

3）連續(xù)測量的帶鋼工藝或者產(chǎn)品特性（如：溫度、寬度），每條帶鋼上波動還需控制時，一般使用“雙X-RM圖”控制。即：從最大值、最小值和極差值中任選兩個物理量，同時進行“X-RM圖”監(jiān)控。

從生產(chǎn)實際出發(fā)，唐鋼主要采用均值—極差控制（Xbar-R）、直方圖兩種控制圖形。直方圖是生產(chǎn)數(shù)據(jù)分布的精確圖形表示，是對連續(xù)變量/定量變量的概率分布的統(tǒng)計。做直方圖的目的是為了研究產(chǎn)品質(zhì)量的分布狀況，直觀快速判斷工序能力和質(zhì)量狀況，發(fā)現(xiàn)異常及時采取措施。

3.3 控制圖數(shù)據(jù)采集原則

3.3.1 單值—移動極差控制圖（X-RM）

按照抽樣原則抽樣，數(shù)據(jù)不少于15 卷或爐（少于15 組數(shù)據(jù)不適用做此控制圖），每卷或爐帶鋼采集1個數(shù)據(jù)。從同一產(chǎn)線生產(chǎn)的同一批、同一鋼種中選取，生產(chǎn)量＜26 卷或爐的，全部計入樣本（異常狀態(tài)除外），使用單值—移動極差的控制圖。生產(chǎn)量＞75 卷或爐的，可按一定間隔進行抽樣。

3.3.2 均值—極差控制圖（Xbar-R）

按照抽樣原則抽取樣本，數(shù)據(jù)不少于25 卷，每卷帶鋼采集5 點數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自產(chǎn)線儀表自動測量記錄數(shù)據(jù)。樣本從同一產(chǎn)線生產(chǎn)的同一批、同一鋼種、同一規(guī)格的所有鋼卷中選取（如可行還要考慮同一生產(chǎn)班組），生產(chǎn)量＜50 卷的，全部計入樣本（異常狀態(tài)除外）。生產(chǎn)量＞50 卷的，可按所有卷數(shù)的一定間隔進行抽樣。對于樣本鋼卷，在信息化采集的所有數(shù)據(jù)的頭1/8、3/8 處各取一點，尾1/8、3/8 處各取一點，中間處再取1 點。若發(fā)現(xiàn)異常點，則本組數(shù)據(jù)去除。

3.4 過程能力計算方法

CPK—過程能力指數(shù)，是指工序在一定時間內(nèi)，處于控制狀態(tài)（穩(wěn)定狀態(tài)）下的穩(wěn)定過程的實際加工能力。

PPK—過程性能指數(shù)，是指進入大批量生產(chǎn)前，對小批量生產(chǎn)的能力評價。PPK 反應(yīng)的是當(dāng)前合格率水平。

目前，唐鋼一般采用以上兩種計算方法對過程能力進行衡量。過程能力接受準(zhǔn)則按照以下兩點執(zhí)行：當(dāng)顧客對過程能力有要求時，依據(jù)顧客要求。顧客無要求時，則PPK≥1.67 或CPK≥1.33。

3.5 控制圖的判異準(zhǔn)則

目前，對SPC 控制圖判異，應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：

1）采集數(shù)據(jù)點超出控制限。

2）連續(xù)6 點上升或連續(xù)6 點下降。

3）連續(xù)9 點在控制中心的一側(cè)。

當(dāng)觸發(fā)上述3 條準(zhǔn)則時，控制圖信息表明控制出現(xiàn)了異常，存在“特殊原因”，需要進行排查原因并制定針對性措施，加以改進。

4 SPC 信息化管理實施

在實際工作中，SPC 工具雖然有一定的理論及應(yīng)用基礎(chǔ)，但是，在處理以鋼鐵企業(yè)為主的散裝料生產(chǎn)企業(yè)的大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)時，仍有一定的局限性，需要強化現(xiàn)有信息化手段。結(jié)合唐鋼設(shè)計開發(fā)實際需求，在唐鋼現(xiàn)有的研發(fā)項目信息化管控系統(tǒng)平臺上直接進行SPC 信息化模塊開發(fā)，實現(xiàn)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)快速采集分析，及時發(fā)現(xiàn)過程異常點并制定措施，利用信息化手段進一步規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量管控。開發(fā)完成的SPC 工具共包括2 個功能模塊：均值極差控制圖（Xbar-R）、過程能力評價表（X-R）。

均值極差控制圖，是一種用于變量數(shù)據(jù)控制的工具，通過數(shù)據(jù)采集分析，可以輕松地探測出過程的變化和波動，預(yù)測過程的發(fā)展趨勢，提前預(yù)判失效或不合格品的發(fā)生。

過程能力評價表即以過程能力均值極差（X-R）圖為分析方式的評價模塊，通過對指定工藝控制參數(shù)數(shù)據(jù)進行采集和監(jiān)控，對過程管控及過程能力的波動情況進行掌握和管理，以實現(xiàn)穩(wěn)定產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

在車輪鋼380CL開發(fā)中的應(yīng)用，如圖1、圖2 所示。

圖1 抗拉強度X-R 與過程能力

圖2 屈服強度X-R 與過程能力

由抗拉強度的Xbar-R圖可知，抗拉強度可控，過程控制能力CPK 達到1.38，控制能力良好。

從控制圖可看出，數(shù)據(jù)點無超出控制線、無連續(xù)6 點上升或下降、無連續(xù)9 點在一側(cè)，圖內(nèi)所有點均處于受控狀態(tài)。

抗拉和屈服強度過程能力制分別為1.38 和1.58，均大于1.33。因此，過程能力滿足技術(shù)要求，車輪鋼380CL 質(zhì)量狀態(tài)穩(wěn)定。

5 結(jié)語

SPC（統(tǒng)計過程控制）工具在信息化系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠?qū)崟r、高效地分析企業(yè)的大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，提升分析的準(zhǔn)確率。使SPC 分析過程及結(jié)果在不同部門、不同工序間實現(xiàn)快速共享，提高信息溝通、傳遞的效率。規(guī)范各工序過程分析結(jié)果，形成統(tǒng)一格式、規(guī)范一致的過程能力研究報告及設(shè)備能力分析報告。提高過程分析質(zhì)量及研發(fā)人員使用SPC 工具的能力，提升重點產(chǎn)線制造能力及風(fēng)險預(yù)防管理能力，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，滿足汽車主機廠及相關(guān)配套企業(yè)的要求。