六西格玛设计在新钢种开发试制中的应用

1、.PAGE ：.；六西格玛设计在新钢种开发试制中的运用以QNQR新产品开发试制为例万兰凤 郭振和 殷胜 王志陵、 宝钢股份梅钢公司科技部，南京，； 上海朱兰研讨院，上海，摘要：文章论述了梅山钢铁股份简称梅钢将六西格玛设计方法引入产品研发的根本想法，描画了六西格玛设计的定义及其作用，在研讨了六西格玛设计模型的根底上，结合梅钢资料设计及消费的特点，提出了梅钢DCOV的独特设计模型，并以QNQR新产品开发试制为例，详细引见了梅钢采用该模型在新品开发中运用的全过程，并验证了有效性。关键词：DFSS、DMAIC、QNQR、DCOV、界定、概念、优化、验证.引言降低车辆自重、提高整车性能是满足火车提速的前

2、提，因此铁道部于年提出：新造货车上全部采器具有高强度、高耐候特性的QNQR热轧钢板，替代以前采用的较低级别钢种。QNQR附加值高，市场需求量大，具有宽广的市场前景。QNQR不仅要具有高强度，而且还要具有优良的综合力学性能、良好冷成型加工性能、焊接性能及耐腐蚀性能，是目前梅钢所消费的产品中合金元素及含量最多的产品，因此对产品的设计及消费等工艺都提出了严峻的挑战。至年以来，梅钢不断采用六西格玛改良的方法提高产质量量、优化工艺过程，获得了很好的效果，但如何将六西格玛方法引入设计开发过程不断是梅钢的困惑点；再者QNQR新钢种设计开发的难度极高，基于如上两方面的缘由促使梅钢产生了在新品研发中运用六西格玛

3、设计思想及方法、的想法。.六西格玛设计六西格玛设计DFSS诞生于上世纪九十年，是一种以六西格玛程度为目的的产品设计及过程设计的系统方法，源于系统工程。DFSS采用统计方法量化系统性能与相关设计参数、过程参数之间的关系，面向产品全生命周期，把关键顾客需求设计到产品中，从而到达提高产质量量、加快产品开发速度、降低产品生命周期本钱的目的。六西格玛设计DFSS与六西格玛改良DMAIC，两者之间的区别就好比把旧裤子补一补再穿与买条新裤子之间的差别。六西格玛设计不是对如今产品或流程进展改良，而是要从一开场就把产品或流程设计得无懈可击。以事先的投入来节约事后的修补。DFSS目前还没有一致的处理问题的方式，常

4、见的方式包括：DMADV即界定、丈量、分析、设计、验证、IDDOV即识别、界定、开发、优化、验证、ICOV即识别、描写、优化、验证等。这些方式虽表述各异，但内容大同小异，以设计流程为主线，每一步骤采用统计方法来优化与评价，从而减少设计缺陷与变卦。.QNQR新品开发过程大多数六西格玛设计方式其出发点是从零开场的设计活动，或者说是原始创新，而较多的情况是引进消化吸收再创新，也就是说从母公司、总公司或其他途径可以获得部分设计资料，重点是完成“本企业化的任务，找到切合本企业实践的整体设计方案。梅钢基于此对DFSS模型进展微调，构成了独具梅钢特征的DCOV设计模型，即界定工程Define、设计概念Con

5、cept、设计优化Optimize及设计验证Validate。.界定工程Define该阶段的主要任务包括：组成多功能的设计工程团队；对顾客需求进展分析；对工程目的及流程进展界定；对QNQR产品及工艺设计的重点和难点进展分析。.顾客需求界定运用QFD的方法将顾客之声转化为设计的关键质量特性，并结合KANO模型确定关键质量目的、当然质量目的、潜在质量目的。结果见表。表 顾客需求的质量目的关键质量目的当然质量目的潜在质量目的化学成分外表质量性能各向异性力学性能包装质量N、H、O含量冲击功卷重焊接性能耐腐蚀性质量证明书板形结合技术分析、竞争对手比较分析及顾客的要求，确定了如下设计目的：化学成分及性能要

6、求表 化学成分Wt%熔炼分析值牌号CSiMnPSCuCrNiQNQR.备注为改善钢材性能，可以参与V、Nb、Ti等元素表 力学性能及工艺性能厚度规格mm下屈服强度ReLMPa抗拉强度RmMPa断后伸长率L=.mmA %弯曲实验a-试样厚度弯心直径.d =a.d =a表 冲击性能试样尺寸mm试样方向实验温度冲击功J.mm横向-其他要求晶粒度级别不低于级；非金属夹杂物：A类级别不大于.级，B类氧化物级别不大于.级；耐腐蚀性能，对耐大气腐蚀钢新种类，须进展室内加速腐蚀实验周期浸润腐蚀实验等以验证其耐腐蚀性能，产品相对于QB腐蚀率%QB腐蚀率为%。.流程界定结合梅钢新产品开发程序文件、顾客需求及六西格

7、玛设计流程，确定了QNQR设计开发的矩阵流程，经过全流程的分析，明确输入、流程、输出间的逻辑关系；确定了关键环节：QNQR钢种的特点在于化学元素多，对钢种气体含量、夹杂物控制要求高，因此炼钢工艺是重点环节。对炼钢工序也进展了SIPOC分析，为难点和重点分析及系统设计提供根据和方向；经过流程界定也明确了设计的关键途径及设计开发的风险要素，为时间管理提供了根据。.重点和难点分析从总体和部分两个角度对QNQR设计开发的难点和重点进展了分析，包括化学成分设计、过程设计、本钱设计及消费控制，进一步明确了后续设计的方向和重点。. 设计概念Concept经过确定关键的设计要素和关键过程要素，为下一阶段进展优

8、化设计提供根据。引入失效方式及影响分析(DFMEA、PFMEA)，将能够的失效方式消灭在萌芽形状。.确定关键设计要素经过QFD质量功能展开，将顾客的需求FR力学性能、耐腐蚀性、焊接性等转换成设计参数，即化学成分，采用相关矩阵打分，分制，分数越高表示相关度越高，+为正相关，-为负相关，评价设计要素的重要性，并对元素之间的交互作用和影响进展了分析，找到和确定了关键设计参数。表 设计参数重要性评价 设计要素功能CSiMnPSCrNiCuTAlFR+-+-FRn-+重要性评价绝对值.确定关键过程参数采用因果矩阵方法，将设计参数转化为炼钢过程参数，并进展评价，确定炼钢过程中的关键点。详细方式如表所示：表

9、 过程要素分析部分.设计评审确定了关键的设计参数和关键过程参数后，概念设计根本完成，但该设计系统能否存在风险和隐患那么要进展评价。采用SDFMEA、DFMEA、PFMEAD的方法对产品设计及工艺设计进展风险评价，并针对高风险要素采取改良措施。经过FMEA发现设计要素中存在机械性能和耐腐蚀性能两个方面的脱漏，连铸浇注、控轧控冷工艺中存在过程参数高风险环节，并分别修正了设计参数和工艺参数。.设计记分卡六西格玛设计管理的是多个质量特性，每个质量特性又由多个设计参数和多个过程参数所决议。如何保证综合性能最优？哪些质量特性才干过剩？哪些质量特性才干缺乏？如何改良缺乏的特性？这些错综复杂的变化需求管理工具

10、来理清脉络，记分卡就是实现如上目的目视化管理工具见表、表，记分卡还记录了整个设计过程的质量特性的才干涉测。表 设计记分卡一DPs单位规范范围规格才干涉测SIGMA程度实绩设计参数MinMaxLSLUSL均值动摇Cpk短期长期DPMO均值动摇Cpk表 设计记分卡二FRs传送函数规格才干涉测SIGMA程度实绩功能要求单位分布公式目的值LSLUSL均值波动Cpk短期长期DPMO均值波动.优化设计Optimize界定阶段明确了顾客需求，设计概念阶段确定了关键设计参数和关键过程参数，优化设计阶段要确定设计参数和过程参数的目的值及容差。通常是利用现有数据库中的相关数据，建立性能质量特性的传送函数模型，然后

11、采用蒙特卡罗的方法进展优化，最终得到合理的设计方案。即综合性能最正确，同时本钱最低。.初步设计方案效果预测根据宝钢分公司相关数据及梅钢化学成分实践控制程度，确定初步化学成分设计方案，制定了炼钢工艺制度、热轧工艺制度。下一步需求利仿真手段来预测初步设计方案的效果。要仿真首先必需建立传送函数，首先利用现有的数据库数据进展回归分析，找出各性能与化学成分之间的关系，建立“性能传送函数模型，用第一轮工业试制的数据对该函数的可靠性进展验证，从而确定最正确模型。用制造命令号的化学成分，分别代入拟合的屈服强度、抗拉强度、伸长率传送函数中进展性能预测，然后用产品实践性能测试值进展比较验证。结果发现一切实践丈量值

12、均落在屈服强度、抗拉强度、伸长率的预测区间中，可知传送函数是可靠的见图、图示。抗拉强度的预测结果展现如下：Obs Fit SE Fit % CI % PI. . (., .) (., .)实践丈量值为、，均落在预测区间内。伸长率预测结果展现如下：Obs Fit SE Fit % CI % PI. . (., .) (., .)实践丈量值为.,.,.,落在预测区间，均落在预测区间内。图 抗拉强度传送函数可靠性验证 图 伸长率传送函数可靠性验证在确定了传送函数后，采用蒙特卡洛的方法对初步设计方案进展效果预测，结果用记分卡的方式记录如表所示：表 初步设计方案记分卡FRS传送函数规格效果预测内容单位分

13、布公式目的LSLUSL均值动摇Cpk屈服强度MPa正态A+KC+KMN-KCU+KNB+KTI.抗拉强度MPa正态A+KC+KSi+KMn-KCu+KNi+KCr+KNB-KTAL.伸长率A%正态A-KC-KP-KNB+KTi*N.最后进展小批量验证，结果与预测根本一致：性能满足要求，但抗拉强度、屈服强度过于富有，而伸长率Cpk值严重缺乏。. 设计优化发现伸长率目的不甚理想，过程才干Cpk仅为.。初步设计方案需求优化，但详细调整哪些成分，调整到什么程度呢？再次经过蒙特卡洛模MCA拟寻觅改良方向。采用CRISTAL BALL软件以延伸率为优化对象，以屈服强度、抗拉强度作为约束条件，在设计参数各化

14、学元素可变化的范围内，计算机进展自我仿真优化，确定设计参数的设计目的值；再结合敏感度分析，确定设计参数的容差，从而构成了优化方案。然后针对优化方案再次进展仿真模拟，模拟结果如下：伸长率优化前 伸长率优化后图 伸长率优化前后比较 抗拉强度优化前 抗拉强度优化后图 抗拉强度优化前后比较初始设计方案与优化设计方案的仿真结果对比见表，综合性能得到显著性提高。NB对抗拉强度和屈服强度有正相关性，但对延伸率有负相关性，经过减少该合金元素的含量到达减少强度，提高延伸率的作用，结果综合性能显著提升，同时还降低了产品本钱。表 优化前后性能目的对比设计抗拉强度屈服强度延伸率初始设计.优化设计.设计验证V模拟仿真的

15、效果只是模拟预测，实践效果究竟如何还必需经过实验来进展验证. 顾客需求实验腐蚀实验实验规范：铁路用耐候钢周期浸润腐蚀实验方法(TB/T-)。梅钢产线QNQR及宝钢股份分公司QNQR的相对腐蚀率相当，满足产品相对于QB腐蚀率%要求。图 QNQR相对QB的腐蚀率 图 -冲击功冲击性能产品-冲击功值在J以上，满足规范J要求，图显示全部满足要求金相分析QNQR钢板金相组织为铁素体+少量珠光体，晶粒度级别均大于级，非金属夹杂物为D类.级。 各向异性分析从板卷取样，做横向、纵向、向拉伸实验，实验结果见表，经过统计分析，%置信区间，其屈服强度、抗拉强度、延伸率规范差小分别为MPa、. MPa、.%，阐明产品

16、各向性能差别小，有利于冷加工成型。表 产品各向性能实验结果试样方向下屈服强度MPa抗拉强度MPa断后伸长率A%横向，.，.，.纵向，.，.，向，.，.，.平均值.规范差S.焊接实验进展了焊接热影响区最高硬度实验、斜Y型坡口焊接裂纹实验，资料焊接性能满足相关要求。. 批量消费及规范化优化后成分，不仅本钱相对较低，而且炼钢消费易于控制，工艺才干化学成分Cpk充足，轧制消费稳定，板形、外表质量等控制良好。顾客需求过程才干充足。伸长率、屈服强度、抗拉强度为正态分布，实践过程才干很好结果见表。优化设计方案，在ERP、程序文件、工艺文件中进展流程规范化和工艺固化。表 优化前后性能目的对比设计抗拉强度屈服强

17、度延伸率初始设计.优化设计.实践结果.梅钢将六西格玛设计方法胜利地运用到QNQR新产品优化设计中，缩短了研发周期、降低了新产品开发本钱、优化了产品性能、降低了合金本钱，完善了梅钢新产品开发的业务流程。参考文献 刘宏.导入六西格玛，有效降低企业劣质本钱.质量与管理. 王憨.西格玛管理对传统质量本钱实际的挑战.察看与思索. Chowdhury Subir. Design for Six Sigma: The Revolutionary Process for Achieving Extraordinary Prifits M. FT Prentice Hall, Kai Yang, Basem EI-Haik. Design fo