ASQ QP分享《喷漆流程痛点 - 用实验设计法对喷漆附着力进行局部测试》-美国质量学会ASQ North Asia
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ASQ QP分享《喷漆流程痛点 - 用实验设计法对喷漆附着力进行局部测试》

发布日期:2017-12-13 11:28:21
  • 本案例中的制造商在质量审核期间发现零部件上的喷漆附着力存在问题;

  • 制造商组建了研究小组对不合格品进行分析。通过实验设计软件创建模型,研究小组对影响喷漆附着力差的原因进行了探索;

  • 在全部5个因素中,研究小组认为只有喷漆工序采用的方式对结果具备统计学意义。


实验设计(DOE)是一个强大的统计工具,既能对影响结果的变量进行计划、分析,也可以对测试结果进行解释。一家生产嵌入式登车桥的制造商运用DOE解决喷漆局部附着力差的问题。

制造商的质量部门在一次常规审核中发现了喷漆附着力不合规的现象,具体来说是登车桥后车架的立柱油漆剥离和脱落。这次审核的发现提交到了纠错行动会议上,会上明确了深究不合规原因的任务,并为此成立了非正式的专家小组。

在介绍团队如何深入挖掘问题原因、拿出解决方案之前,有必要先对登车桥和后车架做一些背景介绍和名词解释。


什么是登车桥?

登车桥(又称高度调节板、垂直升降架)是一种高度调节装置,用以补偿建筑物地面和平板拖车之间的高度差。副车架(前后车桥的骨架,是前后车桥的组成部分)由后车架和纵架组成(见照片1),后车架上有若干立柱(见照片2)。

照片1  登车桥车架

照片2 坞式轿车架


为防止生锈,登车桥的所有零件均需涂上油漆。因此在制造流程中,生产线工作人员要按规定操作并创建登车桥的各项检查记录,以确保符合规程要求。

除了常规生产检查之外,质量部每周还要开展一次大规模例行内审,检查登车桥是否符合外观、尺寸和功能的规格要求。外观检查则包括测试油漆厚度、控制漆片色彩匹配度和喷漆附着力。

为了解决立柱喷漆附着力差的问题,质量部专门成立了一支研究小组。


调查流程

研究小组遵循“五步法”展开了攻关:

步骤1 —— 陈述问题并选择输出。小组将问题陈述为“确定哪些因素影响登车桥后车架的立柱喷漆附着力”。下一步,需就如何衡量喷漆附着力好坏形成一致的理解:输出是什么、怎样测量喷漆附着力。

组员们一致认为,可以沿用ASTMD3359标准进行质量控制划痕测试。所谓喷漆附着力划痕测试,是使用一种特殊的通用工具,角度为90度擦漆面直至露出基体材料;用特殊胶纸贴在切割表面,用后再将其移除;测试区域按去除油漆的百分比进行分级(见

照片3~照片6)。

照片3 划痕测试仪

照片4 划痕测试切口面积

照片5 切割表面的胶纸

照片6 划痕测试结果

步骤2——选择输入并确定测试的水平。随后,研究小组就哪些流程因素影响油漆在立柱上的附着效果进行了认真地研究、深入地探讨,并重新审议了立柱作业流程和规范。

经过讨论,组员一致认为,油漆立柱间的附着力取决于两道工序:喷漆采用的方式和喷漆线之前的表面处理。

测试因素前,要先拟定对不同因素的测试项目。喷漆分为自动、人工两种,而喷漆前影响立柱表面处理的因素主要包括:

  • 是否用切削液将立柱切割成需要长度?

  • 切割完毕,是否需要进行特殊清洗以去除切削液?

  • 是否进行了抗飞溅处理?

  • 是否需要清洁剂?

团队认为,为了确定到底有哪些因素影响了立柱喷漆附着力,应对以下10个组合进行测试(见图1右侧)。图中顶部的第一个组合是这样对立柱进行处理的:干切,不使用切削液;无需特殊清洗,无防飞溅处理也不采用清洁剂;对立柱进行人工喷漆。而图1下方的最后一个组合是用切削液将立柱切割成所需长度;无需特殊清洗或防飞溅,但采用清洁剂;为立柱进行自动喷漆。

图1 喷漆前的处理组合

从图1中可以看出,如果测试希望覆盖到每一个可能因素,则所需组合至少是10个。接下来的问题是确定每个组合需要运行的次数。

步骤3——对测试或实验的方法做出选择。在讨论运行多少次才能进行测试(复盘)问题之前,先要挑选一种适合的测试方法。在实验设计(DOE)诸多方法之中,有几种不同测试设计可供选择,如阶乘因子试验、图像分割法和中心复合法(曲面试验设计最常用)。

测试设计或模型选定后,要确定测试多少次具有一定统计学意义。团队最后将多级分层图像分割设计确定为本次测试的模型,也就是一般因子试验。团队使用专业软件(Stat-Ease' s Design-Expert 9)中的实验设计软件包,测试运行数量定为10个组合每组测4个,即40次试验。将信号盲检测值设为1.0,盲估计过程标准差为0.5,表面处理beta值为86.4%,油漆处理过程beta值为99.9%,共重复测试或运行4次。理想的beta值>80%。

步骤4——测试并收集数据。DOE软件提供了随机运行表(见表1),依照重复试验、随机化和分组的实验设计三大基本原则,40个试样按运行表进行处理(测试过程见照片7、照片8)。

表1 部分随机运行表

照片7 立柱试样

照片8 立柱试样

所有工序完成后,对立柱进行划痕测试(见照片9、照片10)。

照片9 划痕测试立柱

照片10 划痕测试立柱

划痕测试对同一区域的所有立柱进行。3位业内专家对测试结果进行了审核,将立柱划痕效果从最差(1)到最好(41)进行排序——为避免软件将排序误认为缺省值,不以“0”为起始记录结果。

测试过程中,研究小组观察到不同油漆厚度会对结果造成影响。为确定油漆厚度是否影响划痕试验结果,研究小组对每根立柱的油漆厚度进行3次读数,取其平均值。3次油漆厚度读数后,才在40根立柱周围进行划痕试验。划痕测试和油漆厚度读数的试样实测如表2所示。

表2 试样测试结果

步骤5——分析数据以确定最佳组合。DOE软件可选方差表和图形对数据进行分析。对喷漆附着力进行的DOE软件分析表明,喷漆附着力的决定因素在于油漆工序,自动喷漆在喷漆附着力方面优于人工喷漆;而不同的立柱表面处理对划痕测试结果造成的差别无统计学意义(见图2)。

图2 喷漆附着力实验设计软件分析结果

对数据进行残差图等分析并没有太多的新发现。喷漆工序的P值<0.0001。P值表示结果由模型之外的变量所决定的,因此,p值越小,越有理由拒绝原假设,越能说明两者有差异,选择测试因素具有统计学意义。本研究中P值<0.0001,我们得出的结论是喷漆工序对立柱喷漆附着力的影响具有统计学意义。

立柱处理因素的P 值为0.8312(P值最大或极端值为1,即无统计学差异),说明立柱处理对喷漆附着力的影响没有多少统计学意义上的差异。

至于油漆厚度,软件显示采用不同喷漆工序有统计学上的显著差异。

对诊断图分析后发现了异常值,剔除异常值后再次分析,喷漆工序的P值仍为<0.0001,由此说明喷漆工序是决定立柱油漆厚度有统计学意义的因素。立柱处理P值为0.0010,也表明它是一个对立柱油漆厚度有统计学意义的影响因素。采用人工喷漆,立柱油漆量会更多一些(见图3)。

图3 油漆厚度实验设计软件的分析结果

实验设计软件提供的另一个结果显示油漆厚度与立柱特殊处理间的统计差异。通过自动喷漆线处理立柱的油漆量与立柱处理之间的差异无统计学意义。但通过人工线处理,油漆量则有统计学上的显著差异。

立柱通过特殊处理(切割液、防飞溅)的人工喷漆,又比采用特殊清洁剂的人工喷漆,立柱上的油漆量更多,证明有统计学意义。3个红点(人工喷漆处理)立柱处理均高于其余2个,表明油漆厚度有显著差异(见图4)。

图4 油漆厚度交互作用的实验设计分析结果

因为油漆厚度被证明是一个有统计学意义的因素,团队又增加了一组测试以确定喷漆附着力与油漆厚度是否相关。而统计分析显示两个因素间没有统计上显著的相关性(见图5)。

图5 喷漆附着力与划痕排序图

计算出的R ² ( 可决系数) 为0.02236,表示油漆厚度和喷漆附着力这两组数字之间不存在线性相关性(0.000表示最差,1.000为最好,一般认为超过0.800的模型拟合优度比较高)。

而单侧t检验的零假设是两组数字为非正相关。t检验值<0.0001表示我们不能拒绝零假设,得出的结论是没有证据显示两组数据呈正相关。


特殊油漆流程

研究小组发现, 采用自动喷漆方式比人工喷漆令立柱喷漆附着力更好,统计学上有显著差异。通过自动喷漆的立柱在划痕试验的结果略优(不论是否做表面处理),立柱上的油漆厚度足够少、脱落结果又可接受。单侧检验分析表明,喷漆附着力与油漆用量无关。

通过优化立柱喷漆工序,可以实现成本节约,通过自动喷漆工序对立柱进行喷漆可减少用漆。此外,由于是否做表面处理对自动喷漆的喷漆附着力影响不大,该步骤可以省略。


作者简介:

克里斯托弗· 伯托尼(Christopher N. Bertoni):位于美国卡罗尔顿的4F前线工程解决方案公司质量技术服务总监,ASQ会员;从佛罗里达大学获得了工业与系统工程硕士学位。

译者 陈晓华(CAQ)