六西格玛设计在新钢种开发试制中的应用

1、PAGE PAGE 15六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 宝钢股份梅梅钢公司科技技部，南京，22100399；4 上海海朱兰研究院院，上海，22000500）摘要：文章阐述述了梅山钢铁铁股份有限公公司（简称梅梅钢）将六西西格玛设计方方法引入产品品研发的基本本想法，描述述了六西格玛玛设计的定义义及其作用，在在研究了六西西格玛设计模模型的基础上上，结合梅钢钢材料设计及及生产的特点点，提出了梅梅钢DCOVV的独特设计计模型，并以以Q450NNQR1新产产品开发试制制为例，详细细介绍了梅钢钢采用该模型型在新品开发发

2、中应用的全全过程，并验验证了有效性性。关键词：DFSSS、DMAAIC、Q4450NQRR1、DCOOV、界定、概概念、优化、验验证1.引言降低车辆自重、提提高整车性能能是满足火车车提速的前提提，因而铁道道部于20006年提出：新造货车上上全部采用具具有高强度、高高耐候特性的的Q450NNQR1热轧轧钢板，代替替以前采用的的较低级别钢钢种。Q4550NQR11附加值高，市市场需求量大大，具有广阔阔的市场前景景。Q450NQRR1不仅要具具有高强度，而而且还要具有有优良的综合合力学性能、良良好冷成型加加工性能、焊焊接性能及耐耐腐蚀性能，是是目前梅钢所所生产的产品品中合金元素素及含量最多多的产品，

3、因因此对产品的的设计及生产产等工艺都提提出了严峻的的挑战。至2002年以以来，梅钢一一直采用六西西格玛改进55的方法提高高产品质量、优优化工艺过程程，取得了很很好的成效，但但如何将六西西格玛方法引引入设计开发发过程一直是是梅钢的困惑惑点；再者QQ450NQQR1新钢种种设计开发的的难度极高，基基于如上两方方面的原因促促使梅钢产生生了在新品研研发中运用六六西格玛设计计思想及方法法1、2的想法法。2.六西格玛设设计六西格玛设计（DDFSS）诞诞生于上世纪纪九十年，是是一种以六西西格玛水平为为目标的产品品设计及过程程设计的系统统方法，源于于系统工程。DDFSS6采用统计方方法量化系统统性能与相关关设

4、计参数、过过程参数之间间的关系，面面向产品全生生命周期，把把关键顾客需需求设计到产产品中，从而而达到提高产产品质量、加加快产品开发发速度、降低低产品生命周周期成本的目目的。六西格玛设计（DDFSS）与与六西格玛改改进（DMAAIC），两两者之间的区区别就好比把把旧裤子补一一补再穿与买买条新裤子之之间的差别。六六西格玛设计计不是对现在在产品或流程程进行改进，而而是要从一开开始就把产品品或流程设计计得无懈可击击。以事先的的投入来节约约事后的修补补。DFSS目前还还没有统一的的解决问题的的模式，常见见的模式包括括：DMADDV6（即界定、测测量、分析、设设计、验证）、IIDDOV33（即识别、界界定

5、、开发、优优化、验证）、IICOV4（即识别、刻刻画、优化、验验证）等。这这些模式虽表表述各异，但但内容大同小小异，以设计计流程为主线线，每一步骤骤采用统计方方法来优化与与评价，从而而减少设计缺缺陷与变更。3.Q450NNQR1新品品开发过程大多数六西格玛玛设计模式其其出发点是从从零开始的设设计活动，或或者说是原始始创新，而较较多的情况是是引进消化吸吸收再创新，也也就是说从母母公司、总公公司或其他途途径可以获得得部分设计资资料，重点是是完成“本企业化”的工作，找找到切合本企企业实际的整整体设计方案案。梅钢基于于此对DFSSS模型进行行微调，形成成了独具梅钢钢特色的DCCOV设计模模型，即界定定

6、项目（Deefine）、设计概念念（Conccept）、设设计优化（OOptimiize）及设设计验证（VValidaate）。3.1界定项目目（Defiine）该阶段的主要工工作包括：组组成多功能的的设计项目团团队；对顾客客需求进行分分析；对项目目目标及流程程进行界定；对Q4500NQR1产产品及工艺设设计的重点和和难点进行分分析。3.1.1顾客客需求界定应用QFD的方方法将顾客之之声转化为设设计的关键质质量特性，并并结合KANNO模型确定定关键质量指指标、当然质质量指标、潜潜在质量指标标。结果见表表1。表1 顾客需需求的质量指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

7、异性力学性能包装质量N、H、O含量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、竞竞争对手比较较分析及顾客客的要求，确确定了如下设设计目标：（1）化学成分分及性能要求求表2 化学成成分（Wt）%（熔炼分析析值）牌号CSiMnPSCuCrNiQ450NQRR10.120.751.500.0250.0080.200.550.301.250.120.65备注为改善钢材性能能，可以加入入V、Nb、TTi等元素表3 力学性性能及工艺性性能厚度规格mm下屈服强度ReLMPa抗拉强度RmMPa断后伸长率（L0=5.665mm）A %180弯曲试试验（a-试样厚度度）弯心直径6.045055022d

8、 =a6.020d =2a表4 冲击性性能试样尺寸mm试样方向试验温度冲击功J10.010055mm横向-4060（2）其他要求求晶粒度级别不低低于7级；非非金属夹杂物物：A类级别别不大于2.5级，B类类（氧化物）级级别不大于22.0级；耐耐腐蚀性能，对对耐大气腐蚀蚀钢新品种，须须进行室内加加速腐蚀试验验（周期浸润润腐蚀试验等等以验证其耐耐腐蚀性能），产产品相对于QQ345B腐腐蚀率55%（QQ345B腐腐蚀率为1000%）。3.1.2流程程界定结合梅钢新产品品开发程序文文件、顾客需需求及六西格格玛设计流程程，确定了QQ450NQQR1设计开开发的矩阵流流程，通过全全流程的分析析，明确输入入、

9、流程、输输出间的逻辑辑关系；确定定了关键环节节：Q4500NQR1钢钢种的特点在在于化学元素素多，对钢种种气体含量、夹夹杂物控制要要求高，因而而炼钢工艺是是重点环节。对炼钢工序也进进行了SIPPOC分析，为为难点和重点点分析及系统统设计提供依依据和方向；通过流程界界定也明确了了设计的关键键路径及设计计开发的风险险因素，为时时间管理提供供了依据。3.1.3重点点和难点分析析从总体和局部两两个角度对QQ450NQQR1设计开开发的难点和和重点进行了了分析，包括括化学成分设设计、过程设设计、成本设设计及生产控控制，进一步步明确了后续续设计的方向向和重点。3.2 设计概概念（Conncept）通过确定

10、关键的的设计要素和和关键过程要要素，为下一一阶段进行优优化设计提供供依据。引入入失效模式及及影响分析(DFMEAA、PFMEAA)，将可能的的失效模式消消灭在萌芽状状态。3.2.1确定定关键设计要要素通过QFD质量量功能展开，将将顾客的需求求（FR）力学性性能、耐腐蚀蚀性、焊接性性等转换成设设计参数，即即化学成分，采采用相关矩阵阵打分（0，11，3，5分分制，分数越越高表示相关关度越高，+为正相关，-为负相关），评评价设计要素素的重要性，并并对元素之间间的交互作用用和影响进行行了分析，找找到和确定了了关键设计参参数。表5 设计参参数重要性评评价 设计要要素功能CSiMnPSCrNiCuTAlF

11、R1+5+1+5+1-1+1+1-3-1FRn-5-1-3-5-5-1-1-1+1重要性评价（绝绝对值）231019211915111573.2.2确定定关键过程参参数采用因果矩阵方方法，将设计计参数转化为为炼钢过程参参数，并进行行评价，确定定炼钢过程中中的关键点。具具体形式如表表6所示：表6 过程程因素分析（部部分）3.2.3设计计评审确定了关键的设设计参数和关关键过程参数数后，概念设设计基本完成成，但该设计计系统是否存存在风险和隐隐患则要进行行评估。采用用SDFMEEA、DFMMEA、PFFMEAD的的方法对产品品设计及工艺艺设计进行风风险评估，并并针对高风险险要素采取改改进措施。通通过F

12、MEAA发现设计要要素中存在机机械性能和耐耐腐蚀性能两两个方面的遗遗漏，连铸浇浇注、控轧控控冷工艺中存存在过程参数数高风险环节节，并分别修修改了设计参参数和工艺参参数。3.2.4设计计记分卡六西格玛设计管管理的是多个个质量特性，每每个质量特性性又由多个设设计参数和多多个过程参数数所决定。如如何保证综合合性能最优？哪些质量特特性能力过剩剩？哪些质量量特性能力不不足？如何改改进不足的特特性？这些错错综复杂的变变化需要管理理工具来理清清脉络，记分分卡就是实现现如上目的目目视化管理工工具（见表88、表9），记记分卡还记录录了整个设计计过程的质量量特性的能力力预测。表7 设计记记分卡（一）DPs单位标准

13、范围规格能力预测SIGMA水平平实绩设计参数MinMaxLSLUSL均值波动Cpk短期长期DPMO均值波动Cpk表8 设计记记分卡（二）FRs传递函数规格能力预测SIGMA水平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优化设计计（Optimiize）界定阶段明确了了顾客需求，设设计概念阶段段确定了关键键设计参数和和关键过程参参数，优化设设计阶段要确确定设计参数数和过程参数数的目标值及及容差。通常常是利用现有有数据库中的的相关数据，建建立性能（质质量特性）的的传递函数模模型，然后采采用蒙特卡罗罗的方法进行行优化，最终终得到合理的的设计方案。即即综合性

14、能最最佳，同时成成本最低。3.3.1初步步设计方案效效果预测根据宝钢分公司司相关数据及及梅钢化学成成分实际控制制水平，确定定初步化学成成分设计方案案，制定了炼炼钢工艺制度度、热轧工艺艺制度。下一一步需要利仿仿真手段来预预测初步设计计方案的效果果。要仿真首先必须须建立传递函函数，首先利利用现有的数数据库数据进进行回归分析析7，找出各性能能与化学成分分之间的关系系，建立“性能传递函函数”模型，用第第一轮工业试试制的数据对对该函数的可可靠性进行验验证，从而确确定最佳模型型。用制造命命令号1399818的化化学成分，分分别代入拟合合的屈服强度度、抗拉强度度、伸长率传传递函数中进进行性能预测测，然后用产

15、产品实际性能能测试值进行行比较验证。结结果发现所有有实际测量值值均落在屈服服强度、抗拉拉强度、伸长长率的预测区区间中，可知知传递函数是是可靠的（见见图1、图22示）。抗拉强度的预测测结果展示如如下：Obs Fit SE Fit 95% CI 95% PIObs Fit SE Fit 95% CI 95% PI615.126 11.148 (593.042, 637.210) (584.042, 646.210)实际测量值为6640、6440、6300、620、6630，均落落在预测区间间内。伸长率预测结果果展示如下：Obs Fit SE Fit 95% CI 95% PIObs Fit SE

16、Fit 95% CI 95% PI24.639 0.934 (22.801, 26.477) (20.364, 28.914)实际测量值为222.5,223.5,222,23.5,23落落在预测区间间，均落在预预测区间内。图1 抗拉强强度传递函数数可靠性验证证 图2 伸伸长率传递函函数可靠性验验证在确定了传递函函数后，采用用蒙特卡洛的的方法对初步步设计方案进进行效果预测测，结果用记记分卡的形式式记录如表110所示：表9 初步设计计方案记分卡卡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+K111C+K122MN-K113CU+KK14NB+K

17、15TII4503.61抗拉强度MPa正态A21+K211C+K222Si+K223Mn-KK24Cu+K25Ni+K266CCr+K277NB-K228TAL5501.5伸长率A%正态A31-K311C-K322P-K333NB+K334Ti*NN220.65最后进行小批量量验证，结果果与预测基本本一致：性能能满足要求，但但抗拉强度、屈屈服强度过于于富裕，而伸伸长率Cpkk值严重不足足。3.3.3 设设计优化发现伸长率指标标不甚理想，过过程能力Cppk仅为0.65。初步步设计方案需需要优化，但但具体调整哪哪些成分，调调整到什么水水平呢？再次次通过蒙特卡卡洛模（MCCA）拟寻找改进进方向。采用

18、用CRISTTAL BAALL软件以以延伸率为优优化对象，以以屈服强度、抗抗拉强度作为为约束条件，在在设计参数（各各化学元素）可可变化的范围围内，计算机机进行自我仿仿真优化，确确定设计参数数的设计目标标值；再结合合敏感度分析析，确定设计计参数的容差差，从而形成成了优化方案案。然后针对对优化方案再再次进行仿真真模拟，模拟拟结果如下：伸长率（优化前前） 伸长长率（优化后后）图3 伸长率率优化前后比比较 抗拉强度（优化化前） 抗拉强度度（优化后）图4 抗拉强强度优化前后后比较初始设计方案与与优化设计方方案的仿真结结果对比见表表10，综合合性能得到显显著性提高。NNB对抗拉强强度和屈服强强度有正相关关

19、性，但对延延伸率有负相相关性，通过过减少该合金金元素的含量量达到减少强强度，提高延延伸率的作用用，结果综合合性能显著提提升，同时还还降低了产品品成本。表11 优化前前后性能指标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设计验证证V模拟仿真的效果果只是模拟预预测，实际效效果到底如何何还必须通过过实验来进行行验证3.4.1 顾顾客需求试验验（1）腐蚀试验验实验标准：铁路路用耐候钢周周期浸润腐蚀蚀试验方法(TB/T22375-993)。梅钢钢产线Q4550NQR11及宝钢股份份分公司Q4450NQRR1的相对腐腐蚀率相当，满满足产品相对对于

20、Q3455B腐蚀率55%要求求。图5 Q4550NQR11相对Q3455B的腐蚀率率 图6 -40冲击功（2）冲击性能能产品-40冲冲击功值在1100J以上上，满足标准准60J要求求，图6显示示全部满足要要求（3）金相分析析Q450NQRR1钢板金相相组织为铁素素体+少量珠珠光体，晶粒粒度级别均大大于11级，非非金属夹杂物物为D类01.5级。 （4）各向异性性分析从板卷取样，做做横向、纵向向、450向拉伸试验验，试验结果果见表7，通通过统计分析析，95%置置信区间，其其屈服强度、抗抗拉强度、延延伸率标准差差小分别为55MPa、66.51 MMPa、1.660%，说说明产品各向向性能差异小小，有

21、利于冷冷加工成型。表12 产品品各向性能试试验结果试样方向下屈服强度MPPa抗拉强度MPaa断后伸长率A%横向490，4955，490605，6055，60029.0，288.5，300.5纵向495，4900，480585，5900，59527.5，277.5，288450向485，4955，490595，5955，59532.5，300.5，299.5平均值490596.1129.278标准差S56.511.660（5）焊接试验验进行了焊接热影影响区最高硬硬度试验、斜斜Y型坡口焊焊接裂纹试验验，材料焊接接性能满足相相关要求。3.4.2 批批量生产及标标准化优化后成分，不不仅成本相对对较低，而且且炼钢生产易易于控制，工工艺能力（化化学成分Cppk）充足，轧轧制生产稳定定，板形、表表面质量等控控制良好。顾顾客需求过程程能力充足。伸伸长率、屈服服强度、抗拉拉强度为正态态分布，实际际过程能力很很好（结果见见表13）。优化设计方案，在ERP、程序文件、工艺文件中进行流程标准化和工艺固化。表13 优化前前后性能指标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2.191.611.31