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六西格玛设计在新钢种开发试制中的应用
                   ——以Q450NQR1新产品开发试制为例
万兰凤  郭振和  殷胜
 （宝钢股份上海梅山钢铁股份有限公司科技部）

摘要：文章阐述了上海梅山钢铁股份有限公司（简称梅钢）将六西格玛设计方法引入产品研发的基本想法，描述了六西格玛设计的定义及其作用，在研究了六西格玛设计模型的基础上，结合梅钢材料设计及生产的特点，提出了梅钢DCOV的独特设计模型，并以Q450NQR1新产品开发试制为例，详细介绍了梅钢采用该模型在新品开发中应用的全过程，并验证了有效性。

1.引言
　　降低车辆自重、提高整车性能是满足火车提速的前提，因而铁道部于2006年提出：新造货车上全部采用具有高强度、高耐候特性的Q450NQR1热轧钢板，代替以前采用的较低级别钢种。　　Q450NQR1附加值高，市场需求量大，具有广阔的市场前景。Q450NQR1不仅要具有高强度，而且还要具有优良的综合力学性能、良好冷成型加工性能、焊接性能及耐腐蚀性能，是目前梅钢所生产的产品中合金元素及含量最多的产品，因此对产品的设计及生产等工艺都提出了严峻的挑战。
　　至2002年以来，梅钢一直采用六西格玛改进5的方法提高产品质量、优化工艺过程，取得了很好的成效，但如何将六西格玛方法引入设计开发过程一直是梅钢的困惑点；再者Q450NQR1新钢种设计开发的难度极高，基于如上两方面的原因促使梅钢产生了在新品研发中运用六西格玛设计思想及方法1、2的想法。

2.六西格玛设计
　　六西格玛设计（DFSS）诞生于上世纪九十年，是一种以六西格玛水平为目标的产品设计及过程设计的系统方法，源于系统工程。DFSS6采用统计方法量化系统性能与相关设计参数、过程参数之间的关系，面向产品全生命周期，把关键顾客需求设计到产品中，从而达到提高产品质量、加快产品开发速度、降低产品生命周期成本的目的。
　　六西格玛设计（DFSS）与六西格玛改进（DMAIC），两者之间的区别就好比把旧裤子补一补再穿与买条新裤子之间的差别。六西格玛设计不是对现在产品或流程进行改进，而是要从一开始就把产品或流程设计得无懈可击。以事先的投入来节约事后的修补。
　　DFSS目前还没有统一的解决问题的模式，常见的模式包括：DMADV6（即界定、测量、分析、设计、验证）、IDDOV3（即识别、界定、开发、优化、验证）、ICOV4（即识别、刻画、优化、验证）等。这些模式虽表述各异，但内容大同小异，以设计流程为主线，每一步骤采用统计方法来优化与评价，从而减少设计缺陷与变更。

3.Q450NQR1新品开发过程
　　大多数六西格玛设计模式其出发点是从零开始的设计活动，或者说是原始创新，而较多的情况是引进消化吸收再创新，也就是说从母公司、总公司或其他途径可以获得部分设计资料，重点是完成“本企业化”的工作，找到切合本企业实际的整体设计方案。梅钢基于此对DFSS模型进行微调，形成了独具梅钢特色的DCOV设计模型，即界定项目（Define）、设计概念（Concept）、设计优化（Optimize）及设计验证（Validate）。

3.1界定项目
　　该阶段的主要工作包括：组成多功能的设计项目团队；对顾客需求进行分析；对项目目标及流程进行界定；对Q450NQR1产品及工艺设计的重点和难点进行分析。

3.1.1顾客需求界定
　　应用QFD的方法将顾客之声转化为设计的关键质量特性，并结合KANO模型确定关键质量指标、当然质量指标、潜在质量指标。结果见表1。

表1  顾客需求的质量指标
关键质量指标
当然质量指标
潜在质量指标
化学成分
表面质量
性能各向异性
力学性能
包装质量
N、H、O含量
冲击功
卷重
焊接性能
耐腐蚀性
质量证明书
板形
……
……
……

　　结合技术分析、竞争对手比较分析及顾客的要求，确定了如下设计目标：
　　（1）化学成分及性能要求
表2  化学成分（Wt）%（熔炼分析值）
牌号
C
Si
Mn
P
S
Cu
Cr
Ni
Q450NQR1
≤0.12
≤0.75
≤1.50
≤0.025
≤0.008
0.20～0.55
0.30～
1.25
0.12～
0.65
备注
为改善钢材性能，可以加入V、Nb、Ti等元素
表3  力学性能及工艺性能
厚度规格
mm
下屈服强度
ReL
MPa
抗拉强度
Rm
MPa
断后伸长率
（L0=5.65 mm）
A %
180º弯曲试验
（a-试样厚度）
弯心直径
≤6.0
≥450
≥550
≥22
d =a
>6.0
≥20
d =2a
表4  冲击性能
试样尺寸mm
试样方向
试验温度℃
冲击功J
10.0×10×55mm
横向
-40
≥60

　　（2）其它要求
　　晶粒度级别不低于7级；非金属夹杂物：A类级别不大于2.5级，B类（氧化物）级别不大于2.0级；耐腐蚀性能，对耐大气腐蚀钢新品种，须进行室内加速腐蚀试验（周期浸润腐蚀试验等以验证其耐腐蚀性能），产品相对于Q345B腐蚀率≤55%（Q345B腐蚀率为100%）。

3.1.2流程界定
　　结合梅钢新产品开发程序文件、顾客需求及六西格玛设计流程，确定了Q450NQR1设计开发的矩阵流程，通过全流程的分析，明确输入、流程、输出间的逻辑关系；确定了关键环节：　Q450NQR1钢种的特点在于化学元素多，对钢种气体含量、夹杂物控制要求高，因而炼钢工艺是重点环节。
　　对炼钢工序也进行了SIPOC分析，为难点和重点分析及系统设计提供依据和方向；通过流程界定也明确了设计的关键路径及设计开发的风险因素，为时间管理提供了依据。

3.1.3重点和难点分析
　　从总体和局部两个角度对Q450NQR1设计开发的难点和重点进行了分析，包括化学成分设计、过程设计、成本设计及生产控制，进一步明确了后续设计的方向和重点。

3.2 设计概念
　　通过确定关键的设计要素和关键过程要素，为下一阶段进行优化设计提供依据。引入失效模式及影响分析(DFMEA、PFMEA)，将可能的失效模式消灭在萌芽状态。

3.2.1确定关键设计要素
　　通过QFD质量功能展开，将顾客的需求（FR）力学性能、耐腐蚀性、焊接性等转换成设计参数，即化学成分，采用相关矩阵打分（0，1，3，5分制，分数越高表示相关度越高，+为正相关，-为负相关），评价设计要素的重要性，并对元素之间的交互作用和影响进行了分析，找到和确定了关键设计参数。
表5  设计参数重要性评价
         设计要素
功能
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
…
TAl
FR1
+5
+1
+5
+1
-1
+1
+1
-3
…
-1
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
FRn
-5
-1
-3
-5
-5
-1
-1
-1
…
+1
重要性评价（绝对值）
23
10
19
21
19
15
11
15
…
7

3.2.2确定关键过程参数
　　采用因果矩阵方法，将设计参数转化为炼钢过程参数，并进行评价，确定炼钢过程中的关键点。具体形式如表6所示：

　　　　　　　　　　　　　　　　表6   过程因素分析（部分）

3.2.3设计评审
　　确定了关键的设计参数和关键过程参数后，概念设计基本完成，但该设计系统是否存在风险和隐患则要进行评估。采用SDFMEA、DFMEA、PFMEAD的方法对产品设计及工艺设计进行风险评估，并针对高风险要素采取改进措施。通过FMEA发现设计要素中存在机械性能和耐腐蚀性能两个方面的遗漏，连铸浇注、控轧控冷工艺中存在过程参数高风险环节，并分别修改了设计参数和工艺参数。

3.2.4设计记分卡
　　六西格玛设计管理的是多个质量特性，每个质量特性又由多个设计参数和多个过程参数所决定。如何保证综合性能最优？哪些质量特性能力过剩？哪些质量特性能力不足？如何改进不足的特性？这些错综复杂的变化需要管理工具来理清脉络，记分卡就是实现如上目的目视化管理工具（见表7、表8），记分卡还记录了整个设计过程的质量特性的能力预测。

表7  设计记分卡（一）
DPs
单位
标准范围
规格
能力预测
SIGMA水平
实绩
设计
参数
Min
Max
LSL
USL
均值
波动
Cpk
短期
长期
DPMO
均值
波动
Cpk

表8  设计记分卡（二）
FRs
传递函数
规格
能力预测
SIGMA水平
实绩
功能
要求
单位
分布
公式
目标值
LSL
USL
均
值
波
动
Cpk
短
期
长
期
DPMO
均
值
波
动

3.3优化设计
　　界定阶段明确了顾客需求，设计概念阶段确定了关键设计参数和关键过程参数，优化设计阶段要确定设计参数和过程参数的目标值及容差。通常是利用现有数据库中的相关数据，建立性能（质量特性）的传递函数模型，然后采用蒙特卡罗的方法进行优化，最终得到合理的设计方案。即综合性能最佳，同时成本最低。

3.3.1初步设计方案效果预测
　　根据生产数据库相关数据及梅钢化学成分实际控制水平，确定初步化学成分设计方案，制定了炼钢工艺制度、热轧工艺制度。下一步需要利仿真手段来预测初步设计方案的效果。
　　要仿真首先必须建立传递函数，首先利用现有的数据库数据进行回归分析7，找出各性能与化学成分之间的关系，建立“性能传递函数”模型，用第一轮工业试制的数据对该函数的可靠性进行验证，从而确定最佳模型。用制造命令号139818的化学成分，分别代入拟合的屈服强度、抗拉强度、伸长率传递函数中进行性能预测，然后用产品实际性能测试值进行比较验证。结果发现所有实际测量值均落在屈服强度、抗拉强度、伸长率的预测区间中，可知传递函数是可靠的（见图1、图2示）。
抗拉强度的预测结果展示如下：

　　在确定了传递函数后，采用蒙特卡洛的方法对初步设计方案进行效果预测，结果用记分卡的形式记录如表9所示：
表9 初步设计方案记分卡
FRS
传递函数
规格
效果预测
内容
单位
分布
公式
目标
LSL
USL
均值
波动
Cpk
屈服强度
MPa
正态
A11+K11C+K12Mn-K13Cu+K14Nb+K15Ti

450

3.61
抗拉强度
MPa
正态
A21+K21C+K22Si+K23Mn-K24Cu
+K25Ni+K266Cr+K27Nb-K28TAl

550

1.91
伸长率
A%
正态
A31-K31C-K32P-K33Nb+K34Ti*N

22

0.65
……
……
……
……

最后进行小批量验证，结果与预测基本一致：性能满足要求，但抗拉强度、屈服强度过于富裕，而伸长率Cpk值严重不足。

3.3.3 设计优化
　　发现伸长率指标不甚理想，过程能力Cpk仅为0.65。初步设计方案需要优化，但具体调整哪些成分，调整到什么水平呢？再次通过蒙特卡洛模（MCA）拟寻找改进方向。采用CRISTAL BALL软件以延伸率为优化对象，以屈服强度、抗拉强度作为约束条件，在设计参数（各化学元素）可变化的范围内，计算机进行自我仿真优化，确定设计参数的设计目标值；再结合敏感度分析，确定设计参数的容差，从而形成了优化方案。然后针对优化方案再次进行仿真模拟，模拟结果如下：

　　初始设计方案与优化设计方案的仿真结果对比见表11，综合性能得到显著性提高。Nb对抗拉强度和屈服强度有正相关性，但对延伸率有负相关性，通过减少该合金元素的含量达到减少强度，提高延伸率的作用，结果综合性能显著提升，同时还降低了产品成本。

3.4设计验证
　　模拟仿真的效果只是模拟预测，实际效果到底如何还必须通过实验来进行验证。

3.4.1 顾客需求试验
　　（1）腐蚀试验
　　实验标准：铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法(TB/T2375-93)。梅钢产线Q450NQR1及宝钢股份分公司Q450NQR1的相对腐蚀率相当，满足产品相对于Q345B腐蚀率≤55%要求。

　　（2）冲击性能
　　产品-40℃冲击功值在100J以上，满足标准≥60J要求，图6显示全部满足要求
　　（3）金相分析
　　Q450NQR1钢板金相组织为铁素体+少量珠光体，晶粒度级别均大于11级，非金属夹杂物为D类0～1.5级。
　　（4）各向异性分析
　　从板卷取样，做横向、纵向、450向拉伸试验，试验结果见表10，通过统计分析，95%置信区间，其屈服强度、抗拉强度、延伸率标准差小分别为5MPa、6.51 MPa、1.660%，说明产品各向性能差异小，有利于冷加工成型。
表10  产品各向性能试验结果
试样方向
下屈服强度MPa
抗拉强度MPa
断后伸长率A%
横向
490，495，490
605，605，600
29.0，28.5，30.5
纵向
495，490，480
585，590，595
27.5，27.5，28
450向
485，495，490
595，595，595
32.5，30.5，29.5
平均值
490
596.11
29.278
标准差S
5
6.51
1.660

　　（5）焊接试验
　　进行了焊接热影响区最高硬度试验、斜Y型坡口焊接裂纹试验，材料焊接性能满足相关要求。

3.4.2 批量生产及标准化
　　优化后成分，不仅成本相对较低，而且炼钢生产易于控制，工艺能力（化学成分Cpk）充足，轧制生产稳定，板形、表面质量等控制良好。顾客需求过程能力充足。伸长率、屈服强度、抗拉强度为正态分布，实际过程能力很好（结果见表11）。优化设计方案，在ERP、程序文件、工艺文件中进行流程标准化和工艺固化。
表11 优化前后性能Cpk指标对比
设计
抗拉强度
屈服强度
延伸率
初始设计仿真
3.61
1.91
0.65
优化设计仿真
2.19
1.61
1.31
优化设计实际结果
2.20
1.78
1.45

　　梅钢将六西格玛设计方法成功地运用到Q450NQR1新产品优化设计中，缩短了研发周期、降低了新产品开发成本、优化了产品性能、降低了合金成本，完善了梅钢新产品开发的业务流程。

参考文献
[1] 刘宏.导入六西格玛，有效降低企业劣质成本.质量与管理.2006
[2] 王憨.西格玛管理对传统质量成本理论的挑战.观察与思考.2006
[3] Chowdhury Subir. Design for Six Sigma: The Revolutionary Process for Achieving Extraordinary Prifits [M]. FT Prentice Hall, 2002
[4] Kai Yang, Basem EI-Haik. Design for six sigma: A Road Map for Product Development.
[5] Harry M J，Lawson J R．Six sigma producibility analysis and process characterization[M]．Motorola University Press：Schaumburg II .1992．
[6] 唐晓芬. 六西格玛核心教程.中国标准出版社.2008
[7] 周纪芗.回归分析.华东师范大学出版社.1993