劉鵬飛，朱 雷，張廣偉

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 工業(yè)與智能中心，河南 鄭州 450007)

退遮蔽處理主要是利用有機(jī)溶劑和堿性活化劑對油墨層進(jìn)行滲透、溶解、溶脹，破壞油墨層對基材的附著力，并通過化學(xué)反應(yīng)破壞油墨層的空間結(jié)構(gòu)，使油墨層中的高分子鏈斷裂，從而使油墨層從基材上剝離。

某公司一款鋁合金手機(jī)外殼在完成后蓋(Back Glass，BG)拋光處理后，需要對BG面噴涂一層厚度為30～50 μm的油墨遮蔽層(起防護(hù)作用)，以避免在后續(xù)數(shù)控機(jī)床(Computerised Numerical Control Machine，CNC)加工、搬運(yùn)過程中產(chǎn)生碰傷和刮傷；待CNC完成5-7夾的加工后，需要通過退遮蔽處理去除油墨遮蔽層，為陽極染色處理環(huán)節(jié)提供光潔、平整的表面。為滿足CNC加工過程的防護(hù)要求，在遮蔽環(huán)節(jié)的百格測試中，油墨附著力等級需達(dá)到4B以上。但在退遮蔽處理中，油墨殘留和浮水印卻成了長期困擾企業(yè)的難題。本文借助精益生產(chǎn)[1]和六西格瑪管理(簡稱精益六西格瑪)的理念、工具、方法，按照定義(Define)、測量(Measure)、分析(Analyze)、改進(jìn)(Improve)和控制(Control)5個階段(簡稱DMAIC)[2-3]，優(yōu)化工藝流程和工藝參數(shù)，以解決退遮蔽處理后產(chǎn)品的油墨殘留不良問題，降低企業(yè)的維修、報廢成本和訂單交付壓力。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

該款手機(jī)鋁制外殼采用龍門式清洗機(jī)進(jìn)行退遮蔽處理。其處理工序包括NaOH預(yù)處理、STP-01脫漆、C-02脫脂、超聲波水洗、烘干等。每道工序的反應(yīng)時間以及槽液的溫度、濃度、pH值等參數(shù)都是影響產(chǎn)品最終良率的因素。后制程陽極染色對產(chǎn)品表面的清潔度要求極高。為保障產(chǎn)品的良率，生產(chǎn)該款手機(jī)的企業(yè)每輪班需安排36名檢驗人員對退遮蔽處理的不良產(chǎn)品進(jìn)行攔截。而產(chǎn)品退遮蔽返修的成本高達(dá)5.6 元/件，會導(dǎo)致產(chǎn)品整體生產(chǎn)成本的顯著增加。相關(guān)生產(chǎn)部門雖多次嘗試解決該問題，但無法通過常規(guī)分析查找根本原因，退遮蔽處理的產(chǎn)品不良率一直未得到有效控制。

2 定義階段與測量階段

在DMAIC改善的定義階段，對連續(xù)2周內(nèi)退遮蔽處理產(chǎn)品的品質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)在687 682 件產(chǎn)品的統(tǒng)計樣本中，油墨殘留不良品數(shù)量累計為36 471件，占整個樣本數(shù)的5.3%，居所有不良項目(包括油墨殘留、浮水印、腐蝕點、碰刮傷和其他)的首位，在所有不良品中占59.5%。圖1所示為退遮蔽處理后產(chǎn)品不良項目的Pareto圖。結(jié)合生產(chǎn)實際，本文確定將油墨殘留不良品數(shù)量控制在退遮蔽處理產(chǎn)品總量的2.5%以內(nèi)為改善目標(biāo)。

圖1 退遮蔽處理后產(chǎn)品不良項目的Pareto圖

在DMAIC改善的測量階段，由生產(chǎn)部門提供30件產(chǎn)品樣本(包括24件良品、6件不良品)，并在樣本背面進(jìn)行編碼，隨機(jī)抽取3個產(chǎn)品質(zhì)檢員；讓各質(zhì)檢員分別對全部產(chǎn)品樣本進(jìn)行2次檢驗，得到180組檢驗數(shù)據(jù)；針對這3個檢驗員的檢驗數(shù)據(jù)，運(yùn)行Minitab軟件，輸出量具運(yùn)行圖(圖2)，并通過Fleiss的Kappa 統(tǒng)計量分析，進(jìn)行了不同檢驗員的檢驗結(jié)果一致性分析(圖3)。

圖2 針對3個檢驗員檢驗數(shù)據(jù)的量具運(yùn)行圖

圖3 不同檢驗員的檢驗結(jié)果一致性分析示意圖

分析可知，3個檢驗員的檢驗結(jié)果一致性較強(qiáng)，測量系統(tǒng)合格。

3 分析階段

在DMAIC改善的分析階段，借助因子篩選漏斗模型，通過流程分析查找退遮蔽處理的影響因子，并通過因果矩陣分析、失效模式與影響分析 (Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA)確定關(guān)鍵輸入變量，為下一階段的針對性改進(jìn)做準(zhǔn)備。因果矩陣分析結(jié)果如表1所示。

表1 因果矩陣分析結(jié)果

針對各工序的輸入變量，通過因果矩陣分析可確定影響油墨殘留的關(guān)鍵工序和關(guān)鍵輸入變量。關(guān)鍵工序為NaOH預(yù)處理和STP-01脫漆；關(guān)鍵輸入變量從得分高到低依次為NaOH預(yù)處理工序的斜插式掛具，STP-01脫漆工序的未剝離油墨層，NaOH預(yù)處理工序的槽液濃度、槽液溫度、反應(yīng)時間，以及STP-01脫漆工序的斜插式掛具、槽液濃度、槽液溫度、反應(yīng)時間，共9個[4]。

本文針對因果矩陣分析所得9個關(guān)鍵輸入變量(即關(guān)鍵因子)進(jìn)行FMEA，分嚴(yán)重性、發(fā)生率、可探測度3項，按1—10的得分值進(jìn)行了評定。FMEA的結(jié)果如表2所示。

表2 FMEA的結(jié)果

由FMEA原理可知，風(fēng)險系數(shù)(Risk Priority Number，簡稱R)=嚴(yán)重性得分×發(fā)生率得分×可探測度得分。由表2可知：退遮蔽處理采用斜插式掛具時R為210；對應(yīng)NaOH預(yù)處理過程槽液溫度、濃度和反應(yīng)時間，R均為168;對應(yīng)STP-01脫漆過程未剝離的油墨層，R為175。改進(jìn)階段應(yīng)重點圍繞R≥168 對應(yīng)的關(guān)鍵因子進(jìn)行優(yōu)化，而STP-01脫漆工序的其他輸入變量可在后期進(jìn)行規(guī)范[5]。

4 改進(jìn)階段

在DMAIC改善的改進(jìn)階段，要對斜插式掛具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對工藝流程和NaOH預(yù)處理工序各因子進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 掛具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

整個退遮蔽處理過程所用掛具為斜插式掛具框。其外框為不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)框為聚氯乙烯材質(zhì)。工件呈60°傾斜放入掛具中，與掛具內(nèi)框的接觸區(qū)域有4個。由于內(nèi)框與產(chǎn)品的接觸區(qū)域存在力的作用，在NaOH預(yù)處理、STP-01脫漆和C-02脫脂過程中，這4個接觸區(qū)域的油墨層與槽液不可能充分接觸并發(fā)生分解反應(yīng)，接觸區(qū)域中心點的油墨會受到掛具內(nèi)框的遮擋防護(hù)，油墨的高分子鏈很難在退遮蔽處理中完全斷裂，油墨對工件的附著力不會完全解除，脫漆劑也無法完全滲透并溶解油墨，導(dǎo)致接觸區(qū)域中心位置存在點狀的油墨殘留。

本文對同一掛具的40個試驗工件進(jìn)行了NaOH預(yù)處理，并針對所有預(yù)處理后的試驗工件，在各工件上選取2個相同的接觸區(qū)和2個相同的非接觸區(qū)進(jìn)行了百格測試。測試發(fā)現(xiàn)：接觸區(qū)域的油墨附著力為ASTM(Standard Test Methods for Measuring Adhesion by Tape Test)等級1B(指切口邊緣大片剝落，部分格子全部剝落，被剝落面積為35%～65%)的工件數(shù)量占工件總數(shù)的17.5%，為ASTM等級0B(指切口邊緣大片剝落、部分格子未全部剝落，被剝落面積大于65%)的工件數(shù)量占工件總數(shù)的82.5%；非接觸區(qū)域的油墨附著力均為ASTM等級0B。

通過改進(jìn)現(xiàn)有掛具結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)撐式掛具，工件與掛具之間的接觸點被移至工件內(nèi)腔，工件外部油墨層不接觸掛具更無任何接觸點，使槽液與油墨能充分反應(yīng)，將工件油墨殘留的不良率降到了1.5%。

4.2 工藝流程的優(yōu)化

在NaOH預(yù)處理后，工件表面的油脂經(jīng)過皂化反應(yīng)基本得以清除，油墨中的高分子鏈發(fā)生斷裂并被剝離，這有助于STP-01脫漆劑迅速滲透并溶解油墨；但在金屬與塑膠的接合縫隙處、按鍵孔中仍有油脂殘留。這些殘留油脂會對其周圍油墨產(chǎn)生很強(qiáng)的吸附作用，也會對 STP-01脫漆劑產(chǎn)生阻隔作用而削弱溶劑的分子滲透性，使溶解溶脹的作用變差。

為此，可將C-02脫脂工序前移至STP-01脫漆工序之前，通過超聲波脫脂處理除掉工件塑膠縫隙及按鍵孔中的殘留油脂；同時，通過C-02脫脂，進(jìn)一步去除油墨層的油脂，削弱油墨對基材的附著力，增強(qiáng)主溶劑的溶解力，使主溶劑能充分溶解油墨層,加大脫漆速度,改善退遮蔽處理的效果。

4.3 NaOH預(yù)處理工序各因子的優(yōu)化

4.3.1 實驗設(shè)置

在因果矩陣分析和FMEA的基礎(chǔ)上，可通過實驗對NaOH預(yù)處理的槽液濃度、槽液溫度和反應(yīng)時間進(jìn)行調(diào)整，以獲得最佳的油墨去除效果。NaOH預(yù)處理工序三因子兩水平的實驗設(shè)置情況如表3所示。

表3 NaOH預(yù)處理工序三因子兩水平的實驗設(shè)置情況

實驗借助Minitab軟件，采取隨機(jī)和重復(fù)化(角點復(fù)制兩次) 原則，兼顧 “均衡分散，整齊可比”的正交實驗特點，進(jìn)行了全因子實驗設(shè)計。該實驗共設(shè)置了23×2=16次具體實驗、7個效應(yīng)項(3個因子以及兩兩因子間的交互作用、3個因子的共同作用)。

4.3.2 實驗及結(jié)果分析

按實驗設(shè)置完成16次具體實驗，得到了表4所示的實驗結(jié)果。將實驗結(jié)果輸入Minitab軟件，可得到圖4所示標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pareto圖。

表4 實驗結(jié)果

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pareto圖

由圖4可看出，單個因子槽液濃度A和槽液溫度B，以及兩因子AB交互作用的標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)均跨越了對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)2.306%的統(tǒng)計顯著性參考線。

由實驗結(jié)果的估計效應(yīng)可算出：預(yù)測擬合優(yōu)度為76.85%，調(diào)整后的擬合優(yōu)度為89.15%。實驗結(jié)果的方差分析結(jié)果如表5所示。

表5 實驗結(jié)果的方差分析結(jié)果

由表5可知，槽液濃度、槽液溫度以及槽液濃度×槽液溫度的P值均小于0.05。由此可得到下列結(jié)論：單因子槽液濃度A和槽液溫度B是效應(yīng)顯著因子，且無失擬現(xiàn)象，而反應(yīng)時間C的效應(yīng)不顯著；槽液濃度A和槽液溫度B交互作用顯著，而AC、BC以及ABC的交互作用不顯著。

為便于對比，本文通過移除一些效應(yīng)項，對實驗過程進(jìn)行優(yōu)化，得出了優(yōu)化后標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)Pareto圖(圖5)、優(yōu)化后實驗結(jié)果的估計效應(yīng)和系數(shù)(表6)、優(yōu)化后實驗結(jié)果的方差分析結(jié)果(表7)。

圖5 優(yōu)化后標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)Pareto圖

表6 優(yōu)化后實驗結(jié)果的估計效應(yīng)和系數(shù)

表7 優(yōu)化后實驗結(jié)果的方差分析結(jié)果

由圖5可看出，單個因子槽液濃度A和槽液溫度B，以及因子AB交互作用的標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)均跨越了對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)2.262%的統(tǒng)計顯著性參考線。

分析表6、表7可知：優(yōu)化后擬合優(yōu)度為90%；在優(yōu)化后實驗結(jié)果的方差分析結(jié)果中，槽液濃度、槽液溫度以及槽液濃度×槽液溫度的P值均小于0.05。參考文獻(xiàn)[6]，根據(jù)優(yōu)化后實驗結(jié)果可得出下列最佳編碼方程式：實驗結(jié)果=0.029 500-0.006×槽液濃度-0.003 375×槽液溫度+0.003 375×槽液濃度×槽液溫度。

4.3.3 最優(yōu)參數(shù)設(shè)計與效果評價

為了進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)設(shè)計，本文采用Minitab的響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計功能，在響應(yīng)優(yōu)化器設(shè)置選項中選擇“望小”，將最大值設(shè)為2.5%，目標(biāo)值設(shè)為2.0%，經(jīng)計算機(jī)自動搜索得到了最優(yōu)參數(shù)的設(shè)計結(jié)果。在槽液濃度為90 g/L、槽液溫度為82.07 ℃、反應(yīng)時間為 5 min 的條件下，油墨殘留不良率可取得最小值2.34%。

為了驗證最優(yōu)參數(shù)設(shè)計的效果，可按最優(yōu)參數(shù)

(即槽液濃度90 g/L，槽液溫度82.07 ℃，反應(yīng)時間5 min)重新實驗，并隨機(jī)抽取10筐物料進(jìn)行全檢，統(tǒng)計不良率數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，油墨殘留不良率落在了95%預(yù)測區(qū)間內(nèi)。這說明所設(shè)計最優(yōu)參數(shù)有效。

5 控制階段

在DMAIC改善的控制階段，導(dǎo)入新型掛具，調(diào)整工藝流程，重新制定NaOH預(yù)處理工序和STP-01脫漆工序的作業(yè)指導(dǎo)書,調(diào)整槽液監(jiān)控規(guī)范和日常點檢表，并對設(shè)備操作員工進(jìn)行適當(dāng)培訓(xùn)，提高日常點檢的稽核要求，逐步完善作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和日常管理規(guī)范，以確保退遮蔽處理的產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性。

本文連續(xù)觀測并記錄24 d退遮蔽處理的產(chǎn)品品質(zhì)數(shù)據(jù)，繪制了圖6所示油墨殘留的單獨觀測值和移動極差控制曲線。

由圖6可看出，單獨觀測值和移動極差均在控制范圍內(nèi)(上限和下限之間)。這表明退遮蔽處理過程是受控制的，質(zhì)量改善的效果良好。

(a) 單獨觀測值控制曲線

6 結(jié) 語

本文基于精益六西格瑪?shù)睦砟?、工具和方法，重點解決某品牌手機(jī)鋁合金外殼退遮蔽處理的質(zhì)量問題；通過DMAIC改善，采用流程分析、因果矩陣分析、失效模式與影響分析，篩選了關(guān)鍵輸入變量；通過掛具結(jié)構(gòu)改進(jìn)、工藝流程優(yōu)化，并借助Minitab軟件進(jìn)行實驗設(shè)計，設(shè)計能達(dá)到目標(biāo)值的最優(yōu)參數(shù)，完善作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范，最終實現(xiàn)了對退遮蔽處理產(chǎn)品不良率的有效控制。