六西格玛方法提升新型火箭发动机喷嘴合格率

刘 焱 柳 洋 陈宏亮 幺 健 张 亮 毕 凯



六西格玛方法提升新型火箭发动机喷嘴合格率

刘 焱 柳 洋 陈宏亮 幺 健 张 亮 毕 凯

（首都航天机械公司，北京100076）

利用氢喷嘴可以控制火箭发动机燃料和氧化剂的比例，其制造精度要求达到微米级，产品重要尺寸常无法满足设计精度，导致零件报废。利用六西格玛工具找出造成产品缺陷的关键因子，并从切削参数、装夹方式、刀具因素、人员技能及机床因素5个方面加以优化，产品合格率由改善前的38%提升至90%，取得了圆满的效果。

六西格玛管理；切削参数优化；过程控制

1 引言

六西格玛管理以顾客为中心、以质量经济性为原则，以数据为基础，追求几乎完美无瑕为目标的管理理念，其核心实施步骤为：确定问题、测量现状、分析问题、改进优化和保持效果五个阶段，是一门科学研究的理论指导。产品质量稳定性对于航空航天产品，至关重要，引入六西格玛的管理方式，对于航天制造业的质量控制意义重大。

氢喷嘴是火箭发动机关键零件，材料为难加工的高温合金。该产品精确控制燃料与助燃剂的比例、流量，且在高温高压下工作，设计部门对于产品尺寸精度提出了极高的要求。实际制造过程中，产品合格率及过程能力水平低，无法满足使用要求，带来了损失[1]。六西格玛管理方法解决氢喷嘴零件合格率低的问题。

根据产品实际情况，将产品合格率由38%提升至90%以上，最终目标为100%，即零缺陷。在产品工艺稳定性方面，选取产品关键尺寸——喷嘴直径，作为检测对象研究产品过程能力（Cpk）。

2 测量阶段

2.1 测量系统分析（MSA）

表1 测量系统MSA分析（部分数据）

测量工具为内径千分尺，随机抽取10个产品进行试验。重复检验2次，共60个数据，对测量系统进行了MSA分析[2]，分析结果如表1所示。

将表格中的数据导入Minitab软件中，执行量具研究，方差分析。测量系统分析如表2所示。可区分的类别数=15。通过Minitab计算出：a. 方差/研究变异9.03%；b. 重复性检验为8.42；c. 可辨别范围为15。

表2 量具运行图

2.2 过程能力分析

表3 现状数据（部分数据）

收集工艺改进前产品数据，如表3所示，分析过程能力。经过验证，正态概率大于95%，且所有数据都在控制线以内，利用这一组数据研究产品的过程能力[3]。结果如图1所示：Cpk为0.19，与标准值1.33差距大。目标Cpk设为0.8，且产品合格率95%以上。

图1 过程能力分析

2.3 因果矩阵分析（C&E）

影响产品质量所有因子共计21项，对这些因子重要程度打分，筛选出80%的重要因子。

2.4 失效模式分析（FMEA）

对因果矩阵分析后获得9个潜在的缺陷模式进行FMEA分析[4]。刀具使用情况、装夹系统、机床精度、人员技能、切削参数这5项占失效因素的80%以上。

3 分析阶段

对筛选出来的5个因子进行显著性分析。运用DOE全因子试验设计、双样本T检验。

3.1 快赢改善

快赢改善装夹方式、人员技能。产品毛坯料尺寸长，车削过程毛料高速旋转，由于离心力作用，绕轴线摆动。在机床送料处，增加防甩料装置，减小毛坯摆动对产品车削精度的影响。未经培训的机床操作者加工产品尺寸误差大，完成产品总数少。针对此问题提出快赢改善。

4 改善阶段

表4 曲面响应试验（部分数据）

采用DOE部分因子加中心点的方式优化参数，共设计9组试验。经过分析，机床精度越高，产品质量越好，但切削速度和刀具时间存在弯曲效应，设计了DOE响应曲面试验，收集20组数据，试验数据见表4。

拟合出切削速度、刀具时间二因子的最优组合区间：切削速度150～180m/min，刀具使用时间150～230min，机床精度为2μm，生产的产品尺寸满足要求。

5 控制阶段

5.1 改善效果验证

收集改进前后产品数据，见表6。可以看出，随着项目控制阶段完成，优化措施落实，产品合格率提升。

表6 改进前后产品交付情况汇总

5.2 过程能力分析

图5 优化后的过程能力

测量改善后某一批产品喷嘴直径数据，验证改善后的过程能力，分析结果如图5所示，取得预期效果。

a. 改善后Cpk=1.02，超出设定目标0.8，产品的过程能力提高，达到了航天制造行业先进水平。

b. 改善后产品合格率达到91%以上，超过了项目初期设定的目标90%。

6 结束语

六西格玛管理作为当前研究的热点之一，逐渐成为取得效益的有效途径，并发展为战略改进，业务变革和解决问题的最佳实践。组织开展的一个实际项目，有效地提升发动机关键产品的合格率与工艺稳定性。

1 彼得潘德，罗伯特纽曼. 六西格玛管理法：追求卓越的阶梯[M]．北京：机械工业出版社，2001

2 德菲欧，巴纳德. 论六西格玛：突破与超越[M]．北京：中国人民大学出版社，2005

3 张宏伟. 六西格玛核心教程黑带读本[M]．北京：中国标准出版社，2002

4 于洪彬. 六西格玛管理在我国制造业中的运用[D]．南京：河海大学，2007

Improve Quality of Launch Vehicle Nozzle by Using Six Sigma Method

Liu Yan Liu Yang Chen Hongliang Yao Jian Zhang Liang Bi Kai

(Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076)

Hydrogen nozzle can be used to take accurate control of the proportion of fuel and oxidant for rocket engine, and the manufacturing accuracy has even reached micron grade. While in the process of practical production, some important sizes cannot meet the design accuracy, which leads to part scrap. The six sigma tools are used to find out the key factor of the product defects, such as the cutting parameters, the clamping method, cutter, staff skills and machine tool. In the end, the qualified rate increases from 38% before to 90%, which comes out a satisfactory result.

six sigma management；cutting parameter optimization；process control

刘焱（1981-），硕士，航天工程专业；研究方向：质量管理。

2016-12-16