六西格玛设计在新钢种开发试制中的应用

1六西格玛设计在新钢种开发试制中的应用——以Q450NQR1新产品开发试制为例万兰凤1郭振和2殷胜3王志陵4（1、2、3宝钢股份梅钢公司科技部，南京，210039；4上海朱兰研究院，上海，200050）摘要：文章阐述了梅山钢铁股份有限公司（简称梅钢）将六西格玛设计方法引入产品研发的基本想法，描述了六西格玛设计的定义及其作用，在研究了六西格玛设计模型的基础上，结合梅钢材料设计及生产的特点，提出了梅钢DCOV的独特设计模型，并以Q450NQR1新产品开发试制为例，详细介绍了梅钢采用该模型在新品开发中应用的全过程，并验证了有效性。关键词：DFSS、DMAIC、Q450NQR1、DCOV、界定、概念、优化、验证1.引言降低车辆自重、提高整车性能是满足火车提速的前提，因而铁道部于2006年提出：新造货车上全部采用具有高强度、高耐候特性的Q450NQR1热轧钢板，代替以前采用的较低级别钢种。Q450NQR1附加值高，市场需求量大，具有广阔的市场前景。Q450NQR1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，是目前梅钢所生产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生产等工艺都提出了严峻的挑战。至2002年以来，梅钢一直采用六西格玛改进5的方法提高产品质量、优化工艺过程，取得了很好的成效，但如何将六西格玛方法引入设计开发过程一直是梅钢的困惑点；再者Q450NQR1新钢种设计开发的难度极高，基于如上两方面的原因促使梅钢产生了在新品研发中运用六西格玛设计思想及方法1、2的想法。2.六西格玛设计六西格玛设计（DFSS）诞生于上世纪九十年，是一种以六西格玛水平为目标的产品设计及过程设计的系统方法，源于系统工程。DFSS6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，从而达到提高产品质量、加快产品开发速度、降低产品生命周期成本的目的。六西格玛设计（DFSS）与六西格玛改进（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现在产品或流程进行改进，而是要从一开始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目前还没有统一的解决问题的模式，常见的模式包括：DMADV6（即界定、测量、分析、设计、验证）、IDDOV3（即识别、界定、开发、优化、验证）、ICOV4（即识别、刻画、优化、验证）等。这些模式虽表述各异，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更。3.Q450NQR1新品开发过程大多数六西格玛设计模式其出发点是从零开始的设计活动，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”的工作，找到切合本企业实际的整体设计方案。梅钢基于此对DFSS模型进行微调，形成了独具梅钢特色的DCOV设计模型，即界定项目（Define）、设计概念（Concept）、设计优化（Optimize）及设计验证（Validate）。23.1界定项目（Define）该阶段的主要工作包括：组成多功能的设计项目团队；对顾客需求进行分析；对项目目标及流程进行界定；对Q450NQR1产品及工艺设计的重点和难点进行分析。3.1.1顾客需求界定应用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模型确定关键质量指标、当然质量指标、潜在质量指标。结果见表1。表1顾客需求的质量指标关键质量指标当然质量指标潜在质量指标化学成分表面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，确定了如下设计目标：（1）化学成分及性能要求表2化学成分（Wt）%（熔炼分析值）牌号CSiMnPSCuCrNiQ450NQR1≤0.12≤0.75≤1.50≤0.025≤0.0080.20～0.550.30～1.250.12～0.65备注为改善钢材性能，可以加入V、Nb、Ti等元素表3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（L0=5.650Smm）A%180º弯曲试验（a-试样厚度）弯心直径≤6.0≥450≥550≥22d=a6.0≥20d=2a表4冲击性能试样尺寸mm试样方向试验温度℃冲击功J10.0×10×55mm横向-40≥60（2）其他要求晶粒度级别不低于7级；非金属夹杂物：A类级别不大于2.5级，B类（氧化物）级别不大于2.0级；耐腐蚀性能，对耐大气腐蚀钢新品种，须进行室内加速腐蚀试验（周期浸润腐蚀试验等以验证其耐腐蚀性能），产品相对于Q345B腐蚀率≤55%（Q345B腐蚀率为100%）。3.1.2流程界定结合梅钢新产品开发程序文件、顾客需求及六西格玛设计流程，确定了Q450NQR1设计开发的矩阵流程，通过全流程的分析，明确输入、流程、输出间的逻辑关系；确定了关键环节：Q450NQR1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，因而炼钢工艺是重点环节。对炼钢工序也进行了SIPOC分析，为难点和重点分析及系统设计提供依据和方向；通过流程界定也明确了设计的关键路径及设计开发的风险因素，为时间管理提供了依据。33.1.3重点和难点分析从总体和局部两个角度对Q450NQR1设计开发的难点和重点进行了分析，包括化学成分设计、过程设计、成本设计及生产控制，进一步明确了后续设计的方向和重点。3.2设计概念（Concept）通过确定关键的设计要素和关键过程要素，为下一阶段进行优化设计提供依据。引入失效模式及影响分析(DFMEA、PFMEA)，将可能的失效模式消灭在萌芽状态。3.2.1确定关键设计要素通过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（0，1，3，5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行了分析，找到和确定了关键设计参数。表5设计参数重要性评价设计要素功能CSiMnPSCrNiCu…TAlFR1+5+1+5+1-1+1+1-3…-1……………………………FRn-5-1-3-5-5-1-1-1…+1重要性评价（绝对值）2310192119151115…73.2.2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，并进行评价，确定炼钢过程中的关键点。具体形式如表6所示：表6过程因素分析（部分）3.2.3设计评审确定了关键的设计参数和关键过程参数后，概念设计基本完成，但该设计系统是否存在风险和隐患则要进行评估。采用SDFMEA、DFMEA、PFMEAD的方法对产品设计及工艺设计进行风险评估，并针对高风险要素采取改进措施。通过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遗漏，连铸浇注、控轧控冷工艺中存在过程参数高风险环节，并分别修改了设计参数和工艺参数。3.2.4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定。如何保证综合性能最优？哪些质量特性能力过剩？哪些质量特性能力不足？如何改进不足的特性？这些错综复杂的变化需要管理工具来理清脉络，记分卡就是实现如上目的目视化管理工具（见表8、表9），记分卡还记录了整个设计过程的质量特性的能力预测。表7设计记分卡（一）4DPs单位标准范围规格能力预测SIGMA水平实绩设计参数MinMaxLSLUSL均值波动Cpk短期长期DPMO均值波动Cpk表8设计记分卡（二）FRs传递函数规格能力预测SIGMA水平实绩功能要求单位分布公式目标值LSLUSL均值波动Cpk短期长期DPMO均值波动3.3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标值及容差。通常是利用现有数据库中的相关数据，建立性能（质量特性）的传递函数模型，然后采用蒙特卡罗的方法进行优化，最终得到合理的设计方案。即综合性能最佳，同时成本最低。3.3.1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际控制水平，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。下一步需要利仿真手段来预测初步设计方案的效果。要仿真首先必须建立传递函数，首先利用现有的数据库数据进行回归分析7，找出各性能与化学成分之间的关系，建立“性能传递函数”模型，用第一轮工业试制的数据对该函数的可靠性进行验证，从而确定最佳模型。用制造命令号139818的化学成分，分别代入拟合的屈服强度、抗拉强度、伸长率传递函数中进行性能预测，然后用产品实际性能测试值进行比较验证。结果发现所有实际测量值均落在屈服强度、抗拉强度、伸长率的预测区间中，可知传递函数是可靠的（见图1、图2示）。抗拉强度的预测结果展示如下：实际测量值为640、640、630、620、630，均落在预测区间内。伸长率预测结果展示如下：实际测量值为22.5,23.5,22,23.5,23落在预测区间，均落在预测区间内。图1抗拉强度传递函数可靠性验证图2伸长率传递函数可靠性验证在确定了传递函数后，采用蒙特卡洛的方法对初步设计方案进行效果预测，结果用记分卡的形式记录如表10所示：ObsFitSEFit95%CI95%PI615.12611.148(593.042,637.210)(584.042,646.210)ObsFitSEFit95%CI95%PI24.6390.934(22.801,26.477)(20.364,28.914)5表9初步设计方案记分卡FRS传递函数规格效果预测内容单位分布公式目标LSLUSL均值波动Cpk屈服强度MPa正态A11+K11C+K12MN-K13CU+K14NB+K15TI4503.61抗拉强度MPa正态A21+K21C+K22Si+K23Mn-K24Cu+K25Ni+K266Cr+K27NB-K28TAL5501.5伸长率A%正态A31-K31C-K32P-K33NB+K34Ti*N220.65……………………最后进行小批量验证，结果与预测基本一致：性能满足要求，但抗拉强度、屈服强度过于富裕，而伸长率Cpk值严重不足。3.3.3设计优化发现伸长率指标不甚理想，过程能力Cpk仅为0.65。初步设计方案需要优化，但具体调整哪些成分，调整到什么水平呢？再次通过蒙特卡洛模（MCA）拟寻找改进方向。采用CRISTALBALL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（各化学元素）可变化的范围内，计算机进行自我仿真优化，确定设计参数的设计目标值；再结合敏感度分析，确定设计参数的容差，从而形成了优化方案。然后针对优化方案再次进行仿真模拟，模拟结果如下：伸长率（优化前）伸长率（优化后）图3伸长率优化前后比较抗拉强度（优化前）抗拉强度（优化后）6图4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10，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，通过减少该合金元素的含量达到减少强度，提高延伸率的作用，结果综合性能显著提升，同时还降低了产品成本。表11优化前后性能指标对比设计抗拉强度屈服强度延伸率初始设计3.611.910.65优化设计2.191.611.313.4设计验证V模拟仿真的效果只是模拟预测，实际效果到底如何还必须通过实验来进行验证3.4.1顾客需求试验（1）腐蚀试验实验标准：铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法(TB/T2375-93)。梅钢产线Q450NQR1及宝钢股份分公司Q450NQR1的相对腐蚀率相当，满足产品相对于Q345B腐蚀率≤55%要求。相对腐蚀速率％宝钢Q450NQR1梅钢Q450NQR1Q345B100806040200标准要求≤55%37.3%39.5%100.0%图5Q450NQR1