一种自粘铁心生产工艺的改进

朱斌 周燕红 宋建强 俞伟峰

（南通通达矽钢冲压科技有限公司）

0 引言

在电机铁心生产领域，用带有自粘涂层的电工钢制成的自粘铁心具有固定牢靠，电机效率高，振动小，噪音低等许多优点，原多用于磁悬浮列车长定子铁心，高能离子加速器铁心和变压器铁心等，现正向新能源汽车电机、风力发电机等高效电机领域发展。国内外开发、生产这种新涂层电工钢的厂家有德国蒂森、美国阿拉甘尼、日本川崎制铁、中国的宝武和太钢等，钢带及涂层材料不同，电机铁心生产工艺区别很大。某公司在某一客户的大型电机自粘铁心生产过程中，曾因为材料变更，一度面临产品合格率的大幅下降，生产成本的大幅上升，最终通过六西格玛立项，成功解决了这一难题。

1 界定

质量要求：铁心开缝＜0.05mm，压断力≥26t等；原生产工艺：叠压压力36t，加热温度170℃，保持时间略；问题现象：产品缺陷开缝、压断力不够，一次交检合格率76.2%，经返修后报废率15.4%。

铁心生产的主要过程如图1所示。

图1 自粘铁心生产流程图

Y及缺陷定义如图2所示。

图2 Y及缺陷定义

2 测量

分析认为缺陷1有可能导致缺陷2的发生，两者有一定联系，所以，合在一起，针对铁心不合格绘制了鱼骨图，如图3所示。

图3 鱼骨图

对鱼骨图选出的输入因子进行打分，绘制矩阵图，初步筛选关键因子，如表1所示。

表1 因果矩阵表

通过如图4所示的C&E矩阵的Pareto图，找出了影响80%的重要因子，采用FMEA对上述因子进行细化分析，如表2所示。

图4 C&E矩阵的Pareto图

表2 第一次FMEA分析表

通过FMEA对上述因子进行细化以及Pareto图分析（见图5），找出了其中占80%份额的重要因子，通过技术、工艺、质量和生产车间的讨论研究后，认为这些因子中的油污、变形等是可以控制和改善的，通过对铁心生产流程优化进行快速改善，予以消除。消除后因子转化如表3所示，消除这几个可控因子后，产品的一次合格率提升至88.5%。

表3 快速改善后的因子转化表

图5 第一次FMEA分析的Pareto图

针对快速改善后的剩余因子进行了第二次FMEA分析，如表4所示。

表4 快速改善后的第二次FMEA表

通过第二次FMEA分析的Pareto图（见图6），找到了影响80%的关键因子有材料同板差、加热温度、叠压压力， 将此3个关键因子确定为A阶段分析验证的项目输入。

图6 第二次FMEA的Pareto图

3 分析

原工艺文件要求：叠压压力（锁紧力）36t，加热温度170℃，对同板差没有要求，经讨论，设计了以下试验方案，结果如表5所示。

表5 压断力开缝全因子试验结果表

3.1 针对压断力的全因子分析结果

针对压断力的全因子分析结果如图7和图8所示。

图7 压断力的估计效应和系数

图8 压断力的方差分析

从显著性来看，A因子叠压压力、B加热温度、C同板差、AB（叠压压力×加热温度）对应的p值都小于显著性水平0.05，因此可以判断这四项效应是显著的，而其余各项皆不显著。

从因子正态效应图（见图9）和因子效应的帕累托图（见图10）同样得出： A因子叠压压力、B加热温度、C同板差、AB（叠压压力×加热温度）四项效应是显著的，而其余各项皆不显著。

图9 标准化效应的正态图

图10 标准化效应的Pareto图

残差诊断：残差对于以观察值顺序的散点图、残差对于响应变量压断力的散点图分布正常。残差基本服从正态分布。试验有效，如图11所示。

图11 压断力残差诊断图

由压断力主效应图（见图12）和交互作用图（见图13）可以看出：

图12 压断力主效应图

图13 压断力交互作用图

1）在加热温度165 ～175 ℃，叠压压力36～40t范围内，加热温度、叠压压力对于响应变量压断力的影响非常显著；且叠压压力取40t、加热温度取165 ℃时，压断力较大。

2）在同板差0.003～0.013范围内，同板差对于响应变量开缝的影响显著，同板差越小，压断力越大。

3）加热温度、叠压压力的交互作用对于响应变量压断力的影响显著，其余不显著。

由压断力的等值线图（见图14）可以看出：当温度取165～165.5 ℃，压力取38.5～40t，同板差＜0.005时，压断力最大（大于40t，远大于26t的客户要求）。

图14 压断力的等值线图

3.2 开缝的全因子分析

针对开缝的全因子分析如图15和图16所示。

图15 开缝的估计效应和系数

图16 开缝的方差分析

从显著性来看，C因子同板差对应的p值小于显著性水平0.05，因此可以判断其效应是显著的，而其余各项皆不显著。

从因子正态效应图（见图17）和因子效应的帕累托图（见图18）同样得出： C因子同板差效应是显著的，而其余各项皆不显著。

图17 标准化效应正态图

图18 标准化效应的Pareto图

残差诊断：残差对于以观察值顺序的散点图、残差对于响应变量压断力的散点图分布正常。残差基本服从正态分布。试验有效，如图19所示。

图19 开缝残差图

由开缝主效应图（见图20）和交互作用图（见图21）可以看出：

图20 开缝主效应图

图21 开缝交互作用图

1）同板差对于响应变量开缝的影响非常显著，同板差越小，开缝越小；

2）在加热温度165～175 ℃，叠压压力36～40t范围内，加热温度、叠压压力对于响应变量开缝的影响不显著；

3）因子同板差、加热温度、叠压压力的交互作用对于响应变量开缝的影响不显著。

由开缝等值线图可以看出（见图22）：

图22 开缝的等值线图

1）在加热温度165～175 ℃，叠压压力36～40t范围内，开缝和加热温度、叠压压力基本无关；

2）在上述加热温度和叠压压力范围内，同板差＜0.006时，开缝＜0.05，符合客户要求。

由开缝与加热温度、叠压压力的曲面图可以看出（见图23）：

图23 开缝加热温度、叠压压力的曲面图

1）在加热温度165～175 ℃，叠压压力36～40t范围内， 加热温度、叠压压力对响应变量开缝的影响范围很小；

2）在上述加热温度和叠压压力范围内，加热温度取165 ℃ 、叠压压力取40t时，开缝最小。

3.3 同板差因子分析

开料方式及排样图如图24和图25所示。

图24 开料方式

图25 排样图

产品混料方式及开料位置（见图26）：开缝位置多位于铁心头尾两端处，即A卷和C卷冲片处。

图26 产品混料方式及开缝位置

其他混料方式及结果如表6所示。

表6 其他混料方式及结果

综上分析，铁心开缝主要由于A或C卷冲片导致。某材料分卷后同板差测量如表7所示。

表7 某材料分卷后同板差测量数据

A、C卷同板差分别平均为0.0094、0.0078，并且在原材料边缘30mm范围内，材料变薄最明显，B卷同板差平均为0.0048。通过A、B、C卷冲片同板差的测量及Xbar-R图分析，B卷冲片的各点厚度相对稳定一致（同板差相对较小）。这也加强证明了之前全因子分析中材料同板差对开缝的影响。

分析阶段小结：通过A阶段的验证与分析，基本确定了加热温度、叠压压力、同板差是压断力的关键因子；同板差是铁心开缝的关键因子，即铁心开缝关键影响因素是同板差，同板差越小开缝越小。

4 改进

通过A阶段的验证与因子分析，确定了影响铁心合格率的关键因子为加热温度、叠压压力、材料同板差。根据钢卷基本常识，同板差不可完全消除。因此可以通过改变叠压铁心时冲片配比的方法，或者减小冲片同板差的方法，来降低铁心开缝情况的风险。

1）通过前述试验，选温度165℃，压力40t。

2）同板差减小——开料工艺改变（见图27）。

图27 原材料开料方式优化

3）减小同板差影响并简化叠压工艺——混料工艺改变。原混料方式：Aa+Ab+Ba+Bb+Ca+Cb 每段各占六分之一；改进后混料方式：QAa+QAb+QAa+QAb+QAa+QAb 每段各占六分之一；Or： QBa+QBb+QBa+QBb+QBa+QBb 每段各占六分之一。

说明：原混料方案也能在一定程度上消除同板差影响，但需要6种冲片混料，改进后只要2种冲片混料，工艺更简单，便于更好地进行现场控制。

4）改进后的效果：一次合格率提升至98%，经返修后报废率降到0%。

5 控制

1）进行了工艺文件的优化、下发和培训落实。

2）改进半年后的收益：①硬性收益。一次合格率由76.2%提高至98%，报废率由15.4%降至0%，改善后生产5套产品，实际节约成本 =(15.4%-0%)×（144×5）×（12000-0.3×2500）+ (98%-76.2%)×（144×5）×200=249.48+6.2784≈128万元。②软性收益。铁心的一次合格率由76.2%提升至98% ，报废率由15.4%降至0%，减少在整理工序时的修补，提升了效益，同时铁心质量的提升，对公司的产品声誉和品牌力等都会带来巨大的无形收益。

6 结束语

冲片的同板差一直是影响铁心形位尺寸的一个关键因素，在自粘铁心的生产制造过程中依然如此，并且和自粘铁心的叠压压力、加热温度、保持时间等一起，决定了铁心粘结固化的效果，包括开缝和压断力大小。通过选裁材料减小同板差或者混料减小同板差的影响，可以有效提升自粘铁心的一次交检合格率。