（共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021）

關(guān)鍵字：鑄造過(guò)程；關(guān)鍵參數(shù)；SPC；控制圖

鑄造是制造業(yè)的重要組成部分，也是先進(jìn)制造技術(shù)的重要內(nèi)容。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，鑄造技術(shù)也在迅速發(fā)展，但由于鑄造過(guò)程的復(fù)雜性，當(dāng)前鑄造企業(yè)面臨高成本、低效率、低效益等諸多問(wèn)題，同時(shí)顧客對(duì)于鑄件質(zhì)量要求卻越來(lái)越高，鑄件必須滿足其力學(xué)，物理性能以及不同的強(qiáng)度、硬度和韌性相配合的綜合性能。鑄造過(guò)程的質(zhì)量管理是鑄造企業(yè)面臨的重點(diǎn)難題之一。伴隨當(dāng)前的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)爭(zhēng)取顧客訂單和取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在。鑄造行業(yè)將逐步走向數(shù)據(jù)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化時(shí)代，通過(guò)SPC 統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的應(yīng)用，更好的與當(dāng)前數(shù)據(jù)化，數(shù)字化和智能化的趨勢(shì)相結(jié)合，使得鑄造企業(yè)準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品制造過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題，降低資源消耗、控制質(zhì)量成本，最終有效的提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1 SPC 的發(fā)展與目的

SPC 是Statistic Process Control 的英文縮寫(xiě)，即為統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制，是用于生產(chǎn)線上提高成品率和產(chǎn)品質(zhì)量的一種重要工具。SPC 運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，研究過(guò)程和在生產(chǎn)線的產(chǎn)品狀態(tài)，從而反饋出整個(gè)制造過(guò)程的能力和性能指標(biāo)，從而促進(jìn)其改進(jìn)。最早在1920 年美國(guó)W.A.Shewhart 博士首創(chuàng)過(guò)程控制理論以及監(jiān)控過(guò)程的工具——控制圖，因其用法簡(jiǎn)單，并且效果顯著，成為品質(zhì)管理不可缺少的主要工具。其后SPC 迅速得到應(yīng)用發(fā)展，1950 年質(zhì)量管理大師戴明博士在日本工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中全面推行了SPC；1970 年在日本有效地推行“QC 圈”和應(yīng)用統(tǒng)計(jì)技術(shù)；1980 年美國(guó)等其他國(guó)家緊隨日本的步伐，開(kāi)始推行“QC 小組”和統(tǒng)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用；同時(shí)MOTOROLA 公司頒布“QC 挑戰(zhàn)”，通過(guò)SPC 的實(shí)施改進(jìn)過(guò)程能力，并提出追求“6σ”目標(biāo)。1987 年ISO9000 標(biāo)準(zhǔn)建立并頒布實(shí)施，明確要求實(shí)施統(tǒng)計(jì)技術(shù)。

運(yùn)用SPC 可以消除引起過(guò)程變差的特殊原因，使過(guò)程達(dá)到統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)，同時(shí)改進(jìn)過(guò)程控制能力，使過(guò)程滿足工藝設(shè)計(jì)要求，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程監(jiān)控維持統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)。SPC 的使用對(duì)于鑄造企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程可以有效進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵過(guò)程中的參數(shù)波動(dòng)異常趨勢(shì)，從而快速采取措施消除其影響，使得鑄造過(guò)程參數(shù)波動(dòng)的影響維持在僅受隨機(jī)性因素影響的受控狀態(tài)，從而達(dá)到控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

2 控制圖的基本準(zhǔn)則

2.1 休哈特“3σ 準(zhǔn)則”

在SPC 統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制中，控制圖是有效的工具之一?？刂茍D的基本準(zhǔn)則采用休哈特“3σ 準(zhǔn)則”。由于過(guò)程波動(dòng)具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，在整個(gè)過(guò)程中存在普通原因和特殊原因。當(dāng)過(guò)程輸出的變差只存在普通原因時(shí)，過(guò)程是統(tǒng)計(jì)受控的，其分布是可預(yù)測(cè)的，稱其過(guò)程處于“統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)”。當(dāng)過(guò)程的輸出特殊原因存在時(shí)，過(guò)程處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其輸出的分布是不可預(yù)測(cè)的。當(dāng)整個(gè)過(guò)程受控時(shí)，根據(jù)中心極限定理，總體質(zhì)量特性服從正態(tài)分布。正態(tài)分布的特征直觀上就是大多數(shù)數(shù)值集中在中心位置，越往邊緣個(gè)體數(shù)越少，在正態(tài)分布±3σ 范圍內(nèi)包含99.73%的觀察值，即超出正負(fù)3σ 范圍發(fā)生的概率為0.27%.SPC 正是利用過(guò)程波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性對(duì)過(guò)程進(jìn)行分析控制。

2.2 鑄造過(guò)程參數(shù)的樣本控制

鑄造過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)的控制應(yīng)符合控制圖的相關(guān)準(zhǔn)則要求。企業(yè)依據(jù)客戶產(chǎn)品的公差上下限，應(yīng)該設(shè)置其所對(duì)應(yīng)的工序上下限或控制上下限，如圖1 所示。鑄件在生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)的穩(wěn)定波動(dòng)在控制限內(nèi)，各項(xiàng)參數(shù)樣本均值將更接近于±3σ的范圍，從而確保生產(chǎn)過(guò)程可控。

圖1 樣本均值分布示意圖

3 控制圖的選擇

通常數(shù)據(jù)類型可以分為計(jì)量型數(shù)據(jù)和計(jì)數(shù)型數(shù)據(jù)。鑄件在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中所涉及到的如型砂強(qiáng)度、化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、鑄件尺寸、重量等都屬于計(jì)量型數(shù)據(jù)，類似數(shù)據(jù)常見(jiàn)的用正態(tài)分布，指數(shù)分布以及均勻分布等。而計(jì)數(shù)型數(shù)據(jù)如在鑄件檢驗(yàn)過(guò)程中檢驗(yàn)一批產(chǎn)品共100 件，其中有5 件不合格的數(shù)據(jù)類型，通常表現(xiàn)為二項(xiàng)分布或泊松分布。企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)控制上下限，對(duì)于樣本數(shù)據(jù)控制圖的判斷準(zhǔn)則分區(qū)參考圖2，并根據(jù)上下限關(guān)系可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)控制圖中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，說(shuō)明在制造過(guò)程中存在特殊原因，需立即采取措施予以消除從而確保過(guò)程處于控制狀態(tài)。

1）1點(diǎn)落在控制限之外；

2）連續(xù)9 點(diǎn)落在中心線同一側(cè)；

3）連續(xù)6 點(diǎn)遞增或遞減；

4）連續(xù)14 點(diǎn)相鄰點(diǎn)上下交替；

5）連續(xù)3 點(diǎn)中有2 點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的B區(qū)之外；

6）連續(xù)5 點(diǎn)中有4 點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的C區(qū)之外；

7）連續(xù)15 點(diǎn)落在C 區(qū)之內(nèi)；

8）連續(xù)8 點(diǎn)落在中心線兩側(cè)，但無(wú)1 點(diǎn)在C 區(qū)之內(nèi)。

在進(jìn)行控制圖對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制時(shí)，為快速有效的使用正確的控制圖，可根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同，對(duì)常用控制圖可分為計(jì)量值控制圖和計(jì)數(shù)值控制圖兩類，如表1 所示兩類控制圖中對(duì)應(yīng)的控制圖名稱及其特點(diǎn)和適用條件。

4 鑄造過(guò)程關(guān)鍵控制點(diǎn)和關(guān)鍵控制參數(shù)的確定

4.1 鑄造過(guò)程關(guān)鍵控制點(diǎn)和控制參數(shù)的確定

關(guān)鍵控制點(diǎn)是產(chǎn)品整個(gè)設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)影響產(chǎn)品最終質(zhì)量的重要工序和節(jié)點(diǎn)要素。在鑄造過(guò)程中，鑄件產(chǎn)品設(shè)計(jì)、鑄造工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)以及質(zhì)量策劃過(guò)程中，為有效控制鑄件最終質(zhì)量，可以識(shí)別出鑄件產(chǎn)品的關(guān)鍵控制點(diǎn)并設(shè)定其對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵控制參數(shù)，并將相關(guān)參數(shù)定義為CTQ（Critical To Quality）用于最終的SPC 統(tǒng)計(jì)過(guò)程分析和控制。關(guān)鍵控制點(diǎn)的識(shí)別和關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定可以遵循圖3 所示步驟進(jìn)行確定。

表1 常用控制圖分類

圖3 鑄件關(guān)鍵控制點(diǎn)及控制參數(shù)確定步驟簡(jiǎn)圖

4.2 鑄造過(guò)程關(guān)鍵控制點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)的可能的控制參數(shù)

通常情況下，鑄造企業(yè)能夠識(shí)別出過(guò)程中的關(guān)鍵控制點(diǎn)及關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，但絕大部分企業(yè)仍然停留在數(shù)據(jù)測(cè)量過(guò)程中，而未對(duì)相關(guān)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析以找出其中的變異點(diǎn)，從而可以事前預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。根據(jù)上述識(shí)別步驟，鑄造過(guò)程的重點(diǎn)控制點(diǎn)和控制參數(shù)列舉見(jiàn)表2，如鑄造過(guò)程的混砂工序?qū)τ诋a(chǎn)品最終內(nèi)在和表面質(zhì)量有很大的作用，而其關(guān)鍵控制點(diǎn)在于加料順序是否正確、是否按要求進(jìn)行配比、混砂工藝參數(shù)是否準(zhǔn)確設(shè)定等，都會(huì)對(duì)產(chǎn)品最終質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此對(duì)該關(guān)鍵控制點(diǎn)設(shè)定如型砂溫度、型砂強(qiáng)度、可操作時(shí)間以及液料配比和加入量等參數(shù)，從而通過(guò)監(jiān)控參數(shù)波動(dòng)來(lái)保證過(guò)程質(zhì)量。

表2 鑄造過(guò)程的可能控制點(diǎn)及控制參數(shù)

5 SPC 統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制應(yīng)用案例

5.1 利用SPC 控制圖監(jiān)控鑄造過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)

如上所述，鑄造過(guò)程中由于其特殊性，無(wú)法對(duì)其過(guò)程質(zhì)量進(jìn)行直觀的監(jiān)測(cè)和測(cè)量。因此，對(duì)于產(chǎn)品鑄造過(guò)程的質(zhì)量監(jiān)控通過(guò)采用設(shè)置控制點(diǎn)及控制參數(shù)的方法，通常對(duì)于鑄件生產(chǎn)的全過(guò)程計(jì)量型數(shù)據(jù)都可以利用控制圖，如型砂強(qiáng)度，型砂溫度，型砂可操作時(shí)間等可以利用控制圖（如圖4）監(jiān)控波動(dòng)情況，并依據(jù)上述的判定準(zhǔn)則，該工廠混砂機(jī)月度型砂強(qiáng)度雖全部在控制下限以上，單個(gè)樣本數(shù)據(jù)看型砂強(qiáng)度全部合格，當(dāng)使用控制圖時(shí)發(fā)現(xiàn)該混砂機(jī)型砂強(qiáng)度連續(xù)多點(diǎn)在中心線以下，且多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)靠近控制下限，其型砂強(qiáng)度控制呈現(xiàn)異常趨勢(shì)和潛在不合風(fēng)險(xiǎn)，因此需要快速反應(yīng)對(duì)該混砂機(jī)相關(guān)參數(shù)設(shè)定、液料配比和加入量進(jìn)行進(jìn)一步分析，找出異常原因并采取應(yīng)對(duì)措施。

圖4 混砂機(jī)型砂強(qiáng)度控制圖

圖5 某產(chǎn)品Si 元素過(guò)程能力分析報(bào)告

圖6 某產(chǎn)品主要元素Xbar-R 分析結(jié)果

5.2 利用SPC 控制圖對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析

可以有效運(yùn)用SPC 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析，找出過(guò)程偏差定義根本原因，從而有效解決鑄造缺陷。如有一企業(yè)生產(chǎn)的某鑄件產(chǎn)品在顧客處加工后發(fā)現(xiàn)縮松缺陷后，利用常規(guī)的統(tǒng)計(jì)分析，只對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)數(shù)據(jù)波動(dòng)規(guī)格上下限很小時(shí)，不能完全看出其過(guò)程參數(shù)的波動(dòng)情況及異常趨勢(shì)，從而無(wú)法準(zhǔn)確定義原因和措施。而在利用SPC統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制分析時(shí)，首先對(duì)鑄件缺陷的生產(chǎn)日期進(jìn)行確定后，收集產(chǎn)品缺陷產(chǎn)生前后一段時(shí)期內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)（例如：抗拉強(qiáng)度、硬度、化學(xué)成分、澆注溫度），并將所有數(shù)據(jù)回歸到具體的生產(chǎn)月份，之后以生產(chǎn)時(shí)間分階段利用Minitab 中的Xbar-R 圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。最終通過(guò)對(duì)該鑄件產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度及關(guān)鍵的化學(xué)成分參數(shù)進(jìn)行Cpk 統(tǒng)計(jì)分析后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在一段時(shí)期內(nèi)其對(duì)應(yīng)的Cpk 過(guò)程能力指數(shù)明顯低于可控范圍，如圖5 所示；同時(shí)相對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分Si 含量，Cr 含量以及Cu 含量等出現(xiàn)了明顯波動(dòng)。如圖6a）所示，該產(chǎn)品Cr 元素在控制初期201706 至201902 階段呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)且控制不穩(wěn)定；如圖6b）所示該產(chǎn)品Si 元素在控制初期201706 至201901 階段出現(xiàn)了連續(xù)下降或上升的波動(dòng)趨勢(shì)；如圖6c）所示Cu 元素在控制初期也出現(xiàn)了波動(dòng)。因此，通過(guò)分析產(chǎn)品出現(xiàn)縮松波動(dòng)的主要原因是Si、Cr、Cu 三種元素波動(dòng)造成，通過(guò)對(duì)Si 含量、Cu 含量以及Cr 含量的調(diào)整控制后，自201902 階段后整體控制波動(dòng)穩(wěn)定，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證后，并通過(guò)顧客處加工驗(yàn)證反饋，縮松問(wèn)題得以解決，同時(shí)，自調(diào)整改進(jìn)后，連續(xù)生產(chǎn)超過(guò)2000 件未出現(xiàn)傾向性的缺陷波動(dòng)。

6 鑄造企業(yè)在利用SPC 中常見(jiàn)的問(wèn)題

1）沒(méi)有一定數(shù)量的6Sigama 黑帶和綠帶支持企業(yè)具備有效的推進(jìn)和應(yīng)用SPC 等相關(guān)數(shù)據(jù)分析能力；沒(méi)有很好地利用和發(fā)揮6Sigama 黑帶和綠帶的作用。同時(shí)，未能有效識(shí)別關(guān)鍵控制點(diǎn)及控制參數(shù)，沒(méi)有相關(guān)的程序制度支持推行SPC.

2）使用過(guò)程中由于測(cè)量系統(tǒng)不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)存在問(wèn)題或分析方法不正確，導(dǎo)致分析結(jié)果與實(shí)際不一致。在使用SPC 控制圖時(shí)，過(guò)程不穩(wěn)定直接進(jìn)行控制，從而失去控制狀態(tài)的意義。

3）對(duì)于規(guī)格線和控制線概念混淆。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)出來(lái)后，規(guī)格線已經(jīng)確定，也就是產(chǎn)品的接收標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確定，對(duì)于鑄件來(lái)講，通常規(guī)格線是由顧客在圖紙和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)確定的；而控制線是在鑄造過(guò)程設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定的過(guò)程偏差。在使用控制圖時(shí)，控制圖上的單值的變動(dòng)只能判斷過(guò)程是否穩(wěn)定受控，與產(chǎn)品的規(guī)格線沒(méi)有任何的聯(lián)系，只決定于生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際偏差。

4）對(duì)于SPC 統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的應(yīng)用浮于表面，短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的價(jià)值而放棄推行。沒(méi)有有效利用控制圖來(lái)改善過(guò)程變異，通常在鑄件生產(chǎn)過(guò)程中只記錄了控制圖，而沒(méi)有有效利用控制圖的判定準(zhǔn)則，對(duì)過(guò)程參數(shù)的變異點(diǎn)進(jìn)行有效分析，并采取措施及時(shí)改善。

7 結(jié)語(yǔ)

質(zhì)量作為企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵要素，應(yīng)用SPC 已經(jīng)成為企業(yè)生存的基本需求。傳統(tǒng)觀念把鑄件最終的檢驗(yàn)作為質(zhì)量保證的手段，這種情況下只能事后判斷，作為傳統(tǒng)制造業(yè)的鑄造企業(yè)正在逐步向數(shù)據(jù)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的高質(zhì)量發(fā)展方向轉(zhuǎn)型升級(jí)，而通過(guò)進(jìn)一步引入或建立自身的SPC 統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制軟件，與當(dāng)前數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化發(fā)展所帶來(lái)的的大數(shù)據(jù)相結(jié)合，能夠?qū)θ^(guò)程監(jiān)控，并提倡全系統(tǒng)參與，并利用科學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，極大的發(fā)揮數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布的指導(dǎo)作用，從而提前預(yù)防鑄造過(guò)程中不合格品的出現(xiàn)，降低鑄造企業(yè)的制造成本，提高企業(yè)運(yùn)行效率。