縱梁數控等離子切割質量研究 x

摘要：為改善縱梁數控等離子切割外觀質量，以精益六西格瑪DMAIC模型為研究框架，對導致縱梁數控等離子切割外觀不合格的影響因素進行分析，建立試驗模型，并通過MINITAB軟件進行數據分析和結果預測，確定了導致縱梁數控等離子切割外觀質量異常的關鍵因子，制定了縱梁數控等離子切割加工參數設定方案，現場試生產結果表明，優化方案能夠有效降低縱梁數控等離子切割外觀的不合格率，提升了重型載貨汽車車架縱梁的生產質量。

關鍵詞：六西格瑪 車架縱梁 等離子切割 外觀質量 加工參數

中圖分類號：U466 " 文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230403

Research on NC Plasma Cutting Quality of Longitudinal Beam

Bi Baopeng， Fan Kun

（Shaanxi Heavy Truck Co.， Ltd.， Xi’an 710200）

Abstract： To improve numerical control plasma cutting appearance quality of longitudinal beam， the Lean Six Sigma DMAIC model is used as the research framework to analyze the factors leading to unqualified appearance quality of longitudinal beam numerical control plasma cutting. A test model is established， and data analysis and result prediction are carried out through Minitab software to identify the key factors leading to the abnormal appearance quality of longitudinal beam numerical control plasma cutting. The processing parameter setting scheme of longitudinal beam numerical control plasma cutting is determined. Trial production on the production site indicates that the optimization scheme can effectively reduce the unqualified rate of longitudinal beam numerical control plasma cutting appearance， and improve the production quality of longitudinal beam of heavy truck frame.

Key words： Six sigma， Longitudinal beam， Plasma cutting， Appearance quality， Machining parameters

1 前言

目前，某主機廠部分重型載貨汽車車架縱梁加工流程如下：縱梁平板料沖孔、切割縱梁外形、6 000 t壓型、縱梁合梁或折彎、縱梁鉚接車架。平板等離子數控切割機是專門用于車架縱梁外形切割的數控設備，切割速度為800～2 900 mm/min，可切割縱梁厚度范圍為4～15 mm，能適應多品種柔性化生產，具有精度高、可靠性高、價格低、操作維護簡單的優點。縱梁外形切割精度及外觀質量對整車裝配及后續安全使用至關重要。

等離子切割是利用高溫等離子電弧的熱量使工件切口處的金屬局部熔化（和蒸發），并借高速等離子的動量排出熔融金屬以形成切口的一種加工方法。等離子切割機配合不同的工作氣體可以切割各種采用氧氣切割技術難以切割的金屬，對有色金屬（不銹鋼、鋁、銅、鈦、鎳）的切割效果更佳，其主要優點是在切割厚度小的金屬時速度快，尤其在切割普通碳素鋼薄板時，速度可達到氧切割法的5～6倍，且切割面光潔、熱變形小、熱影響區少[1-2]。某主機廠使用的是SH-2002AH/ST等離子切割線，配合使用壓縮空氣。空氣等離子切割機可以兼顧氧、氮等離子切割機的優點，適用于汽車零部件切割。判定縱梁外形切割質量的維度有切割斜角的大小、切割斷面波紋深度以及切割熔渣量等[3-4]。

由于平板料質量不佳，存在鐮刀彎、長度尺寸超差等問題，工件在切割時易造成凸臺、切不斷、切割面波浪紋等。為保證切割質量，需對已加工縱梁進行返修，工作量大且返修質量無法保證。本文通過使用精益六西格瑪質量工具對數控等離子平板切割機加工過程進行分析，優化加工參數，提高數控等離子平板切割外觀質量，降低返修率。

2 等離子切割質量提升過程

DMAIC是六西格瑪管理中最重要、最經典的改進模式，主要側重在已有流程的質量改善。DMAIC代表六西格瑪質量改進活動不同階段，即：定義（Define）階段（D）、測量（Measure）階段（M）、分析（Analyze）階段（A）、改善（Improve）階段（I）、控制（Control）階段 （C），如圖1所示。

本文運用DMAIC流程梳理縱梁切割工序生產過程，查找不增值步驟，采用因果矩陣表找出影響縱梁數控等離子切割不合格率的因素，實施改進。

2.1 定義階段（D階段）

項目團隊需要通過定義階段明確問題，確定不合格率Y的標準。本文統計了縱梁數控等離子切割工序切割后外觀不合格件，2020年6月～12月縱梁數控等離子切割外觀不合格率如圖2所示，縱梁平板切割外觀不合格率最高達31.17%，且呈上升趨勢。

使用SIPOC宏觀流程圖分解縱梁加工過程，確定項目數控等離子切割機加工前準備、加工參數設定、加工過程及打磨飛濺毛刺為重點關注項。縱梁數控等離子切割外觀的主要缺陷為切割波紋、切割斜角及切割熔渣[5-7]，2020年6月～12月縱梁數控等離子切割外觀主要缺陷及比例如表1所示。使用失效模式的帕累托（Pareto）圖分析縱梁數控等離子切割外觀不合格品，如圖3所示，發現由切割波紋、切割斜角引起的失效在總的故障模式中占比90%，因此，切割波紋和切割斜角引起的失效為主要失效模式，從而縱梁數控等離子切割外觀不合格率可轉化為切割波紋不合格率Y1和切割斜角不合格率Y2。現階段縱梁數控等離子切割外觀不合格率為30%，通過分析基線及最好加工水平，確定合理項目目標為9%，預計改善后6個月節約的費用為：

[Q=S?H?Hr?（rH-rQ）] （1）

式中：Q為節約的費用，S為縱梁數量，H為打磨工時，Hr為小時費率，rQ、rH分別為改善前、后的不良率。

經計算，改善后6個月節約的費用約為111 620.92元。項目團隊成員包括工藝主管、工藝人員、加工人及檢驗人員。

2.2 測量階段（M階段）

測量階段的目的主要是對當前能力進行分析，查找及篩選潛在原因。測量系統的波動主要是量具和檢驗員的變化引起的，為了確保測量系統的穩定性，使用計數型測量系統對Y的數據真實性進行驗證，如圖4所示，發現檢驗員與標準一致性Kappa=0.932 985gt;0.9，可見本項目檢驗員對縱梁平板外觀不合格品類型判定準確，測量結果可靠。

分析縱梁數控等離子切割外觀不合格率過程穩定性，圖5所示的控制圖中，點都是隨機分布在控制極限之間，無紅點判異表明縱梁數控等離子切割過程穩定且受控。在改進縱梁數控等離子切割外觀不合格率之前，需要深入了解縱梁平板切割外觀不合格率問題現狀及其過程能力。在六西格瑪管理活動中，為與屬性值數據進行橫向比較，可以使用西格瑪水平Z來評價過程能力，它與過程的不合格品率是一一對應的。如圖6、表2所示，采用二項過程能力分析對縱梁等離子切割不合格率過程能力進行分析，縱梁數控等離子切割過程能力指數Z值為0.517 0，表明縱梁等離子切割過程能力較差，需要改進。

2.3 分析階段（A階段）

分析階段是DMAIC各階段中最難以預見的階段，所用方法取決于問題及數據的特點。

使用流程變量圖和因果矩陣對41個影響縱梁數控等離子切割質量的因子逐一打分，從中篩選出了切割電流、切割速度、角磨機、操作人員、打磨速度及鋼板尺等9個分值最高的輸入因子。通過因果矩陣及相關性分析，從中篩選出前80%分值最高的4個輸入因子：切割電流、切割速度、角磨機、操作人員。最后利用故障模式與影響分析（Fault Modes and Effect Andysis， FMEA）方法，從4個輸入因子中篩選出了風險順序數（Risk Priority Number， RPN）前80%的2個輸入因子，即切割電流、切割速度，如圖7所示。

分別針對M階段分析出的2個因子設計驗證計劃和收據收集計劃，如表3、表4所示。運用多變量分析分別對切割波紋不合格數Y1和切割斜角不合格數Y2進行二進制邏輯回歸分析。Y1的切割電流和切割速度P值分別為0.023和0.025，均小于決定顯著性水平0.05，可見切割電流和切割速度是影響切割波紋不合格率的關鍵因子。同理，Y2的切割電流和切割速度P值分別為0.022和0.048，均小于決定顯著性水平0.05，可見切割電流和切割速度是影響切割斜角不合格率的關鍵因子。

2.4 改善階段（I階段）

改善階段的主要目的是將上一階段得出的顯著因子進行改善方案的輸出和篩選，并且展開實施，驗證其改善效果。由于Y1和Y2的影響因素均為切割電流和切割速度，因此，對切割電流和切割速度更改時需要關注切割波紋和切割斜角的變化。

由于等離子切割機更新換代，按照原工藝設定的切割速度和切割電流加工已不能滿足質量要求，且生產效率低。根據現場加工經驗及設備使用說明書，采用正交試驗法將等離子切割設備的電弧電流分別設定為80 A、85 A、90 A、95 A、100 A，切割速度分別設定為2 200 mm/min、2 300 mm/min、2 400 mm/min、2 500 mm/min、2 600 mm/min、2 700 mm/min、2 800 mm/min、2 900 mm/min。經過試驗對比，當切割電流為95 A、切割速度為2 700 mm/min時，切割面外觀質量光滑平整，無明顯切割波紋及切割斜角，且平板等離子切割加工生產效率高，圖8為改善前、后縱梁數控等離子切割不合格率的P控制圖。

2.5 控制階段（C階段）

為保持改進的效果，需要將改進階段對流程的修改納入作業標準和受控的文件體系，建立過程控制系統。根據流程圖確定縱梁等離子切割外觀質量關鍵控制點是加工過程中的切割速度及切割電流。通過分析，可以在作業準備和切割外形過程中對關鍵控制點進行改善，如表5所示，分別將控制計劃、過程流程圖以及工藝文件中的切割電流及切割速度標準化。文件要求每班前切割外形環節，校對切割工藝參數以保證縱梁數控等離子切割外觀不合格率，如表6所示。通過分析改善后的不合格數的二項過程能力，可見縱梁數控等離子切割過程能力指數Z由更改之前的0.517 0提高至1.666 2，過程能力顯著提升，如圖9、表7所示。預計改善后6個月節約費用約162 989.6元，超過預期目標。

綜上所述，通過使用精益六西格瑪DMAIC方法分析縱梁數控等離子切割外觀不合格率的影響因素，并確定最后優化方案，降低了縱梁數控等離子切割外觀不合格率，提升了生產效率。

3 結束語

本文針對車架縱梁平板等離子切割外觀不合格率高的問題，通過完整的六西格瑪流程分析，使用精益六西格瑪DMAIC方法，對縱梁數控等離子切割外觀不合格率的影響因素進行分析，建立試驗模型，并通過MINITAB軟件進行了數據分析和結果預測，得到了最優的等離子切割加工參數方案，最終通過生產現場的試生產，驗證了優化方案的準確性。通過對數據統計、分析，找到了影響該問題的關鍵因子，提高了車架縱梁切割外觀的一次合格率，使車架整體的質量得到了提升。

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作者簡介：畢寶鵬（1989—），男，高級工程師，碩士學位，研究方向為汽車制造工藝。

參考文獻引用格式：

畢寶鵬， 范坤. 縱梁數控等離子切割質量研究[J]. 汽車工藝與材料， 2024（8）： 33-38.

BI B P， FAN K. Research on NC Plasma Cutting Quality of Longitudinal Beam[J]. Automobile Technology amp; Material， 2024（8）： 33-38.