基于PDCA的电池壳质量改善研究

于 浩 尤筱玥

[1.华域皮尔博格有色零部件(上海)有限公司铸件分厂，上海 210815; 2.同济大学 中德工程学院，上海 201804]

0 引言

新能源汽车发展带来了机遇和挑战，本文探讨的电池壳变形质量问题是困扰公司的挑战之一。铸铝电池壳采用高真空压力铸造的工艺进行毛坯生产，即将熔融态的铝合金注入料筒，通过冲头高速压射入真空度较低的型腔，然后快速冷却成形，获得内外质量较好的铸件，然后进行机加工装配等后供给客户。主要生产流程如图1所示。

图1 铸铝电池壳生产流程

电池壳与传统铸铝缸体相比，投影面积相对较大，约为铸铝缸体的2～3倍；产品壁厚较薄，一般为2～4mm；并且尺寸较为狭长。这些特点造成产品在铸造过程的多个环节易产生变形。在铸件成型的快速冷却过程中，产品厚度不一，应力局部集中，在开模时发生变形；水冷时，铸件急速冷却，产品收缩不一导致变形；切边时，切边模垫刀高度不同而产生不一样的塑性变形。电池壳曾因变形问题、机加工切削余量不一，导致密封槽深度尺寸不一而引起客户抱怨。

大型薄壁结构件的变形是困扰公司的难题之一，目前最常用的方法就是产品压铸、热处理工序后，通过人工进行100%整形，但效率和稳定性得不到保证。行业中有使用整形模、机械整形工装等进行整形，但整形工装需要根据产品造型进行设计，适应不了大批量短生命周期产品，投资回报周期长。本文从源头的压铸工序出发，使用戴明循环(plan-do-check-action cycle, PDCA cycle)作为改善的框架，其中结合试验设计(design of experiment，DOE)和失效模式与后果分析(failure mode and effects analysis，FMEA)等工具，研究变形的影响因素并进行改善。

PDCA循环是由美国质量管理专家休哈特首先提出PDS(plan-do-see)概念，后经戴明完善并推广起来的。其过程主要分为四个阶段、八大步骤，主要是针对要完成的某项事件进行计划的设定、计划实施，然后检查实施的效果，对完成的内容进行经验总结、分享，形成新的标准，不够完善的内容则重新开启新的循环，周而复始不断改善。PDCA原理简单，能够被广泛认可，应用于工作、生活中，能够不断解决问题、及时复盘总结不足再解决问题，螺旋上升式不断提高。

DOE，即试验设计。通常情况下，事件结果受到多因素共同影响，DOE方法就是对这些多方面因素设计试验方案，并进行数据分析，通过数理统计方法确定最优方案。DOE有着广泛的应用，既可以在产品设计时，通过试验识别潜在风险进行设计优化，又可以通过生产制造过程中的运用，识别关键影响参数，同时得出最佳改善方案。

FMEA即失效模式与后果分析模型，是一种重要的质量管理与风险评价工具。其既可用于事先预防，分析潜在失效模式及其产生原因、后果，制定预防措施并提前采取行动，也可用于事后弥补/改进，即分析已发生的失效模式，施行有效的纠偏措施并预防失效再次发生。目前，FMEA在方法改进和决策应用上都得到了充分的研究关注。

1 PDCA循环的重点在P阶段

在PDCA循环法中，计划阶段是重点。计划的合理制定须基于对产品变形现状的准确掌握。因此，制作了电池壳毛坯变形状态的测量检具，如图2所示。

图2 电池壳检具平台设计图

通过移动桁架上数显深度尺测量毛坯密封槽底部高度值，可直观反映产品的变形量，如图3所示。

图3 电池壳检具平台测量图

在检测平台投入使用之前，对检测平台的有效性和可靠性进行了检验。由三名人员分别测量十件电池壳，每件测量三次。测量结果分析得出%GRR为9.85%<10%，该检测平台测量结果可接受。

1.1 分析现状

从电池壳现有库存中随机抽取40件毛坯。为了更准确反映产品变形情况，测量产品长度方向最远端的值。然后对数据进行正态性检验，P=0.746>0.05，因而可认为数据服从正态分布。再进行过程能力分析，Cpk为0.72。按照Cpk的评级标准，0.67≤Cpk<1为C级，表明过程能力比较差，需要改善。

1.2 分析原因和影响因素

对电池壳的变形问题进行头脑风暴，按照人、机、料、法、环、测六个维度进行深入分析。整理后，产品变形鱼骨图如图4所示。

图4 产品变形鱼骨图分析

通过对电池壳产品变形的鱼骨图分析得出末端影响因子有18个，对此进行逐一确认。根据新版FMEA，结合实际生产经验进行评分，根据严重度(severity，S)、发生频率(occurrence，O)和检测难度(detection，D)对应至行动优先级(action priority，AP)评价准则，得出降低风险需求的优先次序，如表1所示。

表1 FMEA分析表

根据FMEA分析表，AP为H的有推杆顶出不合理、切边模未压紧、浸水时间不合适，需进一步确认其是否为主要因素。

1.3 确认主要的影响因素

为确认三个影响因子是否为主要因素，设定了三个因子的参数范围(表2)。首先对三个因子分别设计单因子试验，通过每个因子的不同设置间值判断其是否影响显著，并尝试建立回归关系。随后，对切边模垫片的厚度进行分析。在产品浸水时长和可调推杆延迟距离保持中值且不变的状态下，切边模垫片厚度选择0.5mm、1mm、2mm三个值，稳态下分别连续生产10件产品，测量其密封槽底部高度的数值，如表3所示。

表2 电池壳变形影响因子参数设定

因只改变一个因子以观测对结果的影响，所以对本组数据采用单因子试验分析的方法进行。在单因子方差分析前，需满足三个前提条件：其一，组数据均使用验证过的检具单独测量所得数据，数据互相独立；其二，对数据进行正态性检验，运用Minitab软件中正态性检验功能，对数据处理后，得出正态性检验P=0.269>0.005，数据基本呈正态分布；其三，等方差检验。

表3 不同切边模垫片厚度下密封槽底部高度测量值

图5 密封槽高度值三组数据等方差检验图

从图6所示的密封槽高度值与切边模垫片厚度的箱线图可以看出，不同切边模垫片厚度值下的密封槽高度值之间有着显著的差异。

图6 密封槽高度值与切边模垫片厚度箱线

三个基本前提条件验证后，建立密封槽高度值与切边模垫片厚度的回归关系，继续使用Minitab软件中的拟合线图功能，整理软件输出的方差分析数据，如表4所示，根据表中的P=0.000<0.05，可以判定拟合有效。

从密封槽底部高度值与垫片厚度之间的拟合线图可以看出，不同的垫片厚度与最终的密封槽高度测量值呈负相关的关系，如图7所示。

表4 密封槽高度值与切边模垫片厚度方差分析

图7 Y值与因子A拟合图

利用同样方法对产品浸水时长、推杆延迟距离进行分析。密封槽底部高度值与浸水时长的方差分析中P=0.003<0.05，可以判定拟合有效，二者之间有正相关关系，如图8所示。密封槽底部高度值与推杆延迟距离的方差分析中P=0.000<0.05，可以判定拟合有效，二者之间有负相关关系，如图9所示。

图8 Y值与因子B拟合图

图9 Y值与因子C拟合图

通过上述对三个因子的试验与研究，可以得出如下结论：切边模垫片的厚度、产品的浸水时长以及推杆延迟顶出的距离，均对密封槽底部高度值产生显著影响，是影响产品变形的关键因子。

1.4 制定改善措施

根据单因子试验分析，当切边模垫片厚度处于低水平时，距离目标值更远，舍弃低水平；密封槽底部高度值与浸水时长的箱线图中高水平的输出值几乎包含了中水平的输出值，舍弃中水平。当推杆延迟距离处于低水平时，输出值远离目标，舍弃低水平。因此，DOE试验的因子及其水准的安排表如表5所示。

表5 试验设计因子水平分布

因为只有三个因子，且均只有高、低两个水平，再结合全因子试验可以估计出所有的主效应以及所有的各阶交互效应，所以本文选择全因子试验。按照试验设计计划里运行序的顺序完成本次试验。每组参数正常生产十件。为方便计算，响应变量取高度偏差值，为密封槽高度测量值与理论值差的绝对值，将望目型问题转化为望小型问题，即期望偏差值越小越好。试验数据如表6所示。

表6 试验结果

首先需要分析评估显著性，运用Minitab软件进行分析，得出模型整体P=0.026<0.05，表明可以拒绝原假设(模型无效)，判定本模型是有效的。

从标准化效应的Pareto图(图10)可以看出，3个主效应都是显著的。3个2因子交互效应项中，只有切边模垫片厚度、推杆延迟顶出距离(A*C)显著(图11)。本试验全模型中还有不显著的2因子交互作用，改进模型时应该将它们删除。

删除不显著的2因子交互项B*C和A*B，根据试验数据的方差分析可以得到主效应项和二阶交互项的P值分别为0.001和0.023，均小于0.05，表明应拒绝原假设，即可以判定本模型总的来说是有效的。

经过多次检验，获得较满意的模型。基于此，输出图12所示的结果分析图。

图10 标准化效应的Pareto图

在主效应图中，三个因子回归线都比较陡，回归效果明显。因子A与因子C有交互作用。响应优化器可以看出，要想使密封槽底部高度值趋于中心值的话，需要将因子A和因子C设置在最高的水准，即2mm和4s，将因子B设置在最低的水准，即3mm。密封槽底部高度偏差值可以达到52.5μm的拟合值，即密封槽底部高度值可以达到18.05mm，且复合合意性达到0.895。

图11 标准化效应的正态图

3 DCA阶段的重点是实施和持续改善

3.1 D阶段：实施

改进方案的实施属于PDCA循环的D阶段。根据上文的结论，拆下切边模的刀具，在其背面放置2mm厚的垫片，再将刀具固定在切边模的上模。浸水时间的调整，由工程师登录其权限账号，更改机械取件手的程序设定，使得电池壳在水箱中的时间保持4s，再取出产品。推杆延迟顶出距离在拆下压铸模动模后，根据3mm延迟顶出的尺寸，选择相对应的推杆，安装后可以完成。

至此，针对电池壳密封槽底部高度值的改善方案落实完成。

3.2 C阶段：检测效果

为确认改善效果，需进行检验。在压铸工序连续正常生产情况下，每5件产品抽检一件，共测量50

图12 试验结果分析图

件产品，测量数据均在16.83～18.75mm。使用Minitab软件进行数据正态性检验和过程能力分析，结果如图13、图14所示。

从概率图上可以看出，各散点基本呈一条直线的趋势，P=0.617>0.05，因而认为数据服从正态分布。过程能力指数Cpk为1.52，为A级，表明密封槽底部高度值的过程能力良好、状态稳定。本轮PDCA循环改善有效。

2.3 A阶段：持续改善

通过检验阶段的验证，电池壳变形问题的改善活动已经取得较为满意的结果。需要把成功的经验转化为标准化的文件。同时，在质量改善的过程中仍有不足的地方，需要提出并作为下阶段改进的方向。

2.3.1巩固成效

第一，更新模具图纸及相关文件。本次改善涉及压铸模具的可调推杆延迟距离，需要在图纸及操作指导书中进行更新，避免在模具下机保养或拆装过程中造成错装。切边模的垫片厚度以及工艺参数中的浸水时长需要在标准化文件中进行更新，在调整换型中将其纳入点检项中。

图13 密封槽底部高度值数据正态性分布图

图14 密封槽底部高度值过程能力报告

第二，质量工具的合理运用和准确的数据分析有助于快速解决问题。本次质量改善以PDCA循环为指导方向，综合运用了多种质量工具，对问题的确认起到了关键的作用。确认问题后又运用大量的数据分析，准确给出了最优的工艺组合，使问题得到有效解决。为了使更多的工程技术人员能够熟练运用PDCA循环的方法及其中涉及的多个质量工具，以本次质量改善活动为基础，制定相关的问题解决规范流程，鼓励员工在使用推荐的质量工具同时，能够引入更多、更全面的质量工具，不断更新及完善、规范流程。

2.3.2提出尚未解决的问题

第一，电池壳其他问题分析。对终检出来的所有缺陷类型及数量进行统计，根据二八原则，磕碰和泄漏占所有废品类型的80%以上，具体为占总废品的81.3%。这两项缺陷的改善，将作为下一阶段PDCA循环的主要问题。

第二，其他结构件变形问题的分析与解决。本次电池壳变形问题的有效改善对其他薄壁结构件变形的解决与改善有着重要的指导意义。变形的改善，不仅能降低每道工序因产品变形而无法加工或加工后尺寸不到位造成的损失，也能够极大减少结构件整形工序的工作量，对制造成本的下降有着重大的意义。下一步的PDCA循环，可对其他结构件的变形问题进行深入、系统的分析与改善。

3 结论

本文以电池壳变形问题的解决为例，详细阐述了PDCA循环的推进过程以及其中运用到的质量分析工具。FMEA分析，使得解决问题的方向一目了然。DOE试验设计思想，通过Minitab工具对数据的具体分析，让大家对于问题分析解决中的数据分析有了重新的认识，一些模糊的、以经验为主的缺陷判断有了数据的支撑，可以清晰地找到关键问题所在，便于集中精力解决关键问题，避免了经验主义的盲试。在电池壳变形问题的分析过程中提出的三个重要影响因素对其他结构件变形的分析有着重要的借鉴意义。同时，PDCA方法使得问题解决的方法、流程等更加合理化、科学化，按PDCA循环的方法继续坚持，能够推动公司质量管理水平的提升。