婁巧蓮,郝景新,吳新鳳,聶鑫磊,孫德林

(中南林業(yè)科技大學材料科學與工程學院，長沙 410004)

封邊是板式家具生產(chǎn)中的一道重要工序，其作用是保護基材，防止水分進入和有害氣體的釋放，增強產(chǎn)品的穩(wěn)定性等，還能增加家具的審美價值，達到美化的效果[1]。封邊也是極易產(chǎn)生質量問題的工序之一。封邊時一旦產(chǎn)生崩邊、爆邊、脫膠等質量問題，板式家具零件就需要二次返修或報廢，浪費生產(chǎn)資源，影響生產(chǎn)效率。因此，需最大化地提升板材的封邊質量。隨著家居信息化管控技術逐漸成熟[2]，在封邊質量的管控中，很多學者運用科學的方法對封邊工藝及質量管控進行了研究[3-6]。熊先青等[7]通過統(tǒng)計分析方法，從直線封邊現(xiàn)狀入手，通過封邊材料、封邊膠合溫度、基材特性、基材尺寸等方面因素分析其對直線封邊質量的影響，提出了木家具直線封邊工段的質量管控方法。王軍[8]通過數(shù)理統(tǒng)計和回歸分析的方法，從設備速度、封邊條預留齊頭長度、封邊板材的形狀等方面進行控制研究，量化影響因素和封邊質量之間的關系，從而提出封邊質量控制意見。這些研究提出的封邊質量管控方法及意見大多是針對封邊基材或封邊材料，缺少從機械設備方面直接分析影響封邊質量的關鍵因素。而在實際生產(chǎn)中，有些封邊質量問題是由機械設備加工時造成的。

在設備加工時，傳統(tǒng)的修邊質量控制改善是調機師傅根據(jù)經(jīng)驗進行調控的，這種方法對操作人員的經(jīng)驗要求很高，因為封邊機在加工時，由于封邊設備機械結構復雜、控制參數(shù)繁多等特性，精準穩(wěn)定地控制板材的封邊質量較難實現(xiàn)。操作人員也很難判斷根據(jù)經(jīng)驗調整的控制參數(shù)是否是穩(wěn)定運行的最佳值，且無法預知運行時的異常，只能在質量問題發(fā)生后進行調整控制?！笆潞髾z驗”仍是質量管控的主要手段，此方法雖能找到不合格品, 但無法杜絕不合格品的出現(xiàn)，仍不能全面解決產(chǎn)品質量問題[9]。因此，需要有一種科學的統(tǒng)計控制方法，可以預警異常，判斷加工狀態(tài)是否穩(wěn)定。統(tǒng)計過程控制(statistical process control，SPC)，是用于在生產(chǎn)線上提高成品率和產(chǎn)品質量的一種重要工具。運用 SPC 可以消除引起過程變差的特殊原因， 使過程達到統(tǒng)計受控狀態(tài)，同時改進過程控制能力，使過程滿足工藝設計要求。應用SPC對修邊質量進行調控，通過控制部分的關鍵參數(shù)，可以有效提升修邊工序的過程能力，使板材的封邊質量在可控范圍內(nèi)，綜合提升修邊質量。

1 板材修邊質量問題及評判

板材封邊的外觀美觀性是衡量封邊質量的標準之一，修邊質量問題也是板材封邊時常見的問題之一。修邊是在全自動封邊機對板材封邊以后，對有邊角的地方進行修正，以達到和諧圓潤的效果。修邊工序單元結構是封邊機作業(yè)的核心功能部件，其修邊質量直接影響產(chǎn)品的封邊質量。板材常見的修邊質量問題主要有崩邊、刮邊過多或過少、刮傷等，如圖1所示。

圖1 修邊質量問題Fig. 1 Quality problems of trimming

崩邊是最常見且難以控制的質量問題之一，是板材表面因各種修邊而導致的貼面材料局部缺失現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在板材表面邊緣與封邊條接觸的部位。修邊過少時，封邊帶會高出板材平面；修邊過多時，會損傷板材表面，造成貼面材料局部缺失。刮邊質量問題表現(xiàn)為封邊條表面被刮傷或過多、過少刮邊，造成板材平面與封邊條邊緣不平整的問題。問題嚴重時需返修，嚴重影響生產(chǎn)效率[10]。

板材修邊后的狀態(tài)如圖2所示。圖2上方為板材與封邊條黏合修邊后的剖面圖，下方為板材與封邊條黏合修邊后封邊帶的細節(jié)放大圖。板材修邊后理想化的修邊厚度原則上等于板材厚度，用標準修邊厚度來表示。但板材封邊時經(jīng)過修邊和刮邊2個工步后，實際的板材修邊厚度由于上下修邊刀和刮刀加工時存在誤差的原因，封邊帶修邊后的邊緣存在波動性的誤差。封邊帶修邊后會存在最小修邊厚度和最大修邊厚度，而標準修邊厚度介于最大修邊厚度與最小修邊厚度之間。質量合格的封邊帶就是控制最小修邊厚度和最大修邊厚度在合理的限度內(nèi)，即控制最小修邊厚度不會修傷板材，控制最大修邊厚度不會修邊過多。定義修邊厚度偏差為最大修邊厚度與最小修邊厚度的差值，將修邊厚度偏差控制在合理的范圍內(nèi)就可以有效控制修邊質量。

圖2 修邊后的狀態(tài)Fig. 2 The status after trimming

測量板材封邊后在端面至少3個位置封邊帶的修邊厚度，測量值的最大差值即為修邊厚度偏差。修邊合格的判斷標準，要量化評判修邊質量，就需要量化修邊厚度偏差值的大小。偏差值一般沒有確定值，需要工廠根據(jù)實際生產(chǎn)設備條件和對質量的要求來設定。生產(chǎn)設備、板材厚度、封邊帶厚度的判斷標準不同，但可以通過測量統(tǒng)計和觀察，確定修邊厚度偏差。

隨機抽取A廠中板材厚度為12 mm的已封邊100件產(chǎn)品零件，任意測量其一邊的封邊帶修邊厚度偏差，統(tǒng)計結果如圖3所示。根據(jù)圖3及對修邊質量的放大觀察，板材修邊后：其厚度方向上的偏差在0.3 mm以上，則會產(chǎn)生可見瑕疵；偏差為0.2～0.3 mm可以滿足使用，但質量不佳；偏差在0.2 mm以內(nèi)則不會修傷板材，表面平整，滿足封邊的外觀要求。因此，本次測試以該標準來判斷分析修邊質量問題。

圖3 厚度偏差統(tǒng)計Fig. 3 Thickness deviation statistics

2 SPC分析

SPC是一種制造控制方法, 是將制造中的控制項目依其特性所收集的數(shù)據(jù)，通過控制圖及過程能力的分析，發(fā)掘過程中的異常，并采取改善措施，使過程恢復正常的方法[11]。

2.1 控制圖生成

SPC通常用控制圖來分析判斷數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)?？刂茍D是帶有控制界限的圖形工具，用于分析和判斷過程是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，以檢查異常波動或過程變異、估計過程參數(shù)和能力。當出現(xiàn)數(shù)據(jù)失控時，可及時查找原因并采取有效手段改善產(chǎn)品質量[12]。

2.1.1 原始數(shù)據(jù)收集

本次測試的全自動封邊機總功率為24.7 kW，板料寬度≥60 mm，進給速度為18～30 m/min，板料厚度為8～60 mm，封邊帶厚度為0.4～3.0 mm。

本批次封邊的板材厚度為12 mm，封邊帶厚度為1 mm、寬度為14 mm。在封邊機穩(wěn)定運行時，在連續(xù)工作的1個工作班次10 h內(nèi)每隔20 min隨機抽取5個產(chǎn)品零件作為子組樣本，共25組，測量其厚度偏差。測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 子組厚度偏差數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Subgroup thickness deviation data statistics mm

2.1.2 控制圖類型選擇

控制圖分為計量型控制圖和計數(shù)型控制圖。厚度偏差可以測出具體數(shù)值，因此選用計量型控制圖。根據(jù)計量型控制圖的選用原則，結合板材封邊工作的實際，在封邊機工作現(xiàn)場，做測量計算工作不方便，但可以在間隔時間內(nèi)從封邊流水線上拿到多個產(chǎn)品做每個子組的數(shù)據(jù)收集工作，因此選用均值-極差控制圖。

2.1.3 分析用控制圖的生成

將測得的厚度偏差數(shù)據(jù)導入Minitab軟件工作表中，點擊工具欄“統(tǒng)計”，在彈出的菜單欄中依次點擊“控制圖”“子組的質量控制圖”“Xbar-R”，設置檢驗為執(zhí)行所有特殊原因檢驗，可生成如圖4所示的樣本均值-極差(Xbar-R)控制圖。

圖4 分析用均值-極差控制Fig. 4 Xbar-R control for analysis

2.2 均值-極差控制圖分析

控制圖可視為由正態(tài)分布圖逆時針旋轉90°獲得，并將正態(tài)分布圖的μ、μ+3σ、μ-3σ分別定義為控制圖的中心線(central line，CL)、控制上限(upper control line，UCL)和控制下限(lower control line，LCL)，再將CL到UCL及LCL區(qū)間劃分為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)等3個區(qū)域，如圖5所示。

圖5 正態(tài)分布與控制Fig. 5 Normal distribution and control

當均值-極差控制圖的數(shù)據(jù)出現(xiàn)以下異常判斷準則中的情況之一時，說明在制造過程中存在特殊原因，需立即采取措施予以消除，確保過程處于控制狀態(tài)[13]：

1)1點落在控制限之外，說明過程中出現(xiàn)了單個失控，如測量誤差、設備故障等；

2)連續(xù)9點落在中心線同一側，說明過程中心發(fā)生了偏移，應及時調整設備；

3)連續(xù)6點連續(xù)遞增或遞減，說明工具逐漸磨損，應及時更換刀具；

4)連續(xù)14個相鄰點上下交替，說明存在不同人員輪流操作；

5)連續(xù)3點中有 2點落在中心線同一側的B區(qū)之外，說明過程中參數(shù)μ發(fā)生了變化；

6)連續(xù)5點中有 4點落在中心線同一側的C區(qū)之外，說明過程中參數(shù)μ發(fā)生了變化；

7)連續(xù)15點落在C區(qū)之內(nèi)，說明過程中參數(shù)σ發(fā)生變化，數(shù)據(jù)虛假、分層不夠，需要嚴格論證數(shù)據(jù)有效性；

8)連續(xù)8點落在中心線兩側，但無1點在C區(qū)之內(nèi)，說明數(shù)據(jù)分層不夠。

分析生成的厚度偏差控制圖，根據(jù)均值-控制圖的異常判斷標準，檢驗出不合格點14和15，滿足第2條異常判斷標準。不合格理由是連續(xù)9點在中心線同一側，表明這些數(shù)據(jù)的均值在9個連續(xù)子組內(nèi)處于中心線和下極限控制線內(nèi)，預示板材厚度偏差的均值有連續(xù)性偏小的趨勢。不合格點19滿足第5條異常判斷標準，不合格理由是連續(xù)3點中有2點距離中心線超過2個σ，落在了B區(qū)以外。這表明子組19的數(shù)據(jù)均值超過了2個標準差，預示板材厚度偏差的均值偏大，存在導致均值偏大的原因。

3 關鍵參數(shù)調控及修邊工序過程能力分析

3.1 關鍵點參數(shù)分析及調控

通過對控制圖的分析找到了加工過程中的異常點，進一步分析可知，測量不合格點14和15，以及子組19的板材厚度均為12 mm，排除了板材的原因。這說明厚度偏差的異常是由修邊和刮邊工步導致的，需要討論封邊機的修邊工步和刮邊工步的關鍵控制參數(shù)。修邊工藝及修邊設備如圖6所示。

圖6 修邊工藝及修邊設備Fig. 6 Trimming technology and equipment

修邊設備的工作原理是由高頻電機帶動的銑刀，通過垂直靠模輪和水平靠模輪定位，使刀具達到適當位置，銑削去上下邊多余的封邊材料。刮邊工藝及刮邊設備如圖7所示。

圖7 刮邊工藝及刮邊設備Fig. 7 Cutting technology and equipment

刮邊設備的工作原理是通過垂直靠模輪和水平靠模輪定位刮刀的位置，除去前面工序中留在封邊條上的刀痕。切削量一般較小，在0.2 mm左右[14]。

根據(jù)封邊機的修邊工步和刮邊工步的系統(tǒng)結構及工作原理[15-16]，近一步細化分析關鍵點參數(shù)控制，如表2所示。

根據(jù)上述關鍵點參數(shù)控制方法，結合均值-極差控制圖的分析，對此次試驗中的封邊機設備做如下調控措施。

1)不合格點14和15預警加工過程中刀具中心發(fā)生偏移。檢測修邊刀刀軸的徑向跳動，將檢驗圓盤安裝在刀具軸上，用指示表檢測檢驗圓盤的最大半徑處，指示表讀數(shù)的最大差值為測量值，要求徑向跳動誤差在0.03 mm以內(nèi)。

2)不合格點19預警加工過程中均值發(fā)生偏移。調整修邊和刮邊靠模輪的相對位置，使刀具接觸工件表面，使接觸間隙控制在0.1 mm左右。

3)更換刮邊刀具。

3.2 工序過程能力分析

依據(jù)上述措施進行改進后，重新收集25組數(shù)據(jù)并生成控制圖，如圖8所示。

由圖8可知，改善后修邊加工的異常波動因素得以排除，加工過程穩(wěn)定并處于受控狀態(tài)，修邊加工的尺寸精度得到有效控制和提升。此外，利用Minitab軟件可生成修邊過程能力分析圖。點擊工具欄“統(tǒng)計”，在彈出的菜單欄中依次點擊“質量工具”“能力分析”，設置規(guī)格下限參數(shù)為0，規(guī)格上限參數(shù)為0.24，生成過程能力報告，如圖9所示。

圖8 均值-極差控制Fig. 8 Xbar-R control

圖9 改善前后修邊工序的過程能力報告Fig. 9 The process capability report of trimming process before and after improvement

圖9中：Pp為過程性能指數(shù)，反映了滿足工序質量要求的程度；Cp為過程能力指數(shù)，反映了該工序的過程能力。對比改善前后的過程能力報告圖，其過程能力明顯提升。在改進后的過程能力報告中，Cp由改善前的0.74提升到1.00，根據(jù)過程能力評定表1.00≤過程能力指數(shù)<1.33，屬于過程能力尚可。應進一步提高技術管理能力[17]，可將改進后的控制圖轉為控制用控制圖，用于監(jiān)控加工過程。

綜上所述，SPC的使用對板材的修邊加工過程可有效進行分析評價，判斷運行狀態(tài)是否穩(wěn)定。根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)信息及時發(fā)現(xiàn)運行過程中關鍵參數(shù)波動的異常趨勢，從而快速采取措施消除其影響，達到提前預防的目的，使得封邊工序過程參數(shù)波動的影響維持在僅受隨機性因素影響的受控狀態(tài)，達到控制產(chǎn)品質量的目的。

4 結 語

基于統(tǒng)計過程控制的板式家具封邊工序修邊質量調控，通過討論板材封邊時出現(xiàn)的典型質量問題，研究封邊機的修邊工藝及系統(tǒng)結構。運用SPC對一批封邊板材進行分析，識別出了影響修邊質量的控制關鍵，并通過分析封邊機結構原理及機械系統(tǒng)結構，控制影響修邊質量的關鍵參數(shù)，極大提升了封邊機修邊加工工序過程能力，使板材的封邊質量在可控范圍內(nèi)，綜合提升了板材封邊質量。

1)基于SPC技術的板式家具封邊工序修邊質量調控，能將傳統(tǒng)修邊質量調控的“事后檢驗”處理方式轉變?yōu)椤笆虑邦A防”的處理方式，有效降低產(chǎn)品的不合格率。

2)在運用SPC技術時，通過均值-極差控制圖分析板材封邊后的修邊厚度偏差，能檢測到運行時的異常波動，判斷運行狀態(tài)是否穩(wěn)定，給封邊機修邊的“預防性調控”提供參考。

3)通過應用SPC技術調控板材的修邊質量，使修邊工序的過程能力指數(shù)從0.74提升到了1.00，綜合提升了板材修邊工序的過程能力，提升了產(chǎn)品的修邊質量。

經(jīng)本次試驗探索，在對板材進行修邊質量控制時，使用SPC技術是切實可行的，這為企業(yè)管控產(chǎn)品質量提供了新思路；此外，也可探索SPC技術應用于其他工藝進行質量控制。未來企業(yè)在應用SPC技術控制產(chǎn)品質量時，將更趨向于數(shù)字化的控制，通過傳感器收集質量數(shù)據(jù)信息，利用軟件分析質量數(shù)據(jù)信息，預警數(shù)據(jù)異常狀況人工處理，或將數(shù)據(jù)信息轉化為電信號直接控制設備運行狀態(tài)，數(shù)字化地管控產(chǎn)品質量。