耐磨环的质量改进研究

陈 莹，赵 清

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

0 前言

现如今，随着经济的快速发展以及农业向工业的转型，国内对机械的需求量越来越大，其质量性能要求也越来越高[1]。耐磨环作为机械设备的关键零部件也受到了越来越多的关注。

耐磨环为泵送系统的关键零件，泵工作状态下易出现机械故障和效率低等现象，会对工厂制造业领域造成不良影响。泵在不良操作条件下，耐磨环仍可以运转，这对泵起到防御作用，同时可以控制液体的回收循环情况。所以，进一步优化耐磨环性能刻不容缓。传统的耐磨环是以异种金属材料制备而成，但是由于金属材料的特性所限，阻碍了泵体功能的进一步提高[2]。耐磨环工作原理见图1。两个柱塞缸轮换工作，耐磨环需在耐磨板上进行不断地往复滑动[3]。因此，接触面常出现磨损现象，造成密封不严，故将会不定时的更换[4]。然而，更换过程费时费力，降低了生产效率。所以，提高耐磨环的质量显得尤为重要，具有广阔的发展前景。

1 耐磨环的问题现状分析

耐磨环的硬质合金是保证耐磨性的重要基础。其中，影响耐磨环耐磨损性能的重要因素主要有硬度、温度、强度以及表面粗糙度等。本文抽取了100 个废弃的耐磨环，并统计了各种废弃耐磨环的数量，见表 1。

表1 耐磨环毁坏原因统计

耐磨环毁坏原因并不是只有一个，而是多个原因共同造成的，为找出影响耐磨环质量的“关键的少数和次要的多数”，利用Minitab软件绘制出排列图进行分析[5]，如图2所示。

图2 毁坏原因的Pareto图

根据图 2所示，造成耐磨环毁坏的主要原因有强度、粗糙度和硬度几种因素，因此，对强度、硬度和表面粗糙度三种主要因素的影响作用进行分析。

初步分析可知，材料配比影响耐磨环的强度和硬度，而表面粗糙度一般是由加工过程所造成的，因此，造成耐磨环毁坏的主要原因是材料本身，其次可能是生产过程能力不足。所以，对生产过程能力进行深入分析。

2 过程能力分析

耐磨环的生产过程有十一道工序，初步分析后，确定开槽部分是十分关键的工序，若这部分工序达不到要求，槽深不合格或者是平整度不够，都会使得与之配套的硬质合金不能很好的发挥其耐磨性能。用排列图对开槽工序中耐磨环质量出现问题的原因进行分析，如图3所示。

图3 开槽工序不合格原因的Pareto图

2.1 SPC 分析

由上述分析得知，耐磨环的深度问题是研究的主要问题。随机选取125组数据，见表2。

(3)根据公式

得R图的控制限：

表2 耐磨环深度数据 cm

(4)根据公式

(5)作控制图运用Minitab软件绘制耐磨环深度的均值极差控制图，如图4所示。

从图4看出极差和均值均在界内；由判稳准则:连续25个点，界外的点数d=0；连续35个点，界外的点数d≤1；连续100个点，界外的点数d≤2；，生产系统的生产过程处于统计控制状态，生产平稳。

图4 耐磨环深度的均值极差控制图

2.2 SPD分析

计算短期过程能力指数[7]：

μ=M=24.5

T=TU-TL=0.6

长期过程能力指数即过程性能指数

由表中数据计算得

绘制产品的工艺过程能力图如图5所示。

图5 工艺过程能力图

根据GB/T4091-2001，要求CP≥1.33，这是4σ控制的情况，由计算的结果可知，CP=0.55<1.33，工艺过程能力欠佳。因此分析问题并采取相应措施，需进一步优化处理。

2.3 头脑风暴法

采用头脑风暴法，对工艺、职员、机械设备、周围环境等主要方面来分析及改进。

(1)工艺方面。对加工工序进行完善，前后对比见图6。

图6 改进前后的加工工序比较

(2)人员方面。开槽工序，前一道工序有四台车床,而该工序仅有一台，使得该机床工作量过大。经观察，操作者在一个生产周期中操作时间为3 min，而在次周期中机器有效加工时间为10 min，根据公式

可以算出可同时操作4台机器。考虑到实际情况，可以让操作者同时操作两台机器。

(3)机器方面。A公司多为老旧设备，已经不能满足精度要求。然而，设备是确保生产过程能否进行的重要基础。设置更加精密的定位装置设备，加强自动化程度，有助于提高加工质量。因此，有必要更换老旧设备，增加新设备的投入。

(4)环境方面。A公司车间里充斥着让人晕眩的噪音和刺鼻的气味。其中，铸造车间更是酷热难当。这无形中会影响产品的质量。为了解决此类问题，工作场地需配备有效的通风系统及必要的安全保障技术，厂房内的空气中有害物质必须严格控制在相关环保规定以下。噪音应控制在85 dB以下[8]。此外，工作车间应具备良好的自然采光及照明系统。同时，需要落实现场5S，为生产高质量产品提供良好的基础。

3 耐磨环硬质合金配方实验设计

耐磨环硬质合金配方问题是 A公司面临的头号难题。目前，已验证三种配方在试验后增大了耐磨环的耐磨性、提高了硬度。但是，具体采用哪一种配方，需要进一步研究。因此，针对贵公司要求，采用正交试验设计[9]的方法，对三种配方进行评估，进而为A公司提供最佳方案。

(1)实验目的。按照企业要求，选出最佳方案。

(2)试验指标。耐磨环的耐磨性和使用寿命达到期望的要求，表现为较高的硬度和强度，数值越大越好。

(3)确定因子水平。耐磨环硬质合金的成分有九种以上，为便于试验设计，只考虑耐磨环的主要成分因素，WC、Ni、Cr、Fe 四种成分含量(%)分别对应A、B、C、D，选择了三种方案，如表 3所示。

表3耐磨环硬质合金的主要成分因素-水平表

水平A/%B/%C/%D/%160～6314310～13264～6715514～17368～8016718～21

A公司硬质合金的材料配比一次为 300 kg，表3列出的是单位原材料中 WC、Ni、Cr、Fe 四种主要成分的含量。综合考察抗弯强度和硬度，对试验逐个评价，按效果打分，将打分的结果作为试验结果进行数据分析，这样把多指标问题转化为了单指标问题。试验计划与结果见表4所示。

对指标的影响程度依次是：C、D、B(A)、A(B)。所以，最佳条件是C3D1B2A1。

4 Topsis法评价

根据本文的分析和改善方案，用Topsis法[10]进行评价。

评价方案所选指标为生产量、销售量、开槽合格率、铜焊合格率、总合格率和平均使用寿命，所记录数据为2016年3月份至9月份的结果，见表5。

表4 试验计划与结果

表5 A公司2016年3-9月份主要指标

平均使用寿命属于低优指标，为了提高计算的准确度，应把平均寿命转化为高优指标，即把其倒数值乘以 100，可得归一化矩阵为：

A=

由矩阵A可得，最优和最劣方案分别为

从表6可以看出，从3月至9月生产状况呈现上升的趋势，最近的9月最好。所以，可以认定，改善方案是可行的。

月份D∗iD-iCi排序结果30 40890 20490 3338640 35700 15970 3091750 26150 20340 4375460 29950 16530 3556570 20640 39020 6541380 16820 34370 6714290 19340 40900 67891

5 结论

本文通过质量管理方法和试验分析，结合Minitab软件，提出了耐磨环基体硬质合金元素最佳配比方案，并对关键工序进行了改进，使得耐磨环的合格率提高到了98%。提高了公司的质量水平，削减了质量损失，赢得了经济效益，对实际生产具有一定的借鉴作用。

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