Opis rozwiązania problemu z operacją formowania gwintu

Opis rozwiązania problemu z operacją formowania gwintu

Proces montażu połączeń gwintowych

Opis procesu dokręcania

Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie i omówienie problemu dokręcania śruby w technologii Taptite. Problem generował kilkumilionowe [zł] straty związane z zatrzymaniem produkcji (brak możliwości wykonania operacji dokręcania na jednym stanowisku linii produkcyjnej uniemożliwiał przejazd wyrobu na stanowiska następne) oraz z działaniami korygującymi. Problem rozwiązany został z wykorzystaniem technik Lean Six Sigma oraz z zastosowaniem metod rozwiązywania problemów Doriana Shainina Red X.

W omawianym przypadku dokręcanie odbywało się z użyciem technologii Taptite 2000, czyli takiej, w której śruba podczas dokręcania formuje gwint w nakrętce. Śruba dokręcana była narzędziem elektrycznym o napędzie ciągłym, które trzymane było przez Operatora (brak drążka reakcyjnego i mocowania narzędzia). Podczas tzw. fazy rundown odbywało się formowanie gwintu w otworze nakrętki. Na Rys. 1. przedstawiono główne fazy (kroki) dokręcania śruby.

Rys. 1. Główne kroki dokręcania łącznika gwintowego

Moment dokręcenia w tej operacji wynosił 45 Nm, natomiast optymalny moment formowania gwintu powinien wynosić 15 Nm +/- 5 Nm. Sytuacja, w której moment formowania gwintu przewyższał 20 Nm istotnie pogarszała ergonomię pracy – dochodziło do silnej reakcji elektrycznego narzędzia dokręcającego na ramiona pracownika realizującego dokręcanie. Natomiast moment formowania gwintu niższy niż 10 Nm mógł negatywnie wpłynąć na wytrzymałość połączenia gwintowego.

Opis problemu

W chwilach występowania problemu wartość momentu formowania gwintu była wyższa niż 20 Nm. Pojawiały się także przypadki, w których moment formowania gwintu był wyższy niż moment dokręcania (45 Nm). Efektem tego było zatrzymanie dokręcania przez elektryczne narządzie w sytuacji, w której śruba była jeszcze w fazie rundown, tzn. nie dochodziło do połączenia elementów łączonych. Przykłady krzywych dokręcania dla sytuacji prawidłowego i nieprawidłowego dokręcania przedstawiono na Rys. 2.

Rys. 2. Przykłady krzywych dokręcania dla prawidłowego i nieprawidłowego dokręcania

Na Rys. 3 przedstawiono rozkład i główne statystyki opisowe momentu formowania gwintu dla czasu, w którym problem występował.

Rys. 3. Rozkład momentu formowania gwintu dla czasu występowania problemu

Na wykresie zauważyć można brak dopasowania teoretycznego rozkładu normalnego do danych empirycznych (histogramu). Również estymator skośności (1,76) wskazuje na istotną, prawostronną asymetrię rozkładu. Wynikiem testu normalności odrzucono hipotezę zerową, weryfikującą normalność rozkładu danych empirycznych. W związku z tym, w celu wykonania analizy wydajności procesu, podjęto próbę identyfikacji rozkładu danych empirycznych. Na Rys.4 przedstawiono test rozkładu danych empirycznych z użyciem 3-parametrycznego rozkładu Weibulla.

Rys. 4. Test i identyfikacja rozkładu momentu formowania gwintu

Na podstawie wykresu i wyniku testu wnioskowano, że empiryczny rozkład momentu formowania gwintu jest dobrze dopasowany do rozkładu teoretycznego. Wartość p-value > 0,5 potwierdza zgodność rozkładów. W związku z tym oszacowania wskaźników wydajności procesu Pp, Ppk dokonano poprzez dopasowanie teoretycznego 3-parametrycznego rozkładu Weibulla, co przedstawiono na Rys.5.

Rys. 5. Analiza wydajności procesu formowania gwintu Nm

Analiza wykazała, że powyżej górnej granicy pola tolerancji dla momentu formowania gwintu, oczekiwać należy ok. 22,45% obserwacji NOK. Statystycznie, prawie co czwarte dokręcenie realizowane było z wartością wyższą niż 20 Nm.

Opis rozwiązania problemu

W pierwszej kolejności analizie (ze względu na jakość wykonania) poddano śrubę. Pobrano 5 śrub z dokręceń prawidłowych i 5 z dokręceń nieprawidłowych. W pierwszej kolejności badano cechy geometryczne śrub. Cechy przedstawione na rysunku (specyfikacji śruby) poddano porównaniom ze względu na dokręcanie: OK i NOK. Do porównania wykorzystano narzędzie graficzne: Porównanie Parami wykorzystywane w metodzie Red X. Na Rys.6 przedstawiono wynik analizy.

Rys. 6. Analiza porównań parami dla wymiarów śrub pochodzących z dokręceń prawidłowych i nieprawidłowych

Interpretacja analizy jest następująca: jeżeli dla jakiejkolwiek cechy geometrycznej śruby, wszystkie pięć strzałek skierowane będzie w tym samym kierunku (nieważne czy w dół czy w górę) to czynnik ten może powodować problem. Innymi słowy: jeżeli czynnik powoduje problem i wszystkie strzałki skierowane są w jednym kierunku (np. w górę), to w takiej sytuacji wzrost wartości danej cechy powoduje wzrost wartości zmiennej Y (w tym przypadku wartości momentu formowania gwintu).
Z analizy wynika, że dla każdej cechy wszystkie pięć strzałek nie jest skierowane w jednym kierunku, co wskazuje, że cechy geometryczne śruby nie są potencjalnym czynnikiem powodującym problem z wysokimi wartościami momentu formowania gwintu.

Na tym etapie procesu rozwiązywania problemu podjęto decyzje o dalszej analizie jakości śrub: pomiary twardości śruby.

Śruby poddano pomiarom twardości w części odpowiadającej za formowanie gwintu. Pomiary wykonano zgodnie z zaleceniami producenta śrub. Wyniki pomiarów przedstawiono w Tab.1.

Tab. 1. Wynik pomiarów twardości śrub w części odpowiadającej za formowanie gwintu

Wyniki pomiarów porównano ze względu na wartość średnią z użyciem testu t-Studenta dla prób niezależnych. Test t poprzedzono testem F dla wariancji, którego wynik (p-value 0,624) wskazał brak podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej dotyczącej jednorodności wariancji w próbach.

Wynik testu t przedstawiono na Rys. 7.

Rys. 7. Wynik testu t dla porównania wartości średnich

W wyniku testu t stwierdzono, że twardość śruby nie jest czynnikiem odpowiedzialnym za powstawanie problemu.
Różnica twardości śrub (0,11 HRC) okazała się nieistotna statystycznie (p-value 0,715).

Śruby poddano także badaniu współczynnika tarcia. Wynik również nie wskazał na śrubę, jako przyczynę problemu. Dalszej analizie poddano nakrętkę, w której śruba formowała gwint podczas operacji dokręcania.

Nakrętka to tulejka o specyfikowanej twardości i geometrii. Twardość nie może być zbyt wysoka, ponieważ może dochodzić do problemów z formowaniem gwintu, ale również nie może być również zbyt niska, bo połączanie gwintowe musi przenosić zadane mu obciążenie. W tym przypadku specyfikacja dla twardości nakrętki wynosiła 350 HV +/- 50 HV. Nakrętka posiadała również specyfikację średnicy otworu wewnętrznego, która wynosiła 10,6 mm +/-0,1 mm. Na Rys. 8 przedstawiono analizę wydajności procesu dla średnicy wewnętrznej. Analizę wykonano na podstawie losowej próby o liczności 45.

Rys. 8. Analiza wydajności procesu dla średnicy wewnętrznej nakrętki

W wyniku analizy stwierdzono, że średnica wewnętrzna nakrętki nie jest czynnikiem, powodującym problem z wysokimi wartościami momentu formowania gwintu. Pomimo że proces jest nieznacznie przesunięty względem środka pola tolerancji, to i tak wartości wskaźników Pp i Ppk są wysokie, a prawdopodobieństwo pojawienia się obserwacji poza granicami tolerancji wynosi 0,00%.

W kolejnym kroku analizie poddano twardość nakrętki. Na Rys.9 przedstawiono rozkład i wartości wskaźników wydajności procesu.

Rys. 9. Analiza wydajności procesu dla twardości nakrętki

W wyniku analizy stwierdzono, że twardość nakrętek może być czynnikiem powodującym problem z wysoką wartością momentu formowania gwintu. Rozrzut pomiarów twardości jest większy niż zakres pola tolerancji, na co wskazuje niska (0,56) wartość wskaźnika Pp. Proces jest również przesunięty o przeciętnie 19,8 HV w stronę wartości wyższych. Większy rozrzut i przesunięcie procesu powoduje sytuację, w której można oczekiwać 15,68% obserwacji, nakrętek o twardości powyżej górnej granicy pola tolerancji.


Podjęto decyzję o przeprowadzeniu analizy zależności pomiędzy twardością nakrętki (X) a wartością momentu formowania gwintu (Y). Ponieważ skorygowany współczynnik determinacji dla funkcji kwadratowej (47,7%) okazał się wyższy niż dla funkcji liniowej (35,2%), a także resztowe odchylenie standardowe (1,917) dla funkcji kwadratowej okazało się niższe niż dla funkcji liniowej (2,135), analizę zależności wykonano dopasowaniem funkcją kwadratową. Na Rys. 10 przedstawiono analizę regresji kwadratowej.

Rys. 10. Analiza regresji kwadratowej

Współczynnik determinacji wynoszący 50,2% potwierdził, że twardość nakrętki jest kluczowym czynnikiem powodującym problem z formowaniem gwintu. Dodatkowo obserwacja znajdująca się poza przedziałem predykcji (zaznaczona na czerwono) wskazuje, że od pewnej wartości twardości nakrętki (od około 440 HV) przyrost wartości momentu formowania gwintu może być gwałtowny, przybierający formę trendu wykładniczego.

W tym miejscu procesu rozwiązywania problemu podjęto decyzję o wyznaczeniu takich wartości twardości nakrętki, aby zakres momentu formowania gwintu mieścił się w specyfikacji 15 +/-5 Nm.
Do tego celu wykorzystano narzędzie statystyczne Równoległobok tolerancji, które również często wykorzystywane jest e metodzie Red X. Na Rys. 11 przedstawiono wynik obliczeń nowej specyfikacji dla twardości nakrętki HV.

Rys. 11. Równoległobok tolerancji, obliczenia dla twardości nakrętki HV

Zaproponowano nowy zakres tolerancji dla twardości nakrętki HV: 325 HV dla dolnej granicy tolerancji oraz 385 HV dla górnej. Z uwagi na możliwości produkcyjne dostawcy nakrętki, zaproponowano, aby wskaźnik wydajności procesu Ppk dla twardości nakrętki wynosił > 1.00.

Podsumowanie procesu rozwiązywania problemów

Ponieważ na podstawie analizy zależności obliczony współczynnik determinacji wyniósł 50,2%, podjęto decyzję o wykonaniu próby polegającej na montażu elementów, w których twardość nakrętek mieściła się w zakresie nowej tolerancji (325 HV – 385 HV) i wskaźniku Ppk > 1.

Wynik próby dla rozkładu momentu formowania gwintu przedstawiono na Rys. 12. Liczność próby wynosiła 100 elementów.

Rys. 12. Rozkład momentu formowania gwintu dla twardości nakrętki z zakresu 325-385 HV

Zauważyć można, że proces przesunięty jest względem środka pola tolerancji, o około 0,87 Nm w stronę wartości wyższych. Wskaźnik PPU (estymacja prawej strony rozkładu) wyniósł 1,18, a spodziewany NOK rate powyżej górnej granicy wynosi 0,02%. Sytuacja taka okazała się do zaakceptowania. Na tym etapie (na życzenie Klienta) zakończono proces rozwiązywania tego problemu. Przyczyną źródłową problemu (ang. root cause) okazała się twardość nakrętki.

Głównym działaniem zaradczym było określenie nowej specyfikacji dla twardości nakrętki.

Uwaga autora

Podczas rozwiązywania tego problemu użyto także takich narzędzi jak: diagram Ichikawy, 5WHY czy 5W2H. Narzędzia te są bardzo ważne w początkowej fazie rozwiązywania problemu, jednak z ich pomocą definiowanie przyczyny źródłowej jest trudne i czasami może prowadzić do błędnych decyzji, które opierają się na przypuszczeniach i opiniach osób rozwiązujących problem. Szczególnie w przypadku problemów, które pojawiają się po raz pierwszy – są „nowe”.
Narzędzia te są użyteczne do wstępnego opisania problemu, natomiast do identyfikacji i potwierdzenia przyczyny źródłowej, niezbędna jest analiza statystyczna poparta logicznym i standaryzowanym tokiem postępowania.
Godnym polecenia jest proponowana przez autora niniejszego artykułu metoda Doriana Shainina Red-X uzupełniona o narzędzia wnioskowania statystycznego wykorzystywane w metodzie SIX SIGMA.
Obliczenia i wykresy przygotowano z użyciem arkusza kalkulacyjnego MS Excel oraz programu Minitab.


Zapisz się do newsletter'a

Podając adres e-mail wyrażam zgodę na otrzymywanie informacji zwrotnych.
Więcej na temat naszej Polityki Prywatności