一种自粘铁心生产工艺的改进_朱斌.pdf

CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.02.DQGY 32PRODVCT AND TECHNIC产品与技术1 界定质量要求：铁心开缝0.05mm，压断力26t等；原生产工艺：叠压压力36t，加热温度170，保持时间略；问题现象：产品缺陷开缝、压断力不够，一次交检合格率76.2%，经返修后报废率15.4%。铁心生产的主要过程如图1所示。Y及缺陷定义如图2所示。2 测量分析认为缺陷1有可能导致缺陷2的发生，两者有一定联系，所以，合在一起，针对铁心不合格绘制了鱼骨图，如图3所示。0 引言 在电机铁心生产领域，用带有自粘涂层的电工钢制成的自粘铁心具有固定牢靠，电机效率高，振动小，噪音低等许多优点，原多用于磁悬浮列车长定子铁心，高能离子加速器铁心和变压器铁心等，现正向新能源汽车电机、风力发电机等高效电机领域发展。国内外开发、生产这种新涂层电工钢的厂家有德国蒂森、美国阿拉甘尼、日本川崎制铁、中国的宝武和太钢等，钢带及涂层材料不同，电机铁心生产工艺区别很大。某公司在某一客户的大型电机自粘铁心生产过程中，曾因为材料变更，一度面临产品合格率的大幅下降，生产成本的大幅上升，最终通过六西格玛立项，成功解决了这一难题。朱斌 周燕红 宋建强 俞伟峰 （南通通达矽钢冲压科技有限公司）一种自粘铁心生产工艺的改进摘要：自粘铁心的制造质量受到叠压压力、加热温度、保持时间的影响，项目组研究发现，冲片的同板差大小，也直接影响了产品的开缝和压断力大小，影响了产品合格率，通过选裁材料减小同板差或者通过混料的方式减小同板差影响，可以有效提高产品质量。关键词：铁心；自粘冲片；开缝；压断力；加热温度；叠压压力；同板差图1 自粘铁心生产流程图来料检查生产准备叠压压紧加热固化冷却整理产品检验开料级进冲铁心制造检验运输交付电器工业202302设计排版.indd 402023.3.1 2:36:04 PMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.02.DQGY 33PRODVCT AND TECHNIC产品与技术对鱼骨图选出的输入因子进行打分，绘制矩阵图，初步筛选关键因子，如表1所示。通过如图4所示的C&E矩阵的Pareto图，找出了影响80%的重要因子，采用FMEA对上述因子进行细化 图2 Y及缺陷定义图3 鱼骨图图4 C&E矩阵的Pareto图Y：铁心的合格率：铁心在制造过程中，在叠压、加热固化、冷却等加工工序生产出合格铁心占总生产数量的比率。影响开缝和压断力不够的主要因素有冲片状态、固化状态。y1：冲片状态：自粘冲片的完好情况，是影响后道工序的主要性能指标。y2：固化状态：自粘冲片经加热固化后自粘涂层的粘结情况。缺陷1：冲片缺陷：当冲片有变形、毛刺超差、同板差等情况时，铁心叠压过程中任意发现缝隙。缺陷2：铁心固化效果差：涂层未达到理想固化状态，铁心容易产生开缝压断力不够等情况。大Y定义小Y定义缺陷定义电器工业202302设计排版.indd 412023.3.1 2:36:06 PMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.02.DQGY 34PRODVCT AND TECHNIC产品与技术分析，如表2所示。通过FMEA对上述因子进行细化以及Pareto图分析（见图5），找出了其中占80%份额的重要因子，通过技术、工艺、质量和生产车间的讨论研究后，认为这些因子中的油污、变形等是可以控制和改善的，通过对铁心生产流程优化进行快速改善，予以消除。消除后因子转化如表3所示，消除这几个可控因子后，产品的一次合格 810Y1：冲片状态Y2：固化状态Total1质量意识33542人员稳定性13383压机压力控制稳定性03304烘箱温度均匀性03305叠压压力均匀性09906碟簧稳定性03307铁心加热完成后立即调离烘箱03308拿取冲片31349原材料有效期9916210原材料同板差9916211油污9916212毛刺9916213变形9916214温度过低099015温度过高099016时间过短088017时间过长088018011019661082066108表1 因果矩阵表评分标准：0=与过程结果无关；1=与过程结果仅有轻微影响；3=与过程结果有中度影响；9=与过程结果有直接或重大影响。输入变量（X）输出变量（Y）图5 第一次FMEA分析的Pareto图率提升至88.5%。针对快速改善后的剩余因子进行了第二次FMEA分析，如表4所示。因果关系操作员压装工装叠压方式加热温度加热时间原材料冲片加热工位环境温度环境湿度电器工业202302设计排版.indd 422023.3.1 2:36:07 PMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.02.DQGY 35PRODVCT AND TECHNIC产品与技术表2 第一次FMEA分析表预防探测油污冲片表面有油污铁心粘结不牢固8加油不当、搬运污染4定量加油目测396毛刺毛刺超差铁心粘结不牢固、铁心形位尺寸不合格6模具未及时刃磨，漏检4发现后修模目测自检；检具专检372变形冲片不平整铁心粘结不牢固、铁心形位尺寸不合格9头尾料、磕碰4去除头尾料、防护目测3108材料同板差厚度不均匀铁心粘结不牢固、铁心形位尺寸不合格8供应商原材料标准偏松6混料无5280材料有效期超过有效期铁心粘结不牢固8未“先进先出”或超量采购2先进先出并按需采购目测348叠压压力叠压压力不合适铁心粘结不牢固7工艺错误或未执行5验证确认并执行压断力检测4140加热温度温度过高或过低铁心粘结不牢固7工艺错误或未执行5验证确认并执行压断力检测4140质量意识质量意识差铁心不符合质量要求6员工对质量的认识差2培训结果验证224环境温度环境温度过高自粘效果差8环境变化2相对封闭温湿度计232环境湿度环境湿度过高自粘效果差8环境变化2相对封闭温湿度计232表3 快速改善后的因子转化表再造前的因子再造后的因子油污无毛刺毛刺变形无材料同板差材料同板差材料有效期无叠压压力叠压压力加热温度控制加热温度质量意识质量意识环境温度环境温度环境湿度环境湿度通过第二次FMEA分析的Pareto图（见图6），找到了影响80%的关键因子有材料同板差、加热温度、叠压压力，将此3个关键因子确定为阶段分析验证的项目输入。图6 第二次FMEA的Pareto图3 分析原工艺文件要求：叠压压力（锁紧力）36t，加热温度170，对同板差没有要求，经讨论，设计了以下试验方案，结果如表5所示。3.1 针对压断力的全因子分析结果RPN现行控制探测度D频度O严重度S潜在失效潜因机理潜在失效后果潜在失效模式过程系统图功能要求转化电器工业202302设计排版.indd 432023.3.1 2:36:07 PM2023.02.DQGY 36CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术表4 快速改善后的第二次FMEA表预防探测毛刺毛刺超差铁心粘结不牢固、铁心形位尺寸不合格6模具未及时刃磨，漏检4模具提前保养目测自检；检具专检372材料同板差厚度不均匀铁心粘结不牢固、铁心形位尺寸不合格8供应商原材料标准偏松7裁边、混料无5280叠压压力叠压压力不合适铁心粘结不牢固7工艺错误或未执行5验证确认并执行压断力检测4140加热温度温度过高自粘涂层脆化、铁心粘结不牢固7工艺错误或未执行5验证确认并执行压断力检测4140质量意识质量意识差铁心不符合质量要求6员工对质量的认识差2培训结果验证224环境温度环境温度过高自粘效果差8环境变化2相对封闭温湿度计232环境湿度环境湿度过高自粘效果差8环境变化2相对封闭温湿度计232针对压断力的全因子分析结果如图7和图8所示。表5 压断力开缝全因子试验结果表标准序运行序中心点区组叠压压力加热温度同板差压断力开缝10101381700.008330.0512201381700.008330.082311401650.003450.00 3411361750.003240.00 9501381700.008340.051611361650.003370.018711401750.013240.087811361750.013210.014911401750.003260.0251011361650.013320.08111101381700.008320.0661211401650.013420.08现行控制频度O严重度S潜在失效潜因机理潜在失效后果潜在失效模式过程系统图功能要求常量31.9170.43473.540.000叠压压力5.7502.8750.5325.410.0061.00加热温度-15.250-7.6250.532-14.340.0001.00同板差-3.250-1.6250.532-3.060.0381.00叠压压力加热温度-3.250-1.6250.532-3.060.0381.00叠压压力同板差0.7500.3750.5320.710.5191.00加热温度同板差0.7500.3750.5320.710.5191.00叠压压力加热温度同板差-0.250-0.1250.532-0.240.8261.00模型汇总SR-sqR-sq（调整）R-sq（预测）1.5034798.45%95.75%0.00%图7 压断力的估计效应和系数从显著性来看，A因子叠压压力、B加热温度、C同板差、AB（叠压压力加热温度）对应的p值都小于显著RPN探测度D电器工业202302设计排版.indd 442023.3.1 2:36:07 PM2023.02.DQGY 37CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术性水平0.05，因此可以判断这四项效应是显著的，而其余各项皆不显著。从因子正态效应图（见图9）和因子效应的帕累托图（见图10）同样得出：A因子叠压压力、B加热温度、C同板差、AB（叠压压力加热温度）四项效应是显著的，而其余各项皆不显著。图9 标准化效应的正态图图10 标准化效应的Pareto图残差诊断：残差对于以观察值顺序的散点图、残来源自由度Adj SSAdj MSF 值P 值模型7575.87582.26836.390.002线性3552.375184.12581.460.000叠压压力166.12566.12529.250.006加热温度1465.125465.125205.770.000同板差121.12521.1259.350.0382因子交互作用323.3757.7923.450.132叠压压力加热温度121.12521.1259.350.038叠压压力同板差11.1251.1250.500.519加热温度同板差11.1251.1250.500.5193因子交互作用10.1250.1250.060.826叠压压力加热温度同板差10.1250.1250.060.826误差49.0422.260弯曲17.0427.04210.560.047纯误差32.0000.667合计11584.917图8 压断力的方差分析差对于响应变量压断力的散点图分布正常。残差基本服从正态分布。试验有效，如图11所示。图11 压断力残差诊断图由压断力主效应图（见图12）和交互作用图（见图13）可以看出：1）在加热温度165 175，叠压压力3640t范电器工业202302设计排版.indd 452023.3.1 2:36:08 PMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.02.DQGY 38PRODVCT AND TECHNIC产品与技术围内，加热温度、叠压压力对于响应变量压断力的影响非常显著；且叠压压力取40t、加热温度取165 时，压断力较大。2）在同板差0.0030.013范围内，同板差对于响应变量开缝的影响显著，同板差越小，压断力越大。3）加热温度、叠压压力的交互作用对于响应变量压断力的影响显著，其余不显著。图12 压断力主效应图图13 压断力交互作用图由压断力的等值线图（见图14）可以看出：当温度取165165.5，压力取38.540t，同板差0.005时，压断力最大（大于40t，远大于26t的客户要求）。图14 压断力的等值线图3.2 开缝的全因子分析针对开缝的全因子分析如图15和图16所示。从显著性来看，C因子同板差对应的p值小于显著性水平0.05，因此可以判断其效应是显著的，而其余各项皆不显著。从因子正态效应图（见图17）和因子效应的帕累托图（见图18）同样得出：C因子同板差效应是显著的，而其余各项皆不显著。残差诊断：残差对于以观察值顺序的散点图、残差对于响应变量压断力的散点图分布正常。残差基本服从正态分布。试验有效，如图19所示。由开缝主效应图（见图20）和交互作用图（见图21）可以看出：项效应系数系数标准误T 值P 值方差膨胀因子常量0.050830.0042811.870.000叠压压力-0.00250-0.001250.00525-0.240.8191.00加热温度0.007500.003750.005250.710.4981.00同板差0.077500.038750.005257.390.0001.00叠压压力加热温度0.002500.001250.005250.240.8191.00模型汇总SR-sqR-sq（调整）R-sq（预测）0.014840488.74%82.31%66.39%图15 开缝的估计效应和系数电器工业202302设计排版.indd 462023.3.1 2:36:09 PM2023.02.DQGY 39CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术来源自由度Adj SSAdj MSF 值P 值模型40.0121500.00303713.790.002线性30.0121370.00404618.370.001叠压压力10.0000130.0000130.060.819加热温度10.0001120.0001120.510.498同板差10.0120120.01201254.540.0002 因子交互作用10.0000120.0000120.060.819叠压压力加热温度10.0000120.0000120.060.819误差70.0015420.000220弯曲10.0005040.0005042.920.139失拟30.0004370.0001460.730.599纯误差30.0006000.000200合计110.013692图16 开缝的方差分析图17 标准化效应正态图图18 标准化效应的Pareto图1）同板差对于响应变量开缝的影响非常显著，同板差越小，开缝越小；2）在加热温度165175，叠压压力3640t范围内，加热温度、叠压压力对于响应变量开缝的影响不显著；3）因子同板差、加热温度、叠压压力的交互作用对于响应变量开缝的影响不显著。图20 开缝主效应图图19 开缝残差图电器工业202302设计排版.indd 472023.3.1 2:36:11 PMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.02.DQGY 40PRODVCT AND TECHNIC产品与技术图21 开缝交互作用图由开缝等值线图可以看出（见图22）：1）在加热温度165175，叠压压力3640t范围内，开缝和加热温度、叠压压力基本无关；2）在上述加热温度和叠压压力范围内，同板差0.006时，开缝0.05，符合客户要求。图22 开缝的等值线图图23 开缝加热温度、叠压压力的曲面图由开缝与加热温度、叠压压力的曲面图可以看出（见图23）：1）在加热温度165175，叠压压力3640t范围内，加热温度、叠压压力对响应变量开缝的影响范围很小；2）在上述加热温度和叠压压力范围内，加热温度取165 、叠压压力取40t时，开缝最小。3.3 同板差因子分析开料方式及排样图如图24和图25所示。图24 开料方式图25 排样图产品混料方式及开料位置（见图26）：开缝位置多位于铁心头尾两端处，即A卷和C卷冲片处。图26 产品混料方式及开缝位置电器工业202302设计排版.indd 482023.3.1 2:36:12 PM2023.02.DQGY 41CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术其他混料方式及结果如表6所示。表6 其他混料方式及结果序号混料方式开缝率1Aa+Ab83.32Ba+Bb03Ca+Cb1004Aa+Ca1005Ab+Cb80综上分析，铁心开缝主要由于A或C卷冲片导致。某材料分卷后同板差测量如表7所示。A、C卷同板差分别平均为0.0094、0.0078，并且在原材料边缘30mm范围内，材料变薄最明显，B卷同板差平均为0.0048。通过A、B、C卷冲片同板差的测量及Xbar-R图分析，B卷冲片的各点厚度相对稳定一致（同板差相对较小）。这也加强证明了之前全因子分析中材料同板差对开缝的影响。分析阶段小结：通过A阶段的验证与分析，基本确定了加热温度、叠压压力、同板差是压断力的关键因子；同板差是铁心开缝的关键因子，即铁心开缝关键影响因素是同板差，同板差越小开缝越小。表7 某材料分卷后同板差测量数据编号编号12345678910111213max-min10.500 0.499 0.499 0.503 0.503 0.503 0.506 0.508 0.505 0.508 0.507 0.503 0.5020.00920.506 0.508 0.508 0.509 0.512 0.514 0.518 0.518 0.514 0.515 0.514 0.511 0.5060.01230.509 0.508 0.5080.510.513 0.511 0.514 0.513 0.5120.510.509 0.508 0.5060.00840.504 0.504 0.503 0.507 0.507 0.508 0.503 0.509 0.505 0.507 0.508 0.506 0.5050.00650.501 0.502 0.502 0.504 0.504 0.505 0.505 0.507 0.507 0.507 0.508 0.504 0.5020.007A卷B腔10.508 0.509 0.510 0.508 0.506 0.504 0.504 0.509 0.501 0.503 0.504 0.502 0.5070.00920.515 0.511 0.510 0.509 0.508 0.505 0.503 0.504 0.502 0.508 0.506 0.508 0.5090.01330.510 0.510 0.511 0.508 0.509 0.510 0.503 0.502 0.501 0.501 0.505 0.506 0.5080.010 40.511 0.510 0.508 0.506 0.505 0.504 0.501 0.501 0.502 0.504 0.503 0.504 0.5080.010 50.511 0.510 0.509 0.510 0.507 0.506 0.502 0.502 0.502 0.501 0.503 0.507 0.5080.010 B卷A腔10.518 0.514 0.515 0.517 0.514 0.513 0.513 0.513 0.514 0.516 0.516 0.515 0.5160.00520.516 0.515 0.517 0.515 0.515 0.515 0.515 0.515 0.517 0.514 0.517 0.514 0.5190.00530.515 0.514 0.514 0.515 0.519 0.515 0.512 0.513 0.512 0.511 0.514 0.514 0.5120.00840.512 0.512 0.513 0.515 0.513 0.514 0.513 0.512 0.512 0.512 0.512 0.514 0.5140.00350.514 0.516 0.513 0.516 0.513 0.513 0.513 0.511 0.512 0.510 0.510 0.512 0.5130.006B卷B腔10.512 0.513 0.512 0.511 0.513 0.513 0.511 0.512 0.511 0.510 0.513 0.512 0.5130.00320.512 0.515 0.512 0.514 0.513 0.513 0.512 0.512 0.510 0.511 0.512 0.512 0.5130.00530.514 0.514 0.517 0.516 0.515 0.515 0.513 0.511 0.512 0.510 0.513 0.510 0.5150.00740.517 0.514 0.513 0.517 0.514 0.515 0.514 0.514 0.514 0.513 0.514 0.516 0.5150.00450.510 0.512 0.511 0.512 0.512 0.511 0.511 0.511 0.511 0.510 0.512 0.511 0.5110.002C卷A腔10.508 0.510 0.512 0.509 0.507 0.511 0.507 0.507 0.511 0.507 0.508 0.509 0.510 0.00520.510 0.508 0.514 0.509 0.509 0.508 0.504 0.506 0.508 0.508 0.5080.510.510.010 30.513 0.512 0.511 0.510 0.508 0.507 0.508 0.507 0.507 0.508 0.511 0.512 0.5110.00640.513 0.512 0.518 0.512 0.510 0.508 0.508 0.508 0.509 0.509 0.509 0.5090.510.010 50.508 0.509 0.510 0.509 0.509 0.506 0.502 0.501 0.505 0.503 0.506 0.506 0.5080.009C卷B腔10.507 0.505 0.508 0.509 0.509 0.512 0.514 0.513 0.513 0.512 0.513 0.511 0.5090.00920.511 0.510 0.507 0.509 0.512 0.513 0.515 0.516 0.515 0.518 0.513 0.512 0.5140.01130.508 0.508 0.506 0.510 0.510 0.514 0.514 0.514 0.511 0.514 0.512 0.5130.510.00840.507 0.507 0.507 0.508 0.508 0.510 0.512 0.507 0.512 0.510 0.511 0.511 0.5080.00550.508 0.508 0.507 0.507 0.510 0.510 0.512 0.512 0.512 0.510 0.512 0.508 0.5080.005某材料厚度测量数据4 改进通过A阶段的验证与因子分析，确定了影响铁心合格率的关键因子为加热温度、叠压压力、材料同板差。根据钢卷基本常识，同板差不可完全消除。因此可以通过改变叠压铁心时冲片配比的方法，或者减小冲片同板差的方法，来降低铁心开缝情况的风险。1）通过前述试验，选温度165，压力40t。2）同板差减小开料工艺改变（见图27）。A卷A腔B卷A腔C卷A腔C卷B腔B卷B腔A卷B腔电器工业202302设计排版.indd 492023.3.1 2:36:12 PMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.02.DQGY 42PRODVCT AND TECHNIC产品与技术3）减小同板差影响并简化叠压工艺混料工艺改变。原混料方式：Aa+Ab+Ba+Bb+Ca+Cb 每 段 各 占 六 分 之 一；改 进 后 混 料 方 式：QAa+QAb+QAa+QAb+QAa+QAb 每段各占六分之一；Or：QBa+QBb+QBa+QBb+QBa+QBb 每段各占六分之一。说明：原混料方案也能在一定程度上消除同板差影响，但需要6种冲片混料，改进后只要2种冲片混料，工艺更简单，便于更好地进行现场控制。4）改进后的效果：一次合格率提升至98%，经返修后报废率降到0%。5 控制1）进行了工艺文件的优化、下发和培训落实。图27 原材料开料方式优化2）改进半年后的收益：硬性收益。一次合格率由76.2%提高至98%，报废率由15.4%降至0%，改善后生产5套产品，实际节约成本=(15.4%-0%)（1445）（12000-0.32500）+(98%-76.2%)（1445）200=249.48+6.2784128万元。软性收益。铁心的一次合格率由76.2%提升至98%，报废率由15.4%降至0%，减少在整理工序时的修补，提升了效益，同时铁心质量的提升，对公司的产品声誉和品牌力等都会带来巨大的无形收益。6 结束语冲片的同板差一直是影响铁心形位尺寸的一个关键因素，在自粘铁心的生产制造过程中依然如此，并且和自粘铁心的叠压压力、加热温度、保持时间等一起，决定了铁心粘结固化的效果，包括开缝和压断力大小。通过选裁材料减小同板差或者混料减小同板差的影响，可以有效提升自粘铁心的一次交检合格率。（收稿日期：2022-11-18）afterQS卷另做他用before不裁边开料原材料两边裁边开料原材料开料方式优化使得边卷冲片的同板差得以改善电器工业202302设计排版.indd 502023.3.1 2:36:13 PM