运用DOE实验设计优化锌铝合金压铸件电镀工艺参数

马三中

（河南新飞电器有限公司 河南新乡 453002）

运用DOE实验设计优化锌铝合金压铸件电镀工艺参数

马三中

（河南新飞电器有限公司 河南新乡 453002）

运用精益六西格玛管理在F公司开展质量、效率提升专案，并延伸到下游提高供应商的产品质量。针对锌铝合金压铸中铰链电镀成型生产工艺参数优化问题，借助Minitab软件，采用DOE实验设计优化成型条件，实现成型生产标准条件最优化。该技术可运用于保证产品质量、降低成型生产周期，提升生产效率。

试验设计（DOE）；方差分析（ANOVA）；锌铝合金压铸；电镀工艺；参数优化

1 引言

试验设计（Design of Experiment，简称DOE）是以概率论与数理统计为基础、合理安排试验的一种方法，通过高效经济地获取数据信息、科学地分析处理、得出正确的结论。现代企业的制造和设计部门则经常用它来解决设计、生产和服务流程中的问题，特别是在一些推行持续改进的企业里，更是一个提升质量，稳定流程的有力工具。本文以优化锌铝合金压铸件电镀工艺参数，阐述如何面对诸多影响因素，科学地设定工艺参数。设计、制造、质量工作由一个个过程组成。由于输入的变化，各因素之间可能存在的交互作用，再加上各种干扰因素的影响，使得结果变化不定。在大多数情况下，这种输出的不稳定会带来质量不稳定和成本高居不下。试验设计将通过对产品质量，工艺参数的量化分析，寻找关键因素，控制与其相关的因素，以少的投入换取大的收益，从而使产品质量得以提升，工艺流程优化。

2 问题描述

F公司是生产家用电冰箱的一家大型企业，冰箱中铰链有压铸型、包塑型和钢件型三类，其中近年来压铸型铰链的冰箱一直占F公司冰箱总产量的80%以上，高端冰箱全部采用压铸型铰链。压铸型中铰链采用锌铝合金压铸成型，具有重量轻、强度高的特点。但是，锌铝合金压铸件本身的功能性和装饰性较差，为了提高它的功能性和装饰性，采用镀装饰性铜镍铬工艺。但是电镀出现质量问题返修的可能性很小，造成较高的质量成本。因此，需要对电镀的工艺参数进行优选。

如何面对诸多影响因素，科学地设定工艺参数，优化锌铝合金压铸件电镀工艺参数？借助Minitab软件可以帮助我们快速进行试验方案设计和分析，获得我们所需要的信息，从而找到改进的途径。

3 案例分析

3.1 压铸中铰链生产主要工艺流程

压铸中铰链生产主要工艺流程如图1所示，本案例以最后镀铬工序为例，运用DOE实验设计进行了参数优选。

3.2 DOE实验设计

3.2.1 实验因子选择

根据试验的因子个数，可以分为单因子和多因子试验。本案例中影响镀铬工序的因子包括：阴极电流密度、温度、PH值。为了估计出所有的主效应和所有的各阶交互效应，选用全因子设计。采用2水平3因子全因子实验设计，分别选择阴极电流密度、温度、PH值进行全因子实验，以便找出确定这些变量的最佳设置，试验中选择中铰链材质、电镀生产线和最终测试条件作为固定因子保持不变，三个因子的水平设置如下：阴极电流密度：低水平为8A/m2，高水平为13A/m2；温度：低水平为26.5℃、高水平为33.5℃，PH值：低水平为4、高水平为6（水平数据依据工艺文件）。

3.2.2 实验设计及数据分析

使用Minitab软件中的DOE模块生产实验计划，共8组实验，接下来对每组条件取样，用测厚仪测量铬层厚度。如表1。

3.3 实验设计分析

3.3.1 拟合选定模型及方差分析

方差分析（analysis of variance, ANOVA）是检验一对假设是否成立的统计方法，显著性水平a是指在对原假设是否成立进行判断时，由于样本的随机性，判断可能产生两类错误，第一类错误是原假设为真，由于样本的随机性，做出拒绝原假设的决定，这类错误记为第一类错误，也称为拒真概率，记为a。第二类错误是原假设为假，由于样本的随机性，做出保留原假设的决定，这类错误记为第二类错误，也称为取伪概率，记为B。若要求犯第一类错误的概率不超过a，由此给出的检验称为水平为a的检验，称a为显著性水平，常取a为0.05。

运用MINITAB软件进行分析，在运行窗中可得到计算结果。从ANOVA表中可以看出，主效应项Main Effevts中，P-Value=0.002,显示模型总的效果是显著的、有效的；从显著性来看，因子电流密度、温度、PH值的P-Value都小于显著性水平0.05，因此判定二项效应是显著的，2因子交互效应P-Value=0.005，小于显著性水平0.05。判定显著。

拟合因子：铬层厚度与电流密度、温度、PH值。通过实验计算的回归式，得出结论：铬层厚度=0.584+0.026（电流密度）+0.006（温度）－0.041（PH值）－0.019(电流*PH值 )+0.016(温度*PH值 )（coded units ）

3.3.2 因子正态、效应图进行验证

运用MINITAB软件分析，如图2所示。结论:从因子效应的Pareto图及因子正态效应图中可以看出：因子A、B、C、BC、AC，主效果都有效，其中C最为显著。

3.3.3 各因子主效应及交互效应图进行分析

主要目的是判断已经选定的主效应和交互效应是否真的显著，未选中的效应是否真的不显著。各因子主效应及交互效应图如图3所示。由主效应图中可以看出，PH值、电流密度对厚度的影响显著，其中PH值影响更显著。当电流、温度两个因子从低水平到高水平时变化时，厚度提高；当PH值因子从低水平到高水平变化时，厚度降低。由交互效应图中可以看出，电流密度*PH值、温度*PH值两者的交互作用显著。

3.3.4 残差诊断

从残差诊断中看出，模型基本上是好的, 残差的正态性检验图符合正态分布。误差的分布相当随机，残差与观测之间没有明显关系。

3.3.5 各因子立方图进行分析

见图4，立方图告诉我们最佳的因子组合方案。

3.3.6 输出响应变量等高线图及响应变量曲面图确认最佳设置

为进一步确认响应变量如何受所选因子和交互作用影响及其相互间变化规律，绘制等值线及响应曲面，曲面高低状况更加一目了然，见图5、6。从图中可以看出，PH值*温度、PH值*电流密度交互效应对于铬层厚度的影响显著。

3.3.7 实现最优化。

本案例具体问题是属于“望大”型的，在MINITAB软件中可以从窗口中得到最优化的结果。利用响应变量优化器可以得到一组最优数据，电流密度为8A/m2，温度为26.5℃，PH值为4时，厚度为0.59微米，我们将按此标准进行生产实践，以验证是否达到目标值。

3.3.8 预测CI、PI

如表2所示。

3.3.9 优化参数效果验证

按照试验设计得到的最佳电流、温度和PH值取值，重新试验进行验证；测得的厚度数据如表3。

结论：经过验证，厚度值均在95%PI(0.569876, 0.610124)置信区间内，说明我们进行DOE试验得到的拟合模型是有效的、可靠的。我们以后将按照此参数设置进行批量生产。

表1 DOE设计矩阵和实验数据表

表2 预测CI、PI

表3 优化参数后的厚度数据

图1 压铸中铰链生产主要工艺流程

图2 因子正态、效应图

图3 各因子主效应及交互效应图

图4 立方图

3.3.10 铬层厚度提高改善效果验证

我们收集5月6～18日的铬层厚度数据25组（每组4个数据），进行了正态性检验，工序能力分析，Cpk明显提高。从Xbar-R图中可以看出铬层厚度得到了有效监控，均值达到了0.57mm。我们运用假设检验以验证改进前后平均铬层厚度是否提高：从改进前和改进后的产品中随机抽取N=10的样品，测量其铬层厚度。

我们运用假设检验以验证改进前后平均铬层厚度是否提高。从改进前和改进后的产品中随机抽取N=10的样品，测量其铬层厚度。

（1）检验方差是否相等。先验证改进前后数据是否服从正态分布，改进前后数据P-value＞0.05,数据服从正态分布, F检验的P-value为0.568＞0.05，没有充足的证据判定两总体方差不等，可认为两总体方差相等。

（2）检验均值。运用MINITAB软件进行分析，P-value=0＜0.05，拒绝原假设，接受备择假设，说明在95%的置信水平下，有足够的统计证据证明改进后铬层厚度明显提高。

4 结束语

本文通过DOE实验设计，对铝合金压铸件镀装饰性铜镍铬工艺参数进行了优选，找出了电流密度、温度、PH值的最佳配合，运用到生产实践中，提高了产品质量和生产效率。因此，借助Minitab软件，采用DOE实验设计优化成型条件,实现成型生产标准条件最优化，可以推广到家电生产的许多方面，具有启发意义。

[1] 马逢时等编著. 《六西格玛管理统计指南》. 中国人民大学出版社. 2008

[2] 马林，何桢主编. 《六西格玛管理》. 中国人民大学出版社. 2008

[3] 巫江，宋宏春，李小联，魏丹. 基于DOE的注塑成型工艺参数优化. 制造业信息化. 2011（1）

[4] 罗军，宋德朝. 基于Minitab的质量控制技术在制造过程中的应用[J]. 现代制造工程.2009（2）：10-20

[5] 王爱荣. 实用锌铝合金压铸件镀装饰性铜镍铬工艺.腐蚀与防护. 2002（3）

图5 响应变量等高线图

图6 响应变量曲面图

2015年5月中国家用电器检测所健康家电分析测试中心检测产品一览表1

检测结果由中国家用电器检测所健康家电分析测试中心发布

2015年5月中国家用电器检测所健康家电分析测试中心检测产品一览表2

2015年3月重点家电类产品出口统计表金额单位：万美元

2015年3月重点家电类产品进口统计表金额单位：万美元

2015年3月全国主要家用电器产品产量

2015年3月全国重点大商场主要小家电品牌市场占有情况

电饭煲

电压力锅

电磁炉

吸油烟机

电熨斗

中怡康时代市场研究公司对全国972个市县7412家门店销售监测

2015年3月四大家电及上游行业产销数据月度简析

冰箱

冰箱：产销同比降幅收窄

产业在线监测数据显示，2015年3月冰箱市场下滑态势未能得到改变，但是下降幅度明显收窄，在结束了春节休假影响后，冰箱产销量环比大幅提升。

3月冰箱总产量为802万台，同比下滑2.9%，环比增长75%；总销量为784.6万台，同比下滑3.4%，环比增长66%；从冰箱的内外销表现来看，3月冰箱出口和内销同比均下滑，其中出口由于基数小，下滑幅度大于内销。3月库存环比增长7%，同比略有下滑。

（注：产销数据统计范围为使用压缩机的冰箱，采用其他制冷方式的冰箱不在此统计中）

洗衣机

洗衣机：内销增长 出口下滑

产业在线监测数据显示，2015年3月，我国家用洗衣机行业总产量497.9万台，同比下滑3.1%；总销量468.0万台，同比下滑6.5%。其中内销出货量347.3万台，同比增长1.9%，环比2015年2月增长26.3%。出口出货量120.6万台，同比下滑24.4%，环比2月下滑9.8%。

2015年3月，国内滚筒洗衣机产量135.9万台，同比增长1.8%；总销量121.8万台，同比增长0.6%。其中内销84.6万台，同比增长20.3%；出口37.2万台，同比下滑26.6%。同期波轮内销出货262.7万台，同比下滑2.8%，出口83.4万台，同比下滑23.4%。

液晶电视

液晶电视：内销向好 出口承压

产业在线监测数据显示：2015年3月中国液晶电视产量约为832.2万台，销量为807.7万台。其中出口437.8万台，内销369.9万台，分别占整体销量的54.2%和45.8%。3月液晶电视出口承压，同比环比呈现双降势态，出现这一现象主要是因为去年上半年受人民币汇率贬值以及体育赛事等诸多因素的拉动以致液晶电视呈现爆发性增长，使得今年同期对比基数较高，同比下滑20.4%。3月内销出货也相对平淡，但是由于2014年同期市场表现惨淡，对比基数较低，3月出货同比仍小增6.3%。

家用空调

空调：产销环比增长翻番

产业在线监测数据显示，2015年3月国内空调产销总体规模水平环比均出现较大幅度增长，主要是2月春节企业都放了长时间的假期，假期结束后生成步入正轨，产量回升也属正常。

3月家用空调的行业生产总量为1350.1万台，同比下降0.7%，环比增长116.22%；销售总量为1505.07万台，同比增长2.66%，环比增长102.54%。总体来看，3月产量和去年同期相比有微幅下降，可以说这个结果应该是比预期表现略好，2014年同期3月的行业产量在很高的水平，在2015年如此艰难的形势下，还能基本保持相当的水平已实属不易。

冰箱压缩机

冰箱压缩机：旺季启动 动力不足

产业在线监测数据显示：2015年3月，冰箱压缩机在2015年的旺季正式启动，从行业数据表现看，可谓动力不足，信心犹存。当月产量1157.7万台，同比下滑3.6%，销量1208.7万台，同比下滑6.5%，在库400.5万台，同比下滑44.0%。

在结束了春节期间的休假、产能不足等状况后，冰压市场逐步恢复动力，为即将到来的旺季积极备货。在对2015年市场的一片质疑声中，依然有企业积极排产并实现销量的增长。首当其冲的是安徽美芝，在开发新客户的同时，现有客户占有率逐步提升，带动3月产销量同比大幅增长。

空调电机

空调电机：产销同比大幅下滑

产业在线监测数据显示，2015年3月，空调电机总销量2763.5万台，同比下滑10.42%，环比上涨64.38%；其中内销为2242.5万台，环比增长89.56%，同比下滑7.83%；出口为521万台，环比增长4.58%，同比下滑20.09%。

3月，空调电机内销市场逐步恢复生产，环比数据上涨，为空调整机企业补货需求旺季的到来提供准备，而3月传统需求旺季的来临，同比却出现了小幅下滑，市场上涨缺乏动力，后市信心不足。出口方面，3月空调电机出口市场环比小幅上涨，同比下滑。

2015年3月全国重点大商场主要小家电品牌市场占有情况

储水式热水器

即热式热水器

净水系列

吸尘器

浴霸

中怡康时代市场研究公司对全国972个市县7412家门店销售监测

2015年3月全国及分区冰箱畅销机型平均价格单位：元／台

全国

东北

华北

华东

华南

西北

西南

华中

中怡康时代市场研究公司对全国972个市县7412家门店销售监测

2015年3月全国及分区空调畅销机型平均价格 单位：元／台

全国

东北

华北

华东

华南

西北

西南

华中

中怡康时代市场研究公司对全国972个市县7412家门店销售监测

2015年3月部分家电产品前10名型号价格变化

洗衣机

冰箱

空调

微波炉

市场简析

※ 洗衣机市场结构下沉常态化，产品高端化明显

捷孚凯(GfK中国)洗衣机全国线下市场零售监测数据：2015年第一季度，洗衣机线下市场零售量规模较去年同期增长3%，零售额同比增长7%。从城市级别增长来看，大中城市的需求相对萎缩，随着城镇化的带动和各渠道物流网络的不断下沉，下一级别城市逐渐迎来消费的升级，中小城市增长明显好于大中城市，其一季度零售额同比涨幅为12%。从产品来看，随着人们居住条件的改善和生活节奏的加快，市场对大容量的需求不减，2015年一季度，滚筒市场9公斤段的增长最为突出，对比2014年同期，其零售额增长350%。此外，洗衣机的功能也不断完善，具备智能化功能的产品逐渐开始推广和普及，产品高端化日益明显。根据GfK中国家电零售线下市场的监测数据显示，一季度5000元以上的高端滚筒洗衣机零售额依然保持了良好增长，同比增23.8%；3000元以上的单缸市场为另一增长看点，其零售额同比增长58%。

市场简析

※ 3月在线市场表现拉动冰箱整体市场提升，一季度趋稳

根据捷孚凯(GfK中国)冰箱全国市场零售监测数据显示：3月冰箱全国零售量约为219万台,同比去年增长7%，市场增长主要来自于“3.15”的促销，在“3.15”期间，冰箱厂商和零售商抓住机会，相比往年增加更多投入。3月份在线市场增长尤为明显，零售量约为28万台,同比去年增长50%，使得在线市场零售量占比提升近3个百分点，对整体市场的拉动作用明显。2015年一季度，全国冰箱零售量约为636万台，同比去年增长4%，零售额约为188亿元，同比去年增长约为12%，冰箱市场趋于稳定的新常态。冰箱市场出现增长，主要受到了房地产市场的影响：一方面，由于2013年房地产市场的低迷，使得冰箱市场2014年一季度出现了一段时间的低迷。另一方面，2014年，随着大部分城市取消房地产限购政策，房地产市场有一定的回升，对2015年一季度的冰箱市场起到了一定的促进作用。

市场简析

※ 大型家电连锁渠道掀起旺季第一轮促销大战，三级能效产品比重提高

根据捷孚凯（GfK中国）空调全国线下市场零售监测数据显示，2015年3月，家用空调零售市场零售量同比增长超过3%，零售额同比下降1%。纵观2015年第一季度，零售量同比增长1%，零售额同比下降1%，均价依然保持下跌趋势。3月旺季启动期，清库存依然是空调市场主流旋律。

从产品角度来看，由于促销活动的发力，三级能效产品占比持续提升，其中三级能效变频产品在整体空调市场占比达到40%，同比增长2个百分点，三级能效定频空调占比达到31%，同比增长3个百分点。目前来看，厂商、零售商在加大促销力度的同时，并未减缓产品升级的脚步，变频空调的市场比重保持增长的趋势，2015年3月零售量占比达到65%，同比增长4个百分点。未来随着空调市场旺季的到来，各种促销活动将层出不穷，因此过多的促销活动是否会对产品结构升级造成实质影响，将会是未来关注的重点。

市场简析

※ 微波炉线下市场零售量份额下跌继续扩大；零售额有所收增，在线市场价格向上拓展根据捷孚凯(GfK中国)微波炉市零售监测数据显示：2015年1-3月，微波炉线下大中城市市场零售量同比下跌25%，零售额同比下跌11%，下跌幅度较去年同期零售量继续扩大，零售额有所收窄。产品结构升级趋势依旧，线下400元以下低端微波炉产品零售量份额进一步被线上市场抢占，由去年同期的50%下跌到38%；另一方面，2015年1-3月1500元以上的高端微波炉线下零售量同比增长55%，零售量份额较去年同期提升3个百分点，市场前景颇具潜力。

剃须刀

榨汁机

食物料理机

电吹风

市场简析

※ 3月剃须刀线下市场高端化趋势加深

根据Gfk男用电动剃须刀线下零售监测数据显示：2015年一季度剃须刀零售额同比增长3.7%，零售量同比下跌5.7%，均价较去年同期上扬了近10%，随着2014年下半年及2015年面市的高端剃须刀相继发力，线下市场高端化趋势相比14年继续深化。在高端剃须刀中，干湿两剃功能又是倍受消费者关注的功能，根据Gfk男用电动剃须刀线下零售监测数据显示：线下市场2015年一季度延续2014年的发展趋势，具有干湿两剃功能的剃须刀零售额与零售量持续增长，同比增长均为21%。

市场简析

※ 春节过后，榨汁机在线市场复苏

春节过后，全国物流逐渐恢复正常，榨汁机在线市场销量大幅上涨，其中受限于第三方物流的淘宝系涨幅最为猛烈。根据GfK榨汁机在线市场零售监测数据显示：2015年3月零售额为1.7亿元，环比增长40%；零售量为27万台，环比增幅超过60%。但随着近几年在线市场的迅猛发展，在线市场的规模已经相当巨大，榨汁机在线市场的同比增长速度正在快速放缓。2015年3月，榨汁机在线市场零售额同比增长29%，基本接近线下市场的同比增长速度。

市场简析

※ 2015年第1季度食物料理机高端市场快速增长

根据GfK食物料理机在线市场零售监测数据显示：2015年第1季度食物料理机1000元以上高端市场增长迅速，零售额占比接近30%，环比涨幅约6个百分点，而同比涨幅超过15个百分点。高端市场的火爆主要归功于高速料理机，同时，火爆的市场又吸引了大批的品牌进入和新型号上市，两者互相推动将继续助涨该细分市场。虽然高速料理机所推崇的养生功能有待证实，不同品牌的质量也参差不齐，但仍阻挡不住消费者的热情，该品类在整体食物料理机在线市场零售额占比中已经超过50%。

市场简析

※ 3月份电吹风线下市场一路走高

根据GfK电吹风大中城市线下零售监测数据显示：中国电吹风线下市场在2015年一季度的总零售额同比2014年下降了7.4%，其中3月份的单月零售额却同比增长了7.3%。如此高的增长率主要源于百货渠道和家电连锁渠道日趋明显的高端化。根据GfK电吹风大中城市线下零售监测数据显示，400元以上价格段市场的总零售额占比在2015年一季度同比2014年增长了近5%。驱动高价产品的走红是因为各大品牌带来了更多智能化和创新功效的产品。

2015年4月部分家电零售市场数据简评

空调零售市场零售量规模变动

空调总体市场：销量环比上升0.2%，同比上升3.3%

根据奥维云网(AVC)零售监测数据显示，4月空调整体市场销售规模环比上升，其中零售量环比上升0.2%，同比上升3.3%；零售额环比上升0.3%，同比下降1.4%。

洗衣机零售市场零售量规模变动

洗衣机总体市场：销量和销额同比增长环比下降明显

根据奥维云网(AVC)零售监测数据显示，2015年4月，洗衣机零售市场销量和销额环比分别下降12.5%和8.1%；销量和销额同比分别增长9.0%和11.7%。

冰箱零售市场零售量规模变动

冰箱总体市场：销量同比下降1.0%，环比上升3.9%

据奥维云网（AVC）零售监测数据显示，2015年4月冰箱零售市场监测销量同比下降1.0%，环比上升3.9%；监测销额同比上涨4.1%，环比上升4.5%。均价同比上升5.2%，环比上升0.5%。

空气净化器零售市场零售量规模变动

空气净化器总体市场：4月份的销量同比下降22.1%，环比下降34.6%

2015年4月份净化器市场遭遇低冷，环比3月份整体下降34.6%，同比下降22.1%，4月气温上升，空气质量有所好转，花粉等影响空气因素未对消费者形成有效刺激，消费热情不足，线上线下市场均有所下降，整体缺乏上升动力。

Application of DOE experiment to optimize the zinc aluminum alloy diecasting electroplating process parameters design

MA Sanzhong
(Henan Frestech Electrical Appliance Co., Ltd. Xinxiang 453002)

To carry out quality, improve the efficiency of the project in F company by using the six sigma management technology, and extend to the downstream improve supplier product quality. Aiming at the problem of optimizing the production process parameters hinge aluminum zinc alloy die-casting electroplating molding, using Minitab software, adopting the optimization condition of molding DOE experimental design, to realize the optimization of molding production standard conditions. The technique can be applied to ensure the quality of products, reduce the molding production cycle, improve production efficiency.

DOE; ANOVA; Aluminum zinc alloy die-casting; Electroplating process; Parameter optimization