基于杂质颗粒获取与分析过程改进提升清洁度检测有效性的研究

王阳阳

摘要：本文基于轉向系统的案例对清洁度颗粒杂质的检测过程的改进进行了论述，通过寻找出需要改进的关键点加以改进，最终提升清洁度检测过程的可靠性。对于检测过程的研究分为杂质颗粒的收集与检测两部分，并结合对案例中清洁度检测实际情况的分析去发现问题，并制定改善措施。在这个过程中，主要运用了实验设计（DOE）的方法确定改进方案，运用过程能力统计（CPK）和测量系统分析（MSA）这些工具分析和评价过程稳定性和测量设备的稳定性，最终完成系统性的提升。在整个研究过程中，发现了未知杂质对测量分析过程的影响，并总结出取样过程的判稳公式，通过该判稳公式，可以合理的确定取样参数，以获得较为精确的取样结果，提升了检测真实性。

Abstract： This paper is based on the steering system to discuss the testing process improvement for detect the particle which effect the cleanliness level. Combining the theory and practice， to find out the key points to improve， ultimately improve the reliability of the cleanliness testing result. For the testing process in the paper is divided into collection and detection of the particle in the two parts， and combined with actual cases cleanliness testing analysis to find problems， and implement the improvement actions. In the analyses， mainly use the method of design of experiment （DOE） to determine the improvement scheme， using process capability （CPK） statistics and measurement system analysis （MSA） these tools to analyze and evaluate the collection process stability and the stability of the detection equipment， finally complete systematic improvement. In the whole improvement process， involve in the concept of the unknown particle which is none-influence on testing result， and summarizes the formula， through the formula it is reasonable to determine the collection parameters to obtain a relatively accurate results， enhance the testing veracity.

关键词：清洁度;颗粒;未知杂质;实验设计（DOE）

Key words： cleanliness;particle;steering system;design of experiment （DOE）

0  引言

在机械行业，清洁度对于零部件工作的可靠性和持久性有着非常重要的影响，尤其是对于制造业来说，必须从每个环节的每一个细节入手来防止和减小污染物的产生，才可能保证系统安全可靠的运行，特别是汽车行业，清洁度控制非常重要。

对于清洁度的控制和管理，一般分为两部分：一方面是管理，如何避免污染物的污染。另一方面是检测，从检测方面来检测污染物的程度，进而评估清洁度水平。所以需要对检测方式和检测方法进行研究，以获得准确的结果。检测反映目前清洁度所处的水平，是清洁度管理的基础;它也是客观反映改进前后的水平差异，是管理效果的评估。所以检测的真实性和有效性就显得尤为重要，因此无论国际化组织还是各大企业都陆续制定了相关的清洁度检测标准或指导意见。但是，目前汽车行业的清洁度检测环节做得不理想，主要体现在：整个检测流程比较随意，检测手段简单，重复性差，受环境干扰影响大。比如很多企业的在清洁度检测过程中的冲洗环节，都使用人工冲洗，冲洗的次数、时间、流量、位置、强度都有很大的随机性;在测量环节，部分企业仅控制杂质的重量，或使用简单的设备对杂质的大小，数量进行估计，使得检测结果也受到人为因素的很大影响。

1  清洁度检测

清洁度的检测通常是对产品的首件、生产过程中有清洁度要求的工序以及进货出货状态的控制。一般清洁度的检查有以下步骤：对检测过程的准备工作，如检查零件状态、检查设备状态，然后通过检测介质来获得杂质，接着测量分析杂质，最后形成测量结果报告并进行归档，如图1。

在杂质取样阶段，根据被测零件的空间结构不同，运用不同的清洗方法来获得杂质颗粒，一般有加压冲洗、超声波振动、摇晃、台架冲洗等几种方式，为了更好更准确的获得杂质颗粒，不同的清洗方法都是可以相互组合使用的。通常下面几个参数经常会对清洗的效果产生重要的影响：清洗介质的性能、样件的机械结构、冲洗压力以及冲洗剂容量或清洗的时间，需要评估确定选用合适的参数以获得实际的清洁度水平。

杂质的分析测量方法的选取与被测零件的清洁方式和清洁度要求的不同有关，一般有以下方法：重量分析、光学显微镜颗粒尺寸分析、电镜颗粒尺寸成分扫描分析和自动颗粒计数分析。以上分析方法根据清洁度要求的不同也是可以组合并多次使用的。

2  某公司在清洁度检测方面存在的问题

2.1 某公司简介

某公司曾以生产液压转向系统为主营业务，目前转型电子转向系统业务发展，以持续保持公司在转向系统市场份额的领先地位。同时每年由于清洁度问题导致的索赔金额也高达200多万元，主要故障模式是液压转向系统的漏油以及电子转向系统的助力失效。

2.2 目前某公司在检测方面主要的问题

2.2.1  内外部检测结果存在较大差异

就杂质总重量这一指标而言，A型号转向机总成的客户要求为15mg，案例公司和客户抽查的结果存在差异差异很大，且不稳定，检测结果对比显示，该公司的结果一直小于客户的数据，如图2所示。这个差异不是可接受范围内的正常波动，该公司需要对此现象进行分析，寻找原因并进行改进。

2.2.2 自检结果存在较大的波动

针对定期的清洁度自检情况，从直观角度来看，杂质的重量的波动是非常大的（图3），说明过程稳定性差，Ppk评估仅为0.72，是用正态分布评判的话，其分布情况也呈非正态分布（p〈0.005）（图4），说明过程中存在异常因素，可能原因之一就是所收集的数据是存在问题的，需要通过实验来确认数据本身和收集数据的过程是否存在问题。

2.2.3 检测结果的稳定性和可靠性不足

该公司的杂质检测设备人工检测比例高，从重复性和再现性原则看，由人为因素引起的变差将可能导致整个测量系统的能力不足，所以需要对测量系统进行评价，如果存在能力不足的情况则需要进行改进。

2.3 检测过程的改进

首先评估测量系统的稳定性和可靠性。该公司的主要清洁度检测设备为高精度电子天平和光学分析显微镜，用以评判杂质的重量和杂质颗粒的尺寸这两个指标的评价。按电子天平标定方法对其高精度天平真实值进行测评，并无异常发现。随后对电子天平的测量系统进行了测量系统能力分析（MSA）分析，结果为7.9%，小于ISO标准定义的10%，说明电子天平测量系统是可靠的，而人工光学显微镜的重复性和再现性的能力就不能满足MSA的评判标准，为37.08%，大于可接受的30%的要求，见图5，所以测量杂质大小的设备需要改进，从MSA结果来看，主要问题是重复性差异大（35.09%），这个和人员检测主观性差异关系较大，需要消除这个问题最有效的方法就是改进测量方式由人工改为自动。

经过对多家自动光学测量供应商的评估，包括蔡司、莱卡、JOMESA等，其中JOMESA的颗粒度分析系统解决方案已针对ISO16232、ISO4406或者汽车行业内的标准定制好标准模板，且拥有高速的扫描速度，一张滤膜仅需2分钟的扫描时间，是其他厂家如莱卡、蔡司等所不可比拟的，目前四大德系汽车集团用的都是德国JOMESA Messsysteme GmbH的设备（图6）。经过测试，其MSA的结果令人满意（图7），为2.91%。

通过其自带的检测软件以及结果算法程序，可以对同一样本进行高重复性和再现性的检测。对比人工和自动检测结果，可以发现自动监测的多次结果的离散程度要远远小于人工检测，为最终的准确判定提供了更加客观的基础数据，见图7。

当检测系统完成升级后，对杂质的大小和数量等要求的测量精度得到了满足，下一步就需要对杂质获取过程进行分析，寻找问题并改进了。

2.4 杂质获取过程的改进

对杂质的取样结果产生影响的因素主要有清洗液体的特性、样件的机械结构、冲洗参数（比如冲洗量、冲洗压力、超声波清洗的振动时间）等。就这些影响因素与不同客户进行了差异对比（表1）。针对这些不同点，需要确认关键的影响因素，对关键的影响因素进行控制或改进来减少或消除该差异的存在。

按照实验设计（DOE）的方法对这些因素进行了确认，由于实验包括4因子3水平，选取普通的DOE實验至少需要81次实验，综合资源考虑，采用4因子2水平加中心点的方法，可以将实验次数减少到22次。经过计算统计，因子B（清洗量）最显著，标准化效应远远高于其他因子，并且这些因子的交互作用并不显著，见图9。

随后，对之前的结果进行了一组确认实验，采用不同的冲洗计量对同一批次的转向机进行冲洗，结果见图10，可以确认冲洗计量越多，所能获得的杂质量也越多，所以将从因子B冲洗剂量作为关键影响参数，来改进杂质颗粒收集过程的稳定性，并获得尽量接近真值的实验结果。

改进方向已经选定，但究竟多少的冲洗量才是合适的，需要进一步进行实验分析。在接下来的实验中，对同一个转向机进行多轮冲洗，每次都以600ml的冲洗量为一单位进行实验，结果如图11所示，每次冲洗，都能获得杂质，但杂质新增量是不断递减的，而且下降到某一水平后就下降趋势基本趋平。

在之后的反复实验过程中，发现平均在5次冲洗以后始终能获得0.2mg左右的杂质的这种现象。经过分析研究，发现在杂质获取的过程中清洗剂、辅助工装和容器都会始终存在额外的微小杂质，检测时周边的环境也会带来额外的微小杂质，包括样本在检测过程中的正常运动带来的磨损产生的细小颗粒。这些都是无法避免的微小杂质，且对整个检测结果影响甚微的杂质，在这里称它们为未知杂质。因为其非常微小，无法彻底消除，同时其也不会对产品质量产生影响，所以可以忽略。于是需要制定最大的可接受的不影响检测结果有效性的未知杂质的允许量，这个量是根据样本的清洁度要求水平决定的，同时根据TS16949的五大工具之一的测量系统分析中规定汽车行业的测量系统的精确度不能低于公差的10%的标准，最终选取10%作为未知杂质的边际值标准。也就是说，在冲洗过程中，当获取超过90%重量的杂质后，就认为对零部件清洁度存在主要影响的杂质都已获得。根据这个原则继续进行实验，先后将多组样本结果进行综合分析，结果显示当转向机经过4次冲洗，其累计可获得的杂质重量都超过了90%，见图12，于是可以认为4次冲洗的冲洗计量是可以足够获得所有影响杂质的，重新确定了标准冲洗量为2400ml。同时对这个过程进行了总结，形成了判稳经验公式（1）。

式中，Zn——第n次冲洗所获得的杂质量（mg）;Zi——第i次冲洗所获得的杂质量（mg）;n——冲洗的次数。

这个判稳公式指的是经过数次定量冲洗后，判断需要分析的杂质是否都已收集到的一个判定条件，此公式可以用于确定一个关键参数——冲洗量的准确参数值。该公式也可以拓展开，去确认其他检测值，比如颗粒数量等。根据实验数据的统计，对于转向系统的杂质获取次数一般在4次以内，如果多次冲洗（经验值为6次）都无法满足判稳公式，即认为此现象说明冲洗过程存在问题或冲洗方法选择不正确，需要重新确认问题或调整取样的方法。

经过修改取样参数冲洗量后，再次汇总对比内外部检测结果，发现案例公司的检测结果已超过外部检测的检测值，可以说明该检测方法所取得的杂质颗粒，较之前更加接近真实情况。

3  改进成效

经过取样过程和测量过程的双重优化，案例公司对清洁度检测的有效性在原来的基础上的得到了提升，其测量值不仅更加接近于真值，而且稳定性更好（图13），从之后和某整车厂的抽检结果对比中可以看出改进的变化（图14）。这些改进对该公司下步清洁度改进工作具有重要意义，不仅能够更加真实的反映公司清洁度的目前状况，清晰改进方向，也能够在今后改进完成后更加准确的评估改进效果。

参考文献：

[1]刘伟.发动机清洁度的控制与管理[J].天津汽车，2013（1）.

[2]宋立新.工程机械产品清洁装配工艺探讨[J].中国高新技术企业，2016（18）.

[3]ISO/TS 16431-2002 Hydraulic Fluid Power-Assembled Systems-Verification Of Cleanliness[S].

[4]ISO 4406 Hydraulic Fluid Power-Fluids-Method for coding the level of contamination by solid particles[S].

[5]GBZ 20423-2006，液壓系统总成 清洁度检验[S].

[6]QC/T572-1999，汽车清洁度工作导则[S].

[7]GMW16037.动力总成零部件清洁度的量化试验方法[Z].通用汽车，2009.

[8]Christoph Kohler. Technical cleanliness - from a clean component to a technically clean system. [C]. In： 8th International Conference on Condition Monitoring and Machinery Failure Prevention Technologies 2011.Volume 2. UK. 2011.

[9]王秀军.轴承成品清洗工艺及清洗装置研究[D].大连：大连理工大学硕士学位论文，2005.

[10]杨敬东.基于FMEA/DOE的质量管理在HGA污染控制中的应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士学位论文，2009.