基于DMAIC 的薄壁襯套加工質量改進

劉 巖，胡航兵，周鑫明，魏 琴

（成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川成都 610092）

0 引言

在飛機使用的運動零部件之間，常通過設計襯套減少運動零部件的磨損，提升運動部件的機械性能。為了更好的減重以及減少占用空間，薄壁襯套是最常見防護耐磨配件之一。由于薄壁襯套剛性較差，在實際加工時因工藝方法、切削應力等因素的影響，非常容易出現變形，嚴重影響生產效率以及公司的聲譽。本文運用DMAIC 方法，針對實際加工中存在的問題進行改進研究，提出改進方向，最終提升產品的加工質量[1]。

1 薄壁襯套生產現狀

薄壁襯套的材料為30NCD16，是一種鐵—鎳基高溫合金，具有良好的抗氧化性、熱疲勞性和高熱強性，屬于難加工材料。零件結構如圖1 所示，薄壁襯套的直徑、壁厚比大于40 mm，外圓和內孔尺寸公差帶為6 級，按照項目標準要求，孔的圓度需要控制在0.02 mm以內。由于材料為熱處理后合金鋼，強度高且結構剛性不好，加工后易變形，傳統加工方式為數控車床從圓棒裝夾開始，粗、精加工外圓和內孔，一次裝夾成型后切斷結束。這種方式能保證很好的內、外圓同軸度，但零件從機床上三爪卡盤拆卸后，往往因為應力釋放而產生零件變形，內孔變形后圓度達到0.05～0.07 mm。薄壁襯套在半年間共投產558 件，合格品223 件，合格率僅為40%，不合格品全部報廢重制，嚴重影響了生產進度，增加了加工成本。

圖1 薄壁襯套結構

2 基于DMAIC 的薄壁襯套加工質量改進

2.1 定義階段

從薄壁襯套的SIPOC 流程可知（圖2），薄壁襯套在經歷3個加工工序后進入檢查環節（掛標牌不屬于加工工序），其中下料、數控車均屬于粗加工環節，對最終尺寸無影響。為找到質量改進點，對中檢環節的數據進行了統計，得到影響影響襯套廢品率的Pareto 圖（圖3），孔的圓度超差造成的廢品占比為97%，外圓直徑超差造成的廢品占比為1.5%，孔直徑超差造成的廢品占比為0.9%，碰傷造成的廢品占比為0.6%。由此可知，薄壁襯套廢品率高的原因主要是孔的圓度超差，因此將孔的圓度超差作為主要的質量改進點[2]。

圖2 薄壁襯套SIPOC 流程

圖3 襯套廢品的Pareto 圖

2.2 測量階段

通過定義階段確定質量改進點后，若孔的圓度超過0.02 mm則超差，而孔的圓度是通過三坐標測量機進行測量的，測量方法如圖4 所示。為避免量具導致的差異，需要對測量系統進行分析，首先隨機選擇10個樣本零件進行測量，通過2名測量技術人員對每個樣本重復測量2 次，將測量結果錄入Minitab 軟件中進行測量系統分析（表1）。

表1 量具R&R 表

圖4 測量方法及測量零件

由測量系統分析結果可知，部件的方差貢獻率（99.92）遠遠大于合計量具的貢獻率（0.08），說明變異主要是因為部件差異導致的。合計量具的研究變異和方差貢獻率都非常小，說明系統對研究變異的擾動很小，同時可區分數49＞5，說明測量系統是可信的，滿足要求[2]。

2.3 分析階段

針對孔的圓度超差問題，從測量系統、材料、操作者、環境、工藝方法、設備6 個方面進行分析，通過頭腦風暴的方法分析可能造成影響的因素，最終確定6 個影響因素（圖5），分別為X1應力集中、X2 培訓不到位、X3 一次裝夾未留余量、X4 切削參數不合理、X5 設備精度、X6 冷卻不充分。對以上6 個影響因素分別展開分析以及數據收集。

圖5 因果分析

（1）對于X1 應力集中因素，開展對比加工試驗，隨機選取40 件零件。鉆完初孔后，20 件零件繼續加工孔到最終尺寸，另外20 件去消除應力后再加工孔到最終尺寸進行對比試驗，并測量孔的圓度尺寸合格情況（表2）。

表2 是否消除應力的對比試驗結果 件

將對比試驗的結果，通過Minitab 進行卡方檢驗分析。假定Ho：消除應力加工孔無影響；Ha：未消除應力加工孔有影響（圖6），通過卡方檢驗得出P=0.027＜0.05，拒絕原假設Ho，接收Ha，即未消除應力加工孔與有消除應力加工孔有統計上的顯著不同。分析結果說明鉆完初孔后直接加工零件到最終尺寸，與鉆完初孔后消除應力再加工到最終尺寸的合格率有顯著區別，并且影響程度大，可以確定為關鍵因素[3]。

圖6 應力集中因素卡方檢驗

（2）對于X2 工人培訓不到位因素，經查詢工人均為高級技師，每年參加理論加實際操作的培訓均大于36 h，完全滿足加工零件的技能水平要求，因此可以排除X2 工人培訓不到位因素。

（3）對于X3 一次裝夾未留余量因素，通過對加工過程中的受力進行分析（圖7），發現一次裝夾的工藝方案中存在受力不均勻的問題，容易引起零件變形。為進一步確認該因素的影響，同樣開展對比試驗[1，4]。

圖7 一次裝夾未留余量加工示意

隨機選取40 件零件，20 件零件孔一次裝夾加工到最終尺寸，另外20 件留余量，切斷再精加工到尺寸，最終測量孔的圓度合格情況見表3。

表3 孔是否留余量的對比試驗結果 件

將對比試驗的結果，通過Minitab 進行卡方檢驗分析。假定Ho：一次裝夾未留余量對孔尺寸無影響；Ha：兩次裝夾孔留余量對孔尺寸有影響（圖8），通過卡方檢驗得出P=0.025＜0.05，拒絕原假設Ho，接收Ha，即一次裝夾未留余量與兩次裝夾孔留余量對孔尺寸有統計上的顯著不同。分析結果說明經過兩次裝夾孔留余量，再加工到最終尺寸的合格率有顯著區別，并且影響程度大，可以確定為關鍵因素。

圖8 一次裝夾未留余量因素卡方檢驗

（4）對于X4 切削參數不合理、X5 設備精度、X6 冷卻不充分等因素，通過查詢機床說明書、機械加工工藝手冊等相關文件，發現切削參數、設備精度、冷卻方式均滿足加工要求，因此可以排除X4 切削參數不合理、X5 設備精度、X6 冷卻不充分等因素。

2.4 改進階段

通過上述分析，在確定了2 個關鍵因素后，對其進行以下改進。

2.4.1 應力集中因素改進

零件粗加工時去除了大部分材料，零件產生機加內應力，使零件在粗加工后產生變形，影響內孔尺寸。常用的消除應力方式有兩種：①人工時效（熱處理法）對零件進行熱處理消除應力。按項目消除應力標準，需要保證溫度190 ℃，時間2～3 h；②自然時效法，在自然條件下使工件內部應力自然釋放從而使殘余應力消除或減少，需要至少7 d 時間。通過對比試驗發現，人工時效消除應力后再加工孔，孔的變形小、圓度好。為了提高生產效率，試切20 件零件選用人工時效法，零件合格率從40%上升至85%，改善效果十分明顯。

2.4.2 一次裝夾余量因素改進

調整工藝方案，對于孔的加工先留余量后切斷，并自制工裝對零件進行裝夾進行二次裝夾（圖9～圖11），將孔加工到最終尺寸。使零件與工裝貼合，并用端蓋壓緊，避免零件直接受力，抵消車刀精鏜內孔旋轉時的徑向力，減少零件變形，并通過修改工藝方案，改進薄壁襯套的SIPOC 流程（圖12），確保后續零件的加工合格率。

圖9 自制工裝

圖10 自制工裝零件圖

圖11 零件裝夾

圖12 改進后的薄壁襯套SIPOC 流程

為了進一步探索薄壁襯套孔加工余量的合理性，再次開展加工余量對比試驗。選擇留余量0.2 mm 后精加工和留余量0.5 mm 后精加工兩種方式，分別加工20 件零件，最終測量孔的圓度尺寸。通過圓度值箱線圖（圖13），采用留余量0.2 mm后精加工孔，孔的圓度尺寸更加收斂，合格率達到95%，改善效果更加明顯。

圖13 孔的圓度值箱線圖

2.5 控制階段

通過采用制初孔后增加人工時效消除應力、精加工留余量0.2 mm、自制夾具裝夾加工等改進措施，使薄壁襯套零件孔的圓度合格率得到明顯提高。對該零件最新批次的生產情況進行統計（圖14），合格率有效地控制在97%左右，成功完成了既定的質量改進目標。目前的異常點主要是產品周轉過程造成的損壞報廢，為進一步提升改進效果，后期制定了產品周轉的防護措施，定期檢查產品加工和周轉過程是否滿足要求[5]。

圖14 孔的圓度值合格率及I-MR 控制圖

3 結束語

通過DMAIC 方法對薄壁襯套的加工過程進行了質量改進，運用科學有效的分析方法，找到了影響產品質量的關鍵因素，最終通過優化工藝加工方案、自制裝夾工裝等改進措施，有效提升產品加工合格率，對于類似零件具有借鑒意義。