■ 付建平

淺談門窗五金配件的試驗(yàn)設(shè)計與質(zhì)量控制

■ 付建平

門窗五金配件，是門窗配件的心臟，是決定門窗性能的關(guān)鍵部件。門窗的物理性能（抗風(fēng)壓性、水密性、氣密性、隔聲性、保溫性、隔熱性等）和機(jī)械性能（強(qiáng)度、啟閉力、反復(fù)啟閉等）均與五金配件密切相關(guān)。國外的品牌產(chǎn)品，尤其注重門窗的系統(tǒng)性，他們在產(chǎn)品開發(fā)階段就始終將門窗配件作為一個系統(tǒng)來設(shè)計，通過多種的試驗(yàn)設(shè)計，找到產(chǎn)品的最佳品質(zhì)方案。在國內(nèi)，門窗五金配件廠家良莠不齊，有實(shí)力做系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的也不多。但是，對于五金配件的機(jī)械性能，在產(chǎn)品開發(fā)階段，通過試驗(yàn)設(shè)計來控制產(chǎn)品質(zhì)量，是很有必要且大多數(shù)五金配件廠也能做到的。

1 試驗(yàn)設(shè)計方法概述

試驗(yàn)設(shè)計是數(shù)理統(tǒng)計學(xué)領(lǐng)域的一個分支。它是以概率論、數(shù)理統(tǒng)計、線性代數(shù)等為理論基礎(chǔ)，科學(xué)地設(shè)計試驗(yàn)方案，正確合理地分析試驗(yàn)結(jié)果，以較少的試驗(yàn)工作量和較低的成本獲取足夠、可靠的有用信息。試驗(yàn)設(shè)計方法主要有單因素試驗(yàn)[黃金分割法（0.618法）、分?jǐn)?shù)法、平行線法、交替法、調(diào)優(yōu)法等]和多因素試驗(yàn)[正交試驗(yàn)設(shè)計、信噪比（S/N）試驗(yàn)設(shè)計、產(chǎn)品三次設(shè)計、回歸試驗(yàn)設(shè)計、完全隨機(jī)化試驗(yàn)設(shè)計、隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計、拉丁方試驗(yàn)設(shè)計、正交拉丁方試驗(yàn)設(shè)計、均勻試驗(yàn)設(shè)計等]。

三種典型的試驗(yàn)設(shè)計方法：

1.1經(jīng)典DOE，其基本思想和方法是英國統(tǒng)計學(xué)家、工程師費(fèi)歇爾（R.A.Fisher）于20世紀(jì)20年代創(chuàng)立的，最初主要用于農(nóng)業(yè)產(chǎn)品上。

1.2田口DOE，由日本的田口玄一（Genichi Taguchi）創(chuàng)建。他通過采用經(jīng)典DOE，在40年代末、50年代初提出的“正交試驗(yàn)設(shè)計法”，在70年代提出“產(chǎn)品三次設(shè)計”（系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)設(shè)計和容差設(shè)計）。

1.3謝恩DOE，由美國人謝恩（Dorian Shainin）創(chuàng)建的10中試驗(yàn)設(shè)計工具，20世紀(jì)70年代，在摩托羅拉公司獲得巨大成功。

2 典型的正交試驗(yàn)設(shè)計案例

正交試驗(yàn)設(shè)計法：就是使用已經(jīng)造好了的正交表格，來安排試驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的一種方法。常用的正交表有兩類，若記一般的正交表為Ln(qp)，則：

第一類正交表的行數(shù)n，列數(shù)p，水平數(shù)q間有如下關(guān)系：

第二類正交表的行數(shù)n，列數(shù)p，水平數(shù)q不滿足上述關(guān)系式。

第一類正交表不僅可考察各因子對試驗(yàn)指標(biāo)的影響，有的還可考察因子間的相互作用的影響。而第二類正交表則只能考察各因子間的影響。

現(xiàn)以提高磁鼓電機(jī)輸出力矩的正交試驗(yàn)設(shè)計法，來介紹試驗(yàn)設(shè)計在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中的運(yùn)用。

圖1不可控因素

通過圖1可知：輸入可理解為試驗(yàn)開始時過程或系統(tǒng)的初始狀態(tài)、特征。在一些可控因素和一些不可控因素的影響下，產(chǎn)生一定的輸出（響應(yīng)），該輸出（響應(yīng)）就是試驗(yàn)結(jié)果。

2.1試驗(yàn)?zāi)康模禾岣叽殴碾姍C(jī)的輸出力矩。

2.2試驗(yàn)指標(biāo)：電機(jī)輸出力矩作為考察指標(biāo)，該指標(biāo)越大表明試驗(yàn)條件越好。

2.3因子與水平：磁鼓電機(jī)的輸出力矩，經(jīng)專業(yè)人員分析：影響輸出力矩的可能因子有三個（可控因素），它們是：A、充磁量；B、定位角度；C、定子線圈匝數(shù)。各因子的取值范圍見表1：

表1 因子水平表

2.4選用合適的正交表，進(jìn)行表頭設(shè)計，列出試驗(yàn)計劃。在本例中所考察的因子都是三水平的，三個因子均是獨(dú)立而無交互作用,因此選用三水平正交表，又由于現(xiàn)在只考察三個因子，所以選用L9(34)正交表，見表2。

表2 L9(34)

三水平正交表L9(34)：“L”是正交表的代號。

“9”表示行數(shù)，在試驗(yàn)中表示用這張表安排試驗(yàn)的話，要做9個不同條件的試驗(yàn)。

“4”表示列數(shù)，在試驗(yàn)中表示用這張表安排試驗(yàn)的話，最多可以安排4個因子。

“3”表示主體有3個不同水平，用這張表安排試驗(yàn)時每個因子應(yīng)取3個不同水平。

正交表具有正交性，是指它有如下兩個特點(diǎn)：

2.4.1 每列中每個數(shù)字重復(fù)次數(shù)相同。

2.4.2 將任意兩列的同行數(shù)字看成一個數(shù)對，那么一切可能數(shù)對重復(fù)次數(shù)相同。

如果將試驗(yàn)條件看成試驗(yàn)空間（一切可能試驗(yàn)條件組成的集合）中的一個點(diǎn)，那么正交表的這兩個特點(diǎn)使所選擇的試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)空間中的分布是均勻分散的，并將看到試驗(yàn)結(jié)果具有綜合可比性，這為以后的統(tǒng)計分析帶來了便利，同時減少了圖2試驗(yàn)次數(shù)（正常是33=27次）。見L9(34)9個試驗(yàn)的空間分布圖。

圖2空間分布圖

用正交表L9(34)安排試驗(yàn)共有9個不同的試驗(yàn)條件，它們是一起設(shè)計好的，而不是等一個試驗(yàn)結(jié)束后再決定下一個試驗(yàn)，因此稱這樣的設(shè)計為“整體設(shè)計”。

這種“整體設(shè)計”，是為了避免事先某些考慮不周而產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，因此試驗(yàn)的次數(shù)最好要隨機(jī)化，可以用抽簽的方式?jīng)Q定。此外，在試驗(yàn)中還應(yīng)盡量避免因操作人員的不同、儀器設(shè)備的不同等引起的系統(tǒng)誤差，盡可能使試驗(yàn)中除所考察的因子外的其他因素固定，在不能避免的場合可以增加一個“區(qū)組因子”。譬如試驗(yàn)由三個人進(jìn)行，則可以把“人”也看成一個因子，三個人便是三個水平，將其放在正交表的空白列上，那么該列的1、2、3對應(yīng)的試驗(yàn)分別由第一、第二、第三個人去做，這樣就可以避免了因人員變動所造成的系統(tǒng)誤差。試驗(yàn)時常常還需要在同一條件下進(jìn)行重復(fù)，這樣可以看出試驗(yàn)的穩(wěn)定性，還可以對試驗(yàn)誤差的方差進(jìn)行估計。有時為了節(jié)約成本、時間等，在正交表上有空白列時也可以只進(jìn)行一次試驗(yàn)。

選定了正交表后把因子放到正交表的列上去，稱為表頭設(shè)計。在不考慮交互作用的場合，可以把因子放在任意的列上，一個因子占一列。本例中將三個因子分別置于前三列，將它寫成表3的設(shè)計形式。

表3

“表頭設(shè)計”中的“A”“B”“C”是便于分析用的代碼。結(jié)合表頭格式，將要考察的因子替換正交試驗(yàn)表的水平因子，則得磁鼓電機(jī)輸出力矩的試驗(yàn)計劃與試驗(yàn)結(jié)果，見表4。

2.5 數(shù)據(jù)的直觀分析

2.5.1 尋找最好的試驗(yàn)條件

通過對各因子的水平均值的計算（過程及方法略去），統(tǒng)計結(jié)果見表5。

通過上表可知，使指標(biāo)達(dá)到最大的條件是A2B2C3即充磁量取1100×10-4特，定位角度取11度，定子線圈取90匝可以使輸出力矩達(dá)到最大。

2.5.2 各因子對指標(biāo)影響程度大小的分析

從下表各因子試驗(yàn)結(jié)果的極差來看，這里指的一個因子的極差是該因子不同水平對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果均值的最大值與最小值的差，因?yàn)樵撝荡蟮脑挘瑒t改變這一因子的水平會對指標(biāo)造成較大的變化，所以該因子對指標(biāo)的影響大，反之，影響就小。從三個因子的極差可知，因子B的影響最大，其次是因子A，而因子C的影響最小。

2.5.3 各因子不同水平對指標(biāo)的影響圖（均值）

為了直觀起見，可以將每個因子不同水平下試驗(yàn)的均值化成一張圖（見下圖），從圖上可以明顯看出每一因子的最好水平是A2、B2、C3，也可以看出各因子對指標(biāo)影響的大小，RB>RA>RC。

表4 磁鼓電機(jī)輸出力矩試驗(yàn)計劃與試驗(yàn)結(jié)果

表5 磁鼓電機(jī)輸出力矩直觀分析計算表（均值和極差）

圖3

2.6 數(shù)據(jù)的方差分析

在數(shù)據(jù)的直觀分析中是通過極差的大小來評價各個因子對指標(biāo)影響的大小，那么極差要小到什么程度可以認(rèn)為該因子水平變化對指標(biāo)已經(jīng)沒有顯著的差別呢？為了回答這一問題，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

在方差分析中，我們假定每一試驗(yàn)是獨(dú)立進(jìn)行的，每一試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)指標(biāo)服從正態(tài)分布，這些分布的均值與試驗(yàn)的條件有關(guān)，可能不等，但它們的方差是相等的。

經(jīng)“平方和分解”、“F比”等的計算（過程略），統(tǒng)計結(jié)果見表6和表7。

由于FA大于F0.90(2,2)=9.0，F(xiàn)B大于F0.95(2,2)=19.0，因此因子A與B分別在顯著性水平0.10與0.05上是顯著的，而因子C不顯著。

分析表6和表7可知：對顯著因子應(yīng)該選擇其最好的水平，因?yàn)槠渌阶兓瘯斐芍笜?biāo)的顯著不同以任意選擇水平，實(shí)際中?？筛鶕?jù)降低成本、操作方便等來考慮其水平的選擇。

在本例中因子A與B是顯著的，所以要選擇其最好的水平，按前所述，應(yīng)取A2B2；對因子C可以選任意水平，譬如為了節(jié)約材料可選C1。將此最佳條件記為A2B2或A2B2C,由于C不顯著，故可不寫，若寫的話，無下標(biāo)，表示可根據(jù)節(jié)省時間、節(jié)約消耗等實(shí)際情況取三個水平中某一個。

表6 磁鼓電機(jī)輸出力矩直觀分析及方差計算表

表7 磁鼓電機(jī)輸出力矩的方差分析表（F比）

表8 磁鼓電機(jī)輸出力矩的方差分析表（貢獻(xiàn)率）

2.7 因子的貢獻(xiàn)率分析

當(dāng)試驗(yàn)指標(biāo)不服從正態(tài)分布時，進(jìn)行方差分析的依據(jù)就不夠充足，此時可以通過比較各因子的“貢獻(xiàn)率”來衡量因子作用的大小。

由于S因中除了因子的效應(yīng)外，還包含誤差，從而稱S因-f因MSe為因子的純(離差)平方和，稱因子的純平方和與ST的比為因子的貢獻(xiàn)率。而稱 fTMSe/ST為誤差的貢獻(xiàn)率。本例中因子與誤差的貢獻(xiàn)率如表8所示。

從表中可知，因子B最重要，它的水平變化引起的數(shù)據(jù)波動在總平方和中占了72.80%，其次是因子A，而因子C的水平變化引起的數(shù)據(jù)波動還不及誤差引起的數(shù)據(jù)波動的貢獻(xiàn)率大，所以因子C可以認(rèn)為不重要。

2.8 驗(yàn)證試驗(yàn)

在磁鼓電機(jī)輸出力矩中找到的最佳條件是A2B2，即試驗(yàn)中的第5號試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果確為9次試驗(yàn)中指標(biāo)最高的。但在實(shí)際問題中分析所得的最佳條件不一定在試驗(yàn)中出現(xiàn)，為此通常需要進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，譬如選擇條件A2B2C1，該條件就不在所進(jìn)行的9次試驗(yàn)中，它是否真的符合要求？所以在實(shí)際中驗(yàn)證試驗(yàn)是不可少的，即使分析所得的最佳條件在試驗(yàn)中出現(xiàn)，也需要通過驗(yàn)證試驗(yàn)看其是否穩(wěn)定。

例如在磁鼓電機(jī)輸出力矩中對條件A2B2C1進(jìn)行了三次試驗(yàn)，結(jié)果分別為：233、240、220，其平均值為231看來該條件是滿意的。

3 一款月牙鎖的試驗(yàn)設(shè)計案例

針對一款月牙鎖的產(chǎn)品開發(fā)，我們做過一次僅改變彈簧材質(zhì)和熱處理工藝的單因素試驗(yàn)設(shè)計。

3.1 試驗(yàn)過程

產(chǎn)品開發(fā)工程師根據(jù)設(shè)計輸入的相關(guān)要求（如月牙鎖JG/T 130-2007的力學(xué)性能要求等），完成彈簧的圖紙設(shè)計，選定65Mn、70和T9A三種琴鋼絲（材質(zhì)成分見表9）制作。

要求供應(yīng)商提供65Mn、70和T9A的彈簧試樣各200件，然后從每200件中隨機(jī)抽取5件按JG/T 130-2007進(jìn)行反復(fù)啟閉試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表10和圖4、圖5、圖6和圖7。

從表10和上面4個圖片可知：

3.1.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與均值差別較小，說明彈簧質(zhì)量穩(wěn)定，不用再加大數(shù)量試驗(yàn)。

3.1.2 彈簧斷裂的位置幾乎完全一致，說明試驗(yàn)過程準(zhǔn)確。

3.1.3 只有T9A材質(zhì)的反復(fù)啟閉次數(shù)符合單點(diǎn)鎖閉器15000次的要求。

將T9A進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的極限測試，其均值可達(dá)22500次。于是，我們要求供應(yīng)商對彈簧的熱處理工藝進(jìn)行調(diào)整，再送65Mn和70的彈簧進(jìn)行試驗(yàn)，得到表11。

圖4

圖5

圖6

圖7

從更改熱處理工藝后，65Mn和70均能滿足單點(diǎn)鎖閉器15000次的要求，其平均壽命值是標(biāo)準(zhǔn)的1.13-1.2倍；而T9A可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的1.5倍。

表9 GB/T 4358—1995

表10 琴鋼絲試驗(yàn)次數(shù)統(tǒng)計表

表11 琴鋼絲試驗(yàn)次數(shù)統(tǒng)計表（更改熱處理工藝）

表12 被測試滑撐尺寸與模擬窗扇尺寸的關(guān)系

3.2 小結(jié)

彈簧雖然在設(shè)計階段完成了材料、應(yīng)力、線徑、有效圈數(shù)及疲勞強(qiáng)度的理論計算，但是與各個企業(yè)實(shí)際制造出來的還是有一定偏差。

4 關(guān)于滑撐試驗(yàn)設(shè)計方案的假設(shè)

JG/T 127-2007(建筑門窗五金件滑撐)中規(guī)定：外平開窗（扇寬度小于750mm），同時對滑撐與試驗(yàn)?zāi)M窗扇作了表12的規(guī)定。

由上面的信息可知，JG/T 127-2007對外平開窗滑撐沒有給出其最小和最大的窗高，沒有給出滑撐與窗寬、承重的要求或建議。大部分外平開窗滑撐生產(chǎn)廠家，根據(jù)滑撐的設(shè)計承重，多以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為主（正常按滑撐長度是窗扇寬的2/3，窗扇輕，滑撐可是窗寬的1/2）給出工程用窗的構(gòu)造尺寸。基于此，可對滑撐進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計，以找到其最佳的性能和適用的窗扇尺寸。

4.1滑撐試驗(yàn)設(shè)計目的：用試驗(yàn)指標(biāo)來判定滑撐的最佳性能（JG/T 127-2007的“反復(fù)啟閉”作為主要指標(biāo)），該試驗(yàn)指標(biāo)越大越好。

4.2明確因子與水平：影響滑撐整體性能的因子主要有窗寬、窗高和承重，根據(jù)滑撐種類，其因子水平見表13。

4.3將窗寬、窗高和承重當(dāng)成獨(dú)立無交互作用的因子來考核，選擇合適的正交表。以16寸滑撐為例，可根據(jù)實(shí)際工程使用情況，窗寬選擇600、700、800mm三種，窗高選擇900、1200、1500mm，承重選擇35、40和45Kg。

表13 平開滑撐窗寬、高及承重表

表14 16寸滑撐試驗(yàn)計劃表

4.4根據(jù)因子和因子水平，選擇L9(34)正交表，設(shè)計表頭，得出試驗(yàn)計劃，見表14。

4.5試驗(yàn)統(tǒng)計分析：因沒開展過具體試驗(yàn)，無相應(yīng)數(shù)據(jù)用來做數(shù)理統(tǒng)計分析。但根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可得：承重肯定是顯著因子，窗寬可能比窗高影響明顯。本應(yīng)做33=27個試驗(yàn)，但只做了9個，從正交試驗(yàn)的特點(diǎn)來看，也能得到16寸滑撐的窗寬、高和承重的最佳指標(biāo)；對已做的9個試驗(yàn)，基本能估算出16寸滑撐的窗扇尺寸應(yīng)用范圍。

4.6小結(jié)：上述試驗(yàn)是針對成品滑撐進(jìn)行的試驗(yàn)設(shè)計。而滑撐（見圖8）在開發(fā)階段時，影響其性能的因子與水平有；連桿的尺寸、材料，滑塊的尺寸、種類，滑塊與滑槽的配合尺寸，鉚釘?shù)姆N類、與連桿的配合尺寸等。進(jìn)行開發(fā)階段的試驗(yàn)設(shè)計，可固定窗扇的尺寸及承重，明確顯著因子對結(jié)果的影響，找到適合的設(shè)計方案，利于類似滑撐的設(shè)計開發(fā)工作。

圖8

5 試驗(yàn)設(shè)計的應(yīng)用范疇

5.1在產(chǎn)品設(shè)計階段，對影響評價指標(biāo)的主要部件（因子），如關(guān)鍵零件的尺寸、力學(xué)性能、材料、工藝等，列出質(zhì)量控制因子表，對重要因子進(jìn)行多方案的產(chǎn)品設(shè)計，然后根據(jù)簡單的產(chǎn)品或零件，就用單因素試驗(yàn)設(shè)計。因子和水平較多的產(chǎn)品或系統(tǒng)（如內(nèi)平開下旋五金系統(tǒng)、提升推拉系統(tǒng)），就用多因素（含交互作用）試驗(yàn)設(shè)計。

5.2在產(chǎn)品生產(chǎn)階段，由于人、機(jī)、環(huán)等引起的質(zhì)量波動，也同樣可用試驗(yàn)設(shè)計來解決質(zhì)量問題。

對于門窗五金配件，如傳動機(jī)構(gòu)用執(zhí)手、合頁、滑撐、單點(diǎn)鎖閉器、傳動鎖閉器等，根據(jù)JG標(biāo)準(zhǔn)要求，從實(shí)際使用的角度出發(fā)，主要是力學(xué)性能的測試（強(qiáng)度和反復(fù)啟閉等）。按試驗(yàn)設(shè)計流程，通過對影響產(chǎn)品性能的因子分析，絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家，都能通過自制和外購試驗(yàn)設(shè)備來完成產(chǎn)品的試驗(yàn)設(shè)計。

6 門窗五金配件的質(zhì)量控制

產(chǎn)品的質(zhì)量是設(shè)計、生產(chǎn)出來的。對于門窗五金配件的質(zhì)量控制，除了按ISO9001質(zhì)量管理體系的要求運(yùn)作外，應(yīng)著重抓產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)（含試驗(yàn)設(shè)計）工作。對于門窗五金配件的質(zhì)量控制，應(yīng)做好下面三點(diǎn)：

6.1組建優(yōu)秀的開發(fā)團(tuán)隊（設(shè)計和工藝），盡可能多的做幾套產(chǎn)品的設(shè)計方案（含零件），在企業(yè)現(xiàn)行條件下，選擇合適的試驗(yàn)設(shè)計方案來完成產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)。

“問渠哪得清如許，為有源頭活水來”。質(zhì)量控制，要抓設(shè)計源頭，而試驗(yàn)設(shè)計，被譽(yù)為世界級質(zhì)量管理工具。因此，各企業(yè)應(yīng)結(jié)合自身的實(shí)際情況，重視產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計（含工藝），重視試驗(yàn)設(shè)計的實(shí)際運(yùn)用，必定能保證產(chǎn)品質(zhì)量。

6.2做好產(chǎn)品自身的生產(chǎn)過程控制。

影響產(chǎn)品質(zhì)量的第二個重要環(huán)節(jié)，就是生產(chǎn)。在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，最關(guān)鍵的是要有符合產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝流程，其次是要嚴(yán)格執(zhí)行產(chǎn)品的工藝要求。

6.3有效、可控的監(jiān)督產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)。

對產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗(yàn)，是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的必要步驟。因此，在堅持貫徹質(zhì)量體系要求的同時，應(yīng)加強(qiáng)對產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)工藝執(zhí)行情況的監(jiān)督，加大對生產(chǎn)過程中工序加工能力的（Cp、Cpk）監(jiān)督，加強(qiáng)質(zhì)量管理人員對產(chǎn)品工藝的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)對質(zhì)量管理人員專業(yè)技能（質(zhì)量管理知識、數(shù)理統(tǒng)計方法、新老QC手法等）的培訓(xùn)。

廣東合和建筑五金制品有限公司）

TU532.65

B

1671-3362（2013）10-0082-05