基于Minitab 的質量管理模式在航空零備件鍍覆中的應用

王猛 趙天永 任飛/石家莊海山實業發展總公司

0 引言

六西格瑪理論是一套建立在統計學基礎上的質量管理系統模式，其本質是不斷減少偏差，持續追求高品質。六西格瑪質量管理要求使用統計數據和分析方法對影響關鍵變量和最優目標進行確定。本文以航空零備件鍍覆質量改進為例，重點研究了如何應用六西格瑪Minitab工具收集數據、建立時間序列圖，并開展測量系統分析、過程能力分析、假設檢驗與回歸分析等統計與分析，對工序質量過程實施控制與改進。

1 六西格瑪系統方法

六西格瑪系統方法的基本目標是建立并實施以測量為依據的戰略，通過實施六西格瑪改善項目、改善流程、減少變異，其DMAIC（D－定義、M－測量、A－分析、I－改善和C－控制）過程能夠針對不能滿足質量要求的生產工藝進行改進或改變。

DMAIC 在測量階段從宏觀上展示和分析生產工藝的每一道工序，利用FMEA（失效模式與影響分析）等方法，從人、機、料、法、環、測六個方面深入尋找生產工藝中的問題，通過六西格瑪提供的分析比較方法，深入分析收集的數據并繪制流程圖，用科學的、統計的方法確定造成生產工藝水平不足或導致質量問題的根本原因。抓住根本原因，確立為達到目標水平所需的運作指標。在改善階段采用具體改進措施提高生產工藝。當生產工藝得到改進時，用六西格瑪在控制階段的方法和手段對重要參數進行標準化管理。

2 應用實例

2020 年9 月至2021 年3 月，某型航空用螺栓鍍鋅共交付80件，一次交檢合格率為68.75%，其中因鍍鋅厚度超差的占76%，客戶滿意度降低。為此成立質量改進項目組，確定六西格瑪改善項目，通過數據收集、分析工藝參數與方法、跟蹤操作現場，查找導致鍍鋅厚度不合格的根本原因并加以改進，以提高該型螺栓鍍鋅厚度的一次交檢合格率。項目指標（Y）鍍鋅厚度的時間序列圖如圖1 所示。

圖1 項目指標（Y）的時間序列圖

2.1 項目指標（Y）和缺陷定義

1）項目指標（Y）為某型螺栓鍍鋅厚度。關鍵質量特性（CTQ）分解圖是一種將復雜而范圍較大的流程/產品系統拆分成可管理的子系統或處理范圍的工具，某型螺栓CTQ 分解圖如圖2 所示。

2）螺栓鍍鋅缺陷類別的帕累托圖（Pareto chart）如圖3 所示，在該螺栓鍍鋅質量問題排列圖中，鍍鋅厚度超差占76%。其中，缺陷定義為螺栓鍍鋅厚度超出8 ～12μm。

2.2 改進目標的確定

1）找出影響螺栓鍍鋅厚度不合格的關鍵因素Xs 并加以改進。

2）將該型螺栓鍍鋅厚度的一次交檢合格率從68.75%提高到80%以上（見圖4）。

2.3 測量系統分析

測量系統分析是指通過統計分析手段，對構成測量系統的各影響因子進行統計變差分析和研究，以得到測量系統是否準確可靠的結論。對螺栓鍍鋅厚度（Y）、操作者技能等級（X1）、槽液濃度（X2）、導電杠及掛具清理（X3）、電鍍時間（X4）、電流密度（X5）進行測量系統分析，其中量具R&R ≤30%，可區分類別數≥4，表明測量系統可以接受，數據可用。測量系統分析如圖5 所示。

2.4 流程能力分析

通過對定義與測量階段、分析階段、控制與改善階段進行流程能力分析，以流程的長期表現為流程基線，確定流程當前的能力水平，為流程目標的確立建立基準；以流程短期表現為某段時間的最優表現，尋找短期能力，為流程的改善找到量化的改進空間。通過技術控制圖可以判斷該型螺栓鍍鋅厚度超差屬于技術問題或是控制問題。流程能力計算結果如圖6 所示，各階段相應的控制與技術圖如圖7 所示。

圖3 螺栓鍍鋅缺陷類別的帕累托圖

圖4 某型螺栓鍍鋅改善目標

圖5 測量系統分析

2.5 繪制流程圖與因果圖

在分析問題的過程中通過繪制流程圖，進一步了解該螺栓表面處理的全過程，才能抓住問題的本質找到問題的關鍵所在，從而確定改進方向，為流程的進一步優化打下基礎。因此，項目組成員在進行原因分析時，首先繪制了螺栓鍍鋅流程圖，通過對整個流程的分析，使存在的問題顯性化、詳盡化，從而找出影響螺栓鍍鋅厚度的關鍵因素。

同時，運用因果圖，從人、機、料、法、環、測各方面分析螺栓鍍鋅流程，找出影響Y 的X 因素。

2.6 數據分析

在數據分析階段，一般利用圖形工具分析和假設檢驗分析來確定X 對Y是否有差異；通過圖形工具分析趨勢、回歸以分析X 對Y 的影響大小，確定X 與Y 是否有關聯；然后對有影響的Xs 進行排序，篩選出關鍵少數Xs，最終確定貢獻率較大的關鍵Xs 因素。

1）一般線性模型分析

圖6 DM階段流程能力分析

圖7 控制與技術圖

圖8 一般線性模型分析

圖9 各項關鍵Xs貢獻率占比

通過一般線性模型分析各關鍵Xs對鍍層厚度Y 的影響程度（見圖8）。通過計算得出，在操作者技能等級（X1）、槽液主成分（ZnO）濃度（X2）、導電杠及掛具清理（X3）方面，P 值>0.05，對鍍鋅厚度無顯著影響；在電鍍時間（X4）、電流密度（X5）因素中，P 值<0.05，對鍍鋅厚度Y 有顯著影響。同時可以看出，其電流密度（X5）與電鍍時間（X4）的貢獻率分別為64%、26%（見圖9）。

2）多元回歸分析

利用Minitab 建立多元回歸分析，研究多個連續Xs 對Y 的綜合影響。通過電鍍時間（X4）、電流密度（X5）兩個因素對鍍層厚度Y 的回歸分析發現，電流密度與電鍍時間的P 值<0.05，說明兩個因素對Y 均有影響，且回歸方程式存在（見圖10）。

計算得出，這兩個因素的總影響占比80%，其中，電流密度貢獻率占63%，電鍍時間貢獻率占20%（見圖11）。

2.7 改進與控制

經過整個流程分析，并通過對因果圖影響因素、對可能的Xs 數據的收集和流程的分析，找到影響Y 鍍層厚度的關鍵Xs 是電鍍時間（X4）及電流密度（X5），而操作者技術等級（X1）、槽液主成分（ZnO）濃度（X2）、導電桿及掛具清理（X3）不是影響Y 的關鍵因素。為進一步確認上述結果，攻關小組繼續收集數據，并進行以下改善與控制。

1）變異原因確定與改善

在數據收集與流程分析中，因電鍍時間和電流密度要求范圍較寬，導致相應的工藝參數僅是通用要求參數而不是最優工藝參數。因此，通過分析改進，將關鍵因素電鍍時間（X4）由 原 工 藝 要 求15 ～20min 更改為18 ～20min，縮窄該螺栓電鍍時間范圍；將關鍵因素電流密度（X5）要求由改善前的2 ～5A/dm2更改為2 ～2.5A/dm2。編制專用操作工卡予以明確，在執行中通過該工卡來控制。兩個關鍵X 納入專用操作工卡，使表面處理參數得以固化，現場操作時嚴格按此執行，有效將Y 控制在合格范圍之內。

2）工藝文件更改

為進一步鞏固改進成果，確保螺栓鍍鋅質量，在專用操作工卡中設置檢驗點并固化在表面處理作業指導中，同時加強車間現場巡檢檢查與獎懲。后續的螺栓鍍鋅情況再次證明使用效果良好。

3）改善前后加工流程對比

對比改善前后的流程，改善后的處理流程在很大程度上提高了螺栓的鍍鋅質量，且達到了預期目標。通過一段時間的數據收集與分析，最終螺栓因鍍鋅厚度原因返工的DPMO（百萬機會缺陷數）從237500 降低到約為0，改善度100%。

2.8 流程控制計劃

針對流程關鍵特性，制訂流程控制計劃，對特性進行監控，保證螺栓鍍鋅質量、加工參數控制穩定。

在現場設置鍍層厚度實測表，對電鍍工序中的電流密度、電鍍時間進行記錄，對螺栓鍍層厚度實施3 點檢測記錄，同時增加過程巡檢以及工藝紀律獎懲，進行實時監控。流程控制計劃數據單（見圖12）。

2.9 控制與檢查

為便于過程控制，利用I-MR 圖及時掌握鍍鋅厚度（見圖13）。判異準則是鍍層厚度實測值位于控制線范圍外。

根據各階段鍍鋅厚度的I-MR 圖可以看出，理論分析顯示流程處于受控狀態，由此可進入控制階段，同時可用控制線進行現場監控。

2.10 流程改善前后對比

1）雙樣本T 檢驗

雙樣本T 檢驗是比較兩組樣本均值是否相等（見圖14）。因P 值<0.05，有足夠證據表明工藝參數調整后的平均鍍層厚度較調整前在統計上有顯著差異。

圖10 多元回歸分析

圖11 各項關鍵Xs貢獻率

圖12 流程控制計劃數據單

圖13 I-MR控制圖

圖14 雙樣本T檢驗

圖15 等方差檢驗

2）等方差檢驗

等方差檢驗是比較兩個或兩個以上樣本的方差是否相等，當P 值<0.05 時，則斷定至少有一個方差不同。等方差檢驗可以顯示更改工藝參數前后波動變化情況，從圖15 可以看出，更改工藝參數后鍍鋅厚度位于要求范圍內，且相對集中、穩定。

因P 值＝0，有足夠證據證明調整后的平均鍍層厚度較更改設計前在統計上有顯著差異，改進效果明顯。

3 結束語

六西格瑪質量管理理念的引進和Minitab 軟件工具的推廣使用，對提升企業質量管理水平、降低生產成本具有重要意義，并為推行全面質量管理提供了方向和依據。通過Minitab 工具在航空零備件鍍覆質量改進項目的簡單應用介紹及對其軟件功能的理解和實例分析，不難看出Minitab 的優勢在于其作為全面質量管理的統計技術工具是一個軟件統計包，可以提供許多分析數據的統計工具，以較容易理解的方式呈現結果，同時能夠以多種不同的圖形來表達數據。另外，還可根據不同客戶的個性化需求，以某些特性作為典型進行評估，找出最佳方案，達到持續改進質量、提升顧客滿意度的目的。