六西格玛工具DMAIC在CNC加工中的应用

(艾默生船用过程控制系统(上海)有限公司 上海 201201)

引言

近些年，传统制造业已经开始逐渐淘汰单一功能机械设备如：普车、立钻、铣床等，开始大量引入多轴联动，20个基数以上刀库的CNC数控加工中心。CNC加工中心的特点是：加工精度高、自动化、程序可控。对产品的质量有保障，而且可以持续输出稳定的产品。但是高精的机械，并不能完全消除存在的质量问题。而对于发现的质量问题，又迫切的需要一种高效的质量控制方法和技术来迅速引导生产进行合理的改进。

对比传统机械制造行业，目前大部分的企业质量控制在生产中的运行模式是：质量依赖人工，QC检验。稍微有点质量意识的企业，还能组建质量团队，有QC、QA来实施质量活动。通常操作员生产一个工件，依照检验单、图纸来完成尺寸检验，检验员抽样巡检，发现质量异常后，质量人员出面来协调处理，这是大多数制造业的真实写照。这样模式的好处是各司其职，生产只管生产，质量只负责处理异常。但是这种方式难免疑问：检验的数据是否真实？检验员能否把所有不良品都甄别出来？尤其是检验员发现测量的数据与操作员测量数值有较大误差时，听谁的？

在生产活动中，检验员和操作员的角色绝大多数是对立的。一个要求数量，一个要求质量。两个矛盾体，必然在工作中会产生分歧。比如测量工具的选用、检测方法的不同，都会造成生产人员对自己生产的产品是否合格，心存疑虑。同时质量人员对于生产者不听从质量的劝阻而感到愤愤不平。

为什么大家都在为工作卖力，可是都感觉受了委屈呢？关键在这种局面中，似乎生产和质量双方都没有从争执中得到既得利益。

我们可以从六西格玛DMAIC工具的使用中找到应有的答案。

一、六西格玛和DMAIC工具在现代制造业的发展

近些年制造业升级，质量活动的处理方式也在发生转变。随着统计学的发展，六西格玛工具在现代生产活动中凸显的作用越来越明显，已经逐渐形成一种以六西格玛为主流质量控制的模式。同时，六西格玛的质量工具已经变成质量人参与质量活动的一把利器，它经常被用来消除生产活动中的分歧。

(二)六西格玛的定义

六西格玛通常表述为6σ或者6sigma。σ是希腊字母，在统计学中用来指代一个数值的标准差。它通常通过数据的均值、方差与标准差的表现形式，来评估质量水平好坏。表1展示了目前大多数企业的六西格玛水平分布。

表1 西格玛水平表现(相对公差中心偏离±1.5σ)

六西格玛实现的目的是为了提高企业生产力、扩大产品的市场份额、提高产品的质量。

(二)DMAIC含义

DMAIC是指项目界定(Define)、测量(Measure)、分析(Analyze)、改进(improve)、控制(control)五个阶段的简称。它是实现六西格玛改进活动的核心工具，在工作中作为解决质量问题使用频率很高的质量工具。合理的DMAIC使用可以助推质量问题快速、精确的得到解决和改善。图1展示了DMAIC不同阶段在处理问题的关系。

图1 DMAIC流程

二、DMAIC工具在CNC生产中的应用

在CNC加工中，我们经常会遇到一些加工难题，比如：缸体加工中同轴度尺寸不稳定，即偏心问题，在加工过程中也极难被发现。一旦发生此问题，可能会导致后续安装配合的工件无法正确安装，也无法返修，甚至产生报废。如何解决偏心问题呢？这是目前机加工从业者普遍比较头疼的问题。从日常工作经验来看，我们经常会通过三坐标测量、机床摇表测量、更换原料来保证质量水平。严重的偏心问题，我们甚至需要去车削机床卡爪，换机床主轴，但是谁也没有清晰的思路敢去确认哪里出了质量问题，只有通过不断的尝试修复去消灭问题。

从质量角度，当问题产生之时，就是质量人员展现价值的最佳机会。运用DMAIC工具来解决缸体加工偏心问题就是一个很好的项目。在工作中，我通过运用DMAIC工具识别了很多质量风险、消除了生产人员的疑惑、解决了很多分歧，使偏心问题得到有效的解决。

(一)目标设定(Define)

在消除偏心的目标设定阶段，我们的目的就是减少偏心发生概率，降低报废金额，提高产品一次通过率。偏心的问题从加工环境和因果关联法来看，操作者、夹具、刀具、原材料，机器程序，环境，测量量具是产生异常的主要因素。所以所以就需要围绕这些关联因素来进行分析解剖，找到产生偏心的问题的根本原因。

CNC加工关联因素：

●新员工和熟练工操作习惯、操作方式、责任心；

●夹具磨损、定位精度、夹紧力、工装洁净度；

●刀具型号、品牌、寿命、材质；

●原材料材质，化学成份，硬度、金相组织等；

●CNC机器操作系统、程序刀补给量；

●机器主轴精度，厂房地基避震；

●测量量具、校块准确。

在设定关联因素后，参与项目研究的团队构建也是重要的，多面的技术团队可以头脑风暴，提供不同的意见，保证项目高效的进行。设定目标以后，我们就需要开展质量活动，测量验证。

(二)测量(Measure)

在测量验证阶段，主要通过建立质量数据，去收集更多的可靠信息。在CNC加工中，SPC的使用是获取有效数据的重要方式。通常我们用SPC来控制工件的关键尺寸，例如同轴偏心。在偏心的数值获取阶段，三坐标可以提供稳定的测量值。建立SPC控制曲线，设定上下限UCL，LCL，连续取样50个数据就可以计算出CNC机器的质量 曲线，可以清楚的判断出机器的加工质量趋势。偏心的数值通常为0.05以内，CNC实际生产中大多接近0.05，但是很多测量结果会超出0.05达到0.10。这体现出控制难度，但是结果是否界定为必须稳定在0.05以内，这就体现出公司对产品质量控制的高低要求，需要结合实际综合评估。图2是一个SPC统计的示例，该图横轴表示抽样数，纵轴表示同心测量值，展示了50个数据在公差要求的分布位置，表达了该机器的质量稳定趋势。

图2 样本50组缸体同心度实测数值偏离趋势图

1.MSA的应用

在SPC数值取样中，必须保证数值的准确性、真实性、合理性。CNC加工中，很多数值的测量出现误差时，需要通过质量工具MSA(Measure system analyse)来验证误差。通常机械加工需要验证量具的可靠性、测量方法的有效性。量具的准确与否，关系到数值的好坏，经常遇到量具校验日期过期、磨损、量具选择不合适等情况，导致测得数值无法让操作者和QC信任。同时，测量方法的重要性也表现得很突出。同样的产品，在相同测量条件下，操作员和QC分别测量，可能得到不同得结果。但是测量方法的意义就是获得到双方都认可的数据，降低测量数值的分歧。在考虑这些测量误差后，我们可以准确得获得测量值，建立有效的数据资料。

在获取需要的数据库后，从质量技术的角度，需要来对数据作一个全方位的诊断，即质量分析，来识别出数据偏差的所有因素。

(三)分析(Analyze)

质量分析，是利用合适的质量工具，充分考虑人、机、料、法、环等因素来识别出有效措施改善原因的手段。

在质量事件的分析中，最经常使用到的工具是鱼骨图。图3展示了，从人、机、料、法、环5大因素来分析偏心的潜在因素。

图3 缸体同轴偏心鱼骨图

在分析阶段，品管圈团员的意见可以最快、最优的识别出所有潜在不良因素。常见引起产品偏心得原因如下：

●操作员新人不熟悉机器及加工工艺；

●操作员加工前未对刀；

●上料机传送不稳定；

●机器超过10年，主轴精度偏差；

●刀具拉拔力数值低；

●刀具寿命管理不足；

●刀具型号错误；

●刀具材质变化；

●夹具磨损；

●材料毛胚过长、过细；

●材料金相组织不稳定；

●程序变化，加工工序变动；

●厂房地基不防震。

以上不良因素，都是产生偏心的决定因素。在获取这些原因分析中，头脑风暴、因果关联等工具在日常工作中使用频率最多。

(四)改进(Improve)

在识别了所有关联的缺陷因子后，改进，就是质量手段的表现机会。最大化的获取质量成果，就主要看改进的效果。

在改进阶段，经常要考虑经济性、合理性、针对性。在开展改进过程中，使用FEMA对结果进行风险评估是非常有必要的。5W1H也是制订改进计划落实的有力工具。经济性的改善，是质量活动必须要考虑的部分，小小的改进如果可以获取大大的收益这是大家都愿意看到的。比如有些措施如：培训技能分享。现实中经常可见，新进的CNC操作人员未经过系统培训，2周内就快速上岗，这在CNC加工行业是很普遍的现象。而实际工作中能操作、独立操作，熟练掌握是不同的操作等级。如果一线员工能力仅限能开机、装夹工件等技能，按照设定的面板按键操作，完全不理解机器语言和面板上按键的功能，肯定无法保证产品的尺寸在加工中都能够得到有效保证。合理性，就是指不能不考虑实际经济情况去作质量改进，比如选择较好的机器和材料。有些材料因为核心技术问题，国内极少能找到完全达到要求的供应商，导致原材料的稳定性不能完全得到保证。有些机器设备，更替投入需要大量资金等。在可选范围内，尽量选择避开不考虑实际情况的改进措施。针对性，就是对识别出来的问题，能有一一对应的控制措施。甚至可以一个问题，多个改善措施。比如：刀具寿命管理问题，可以根据加工需求，设置加工完20个产品既换新刀，或者采购质量等级好的刀具。

在偏心问题上，我们常使用的改进方法就是：制作配套工装检具来适配工件，保证配合尺寸稳定；开机加工前确保CNC操作员对刀；检查夹具精度，必要情况及时更换夹具；定期组织操作人员学习产品知识，了解偏心对产品造成的质量损害。

(五)控制(Control)

在获得有效的改善结果后，把措施进行标准化和可控性，是DMAIC控制阶段最关键的目的，是活动扩大胜利战果的关键措施。

●更新改善措施到员工作业指导书，形成质量标准规范；

●制作查检表，检查员工测量真实性；

●组建质量稽核团队，开展定期质量稽核；

●新建关键点SPC曲线，监视质量数据变化。

这些都是在CNC加工中经常采用到的切实有效的控制方法。

三、总结

利用DMAIC方式来对CNC加工进行质量控制，是表现出科学性的质量控制方式。在方法实施阶段，可以充分交互利用各种工具，比如QC七大手法、SPC、FEMA等不仅局限于这些方法方式的照搬运用。六西格提供了一种系统性的解决质量问题的指导思想，而DMAIC提供了解决问题的工具和方法。

质量的核心价值就是生产出满足客户需要，而使客户感到满意的产品特性。适宜的改善措施可以达到事半功倍的效果；过于追求结果，不贴合实际的改善，不仅会增加成本，反而损害质量改善的积极性。所以一款好的质量控制工具，可以促使质量行业走向一个更健康、有序的发展方向。