過(guò)程控制在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用

張　韌

（中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海　201210）

過(guò)程控制在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用

張韌

（中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

商用飛機(jī)對(duì)航空材料的市場(chǎng)需求極為巨大。國(guó)產(chǎn)金屬材料必須抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)突破性發(fā)展。但目前國(guó)產(chǎn)航空金屬材料存在材料研制基礎(chǔ)薄弱等問(wèn)題，有必要通過(guò)過(guò)程控制技術(shù)，對(duì)供應(yīng)商建立SPC控制體系；借助過(guò)程能力指數(shù)評(píng)價(jià)和控制圖的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行合理有效監(jiān)控，從而提高材料的生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性，減少波動(dòng)，降低生產(chǎn)和使用各環(huán)節(jié)成本。

CPK過(guò)程控制生產(chǎn)過(guò)程Kc

未來(lái)20年，全球預(yù)計(jì)將有13000架以上的單通道噴氣客機(jī)交付運(yùn)營(yíng)。商用飛機(jī)對(duì)航空材料的市場(chǎng)需求極為巨大。國(guó)產(chǎn)材料必須抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)突破性發(fā)展。但是目前國(guó)內(nèi)金屬材料存在的主要差距體現(xiàn)在以下方面：

（1）材料研制基礎(chǔ)弱：缺乏相關(guān)航空材料研制與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。有的目前還缺乏生產(chǎn)條件；有的盡管在設(shè)備條件上已具備能力，但關(guān)鍵技術(shù)尚待突破；

（2）應(yīng)用研究不充分：擬采用的國(guó)內(nèi)新研材料，由于工程化研究不足，材料的技術(shù)成熟度不高，性能不穩(wěn)定，沒(méi)有批量生產(chǎn)和型號(hào)使用經(jīng)驗(yàn)，需要通過(guò)大量的工程化研究與驗(yàn)證才可能成功用于C919飛機(jī)；

（3）適航認(rèn)證經(jīng)驗(yàn)少：由于受到研究經(jīng)費(fèi)力度的制約，材料研究工作的覆蓋面較窄，可供應(yīng)的原材料品種規(guī)格有限，耐久性損傷容限設(shè)計(jì)用性能數(shù)據(jù)和適航審查所需的材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值缺乏，缺少對(duì)國(guó)產(chǎn)材料的適航審定工作經(jīng)驗(yàn)。

為解決以上問(wèn)題，有必要通過(guò)應(yīng)用相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析手段，首先從產(chǎn)品角度解決對(duì)產(chǎn)品性能水平和質(zhì)量穩(wěn)定性水平的分析、評(píng)定；其次從供應(yīng)商角度，通過(guò)要求其建立SPC控制體系，對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行合理有效的監(jiān)控，督促并指導(dǎo)其對(duì)產(chǎn)品性能水平和質(zhì)量穩(wěn)定性水平進(jìn)行改進(jìn)。

表1　不同CPK值對(duì)應(yīng)的不合格品數(shù)、合格率

圖1　I-MR-R/S控制圖范例

例如，波音公司在1996年編發(fā)了旨在減少關(guān)鍵特性波動(dòng)的生產(chǎn)過(guò)程持續(xù)質(zhì)量改進(jìn)方法——D1-9000A“先進(jìn)質(zhì)量體系”（Advanced Quality System，AQS）。AQS吸收了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO9000的基本質(zhì)量要求和統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制方法、手段。該體系不斷完善，于2000年進(jìn)行修訂，并將其主要內(nèi)容納入到公開文件《波音對(duì)供應(yīng)商質(zhì)量管理體系要求》中。該體系分6方面對(duì)關(guān)鍵特性及其波動(dòng)管理提出了相應(yīng)的綱領(lǐng)性要求，強(qiáng)調(diào)保持產(chǎn)品性能和生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定的、持續(xù)的改進(jìn)是波音公司戰(zhàn)略發(fā)展的基礎(chǔ)。

以波音的AQS體系為例，關(guān)鍵特性波動(dòng)控制是AQS持續(xù)改進(jìn)最核心的內(nèi)容。AQS對(duì)關(guān)鍵特性的控制主要分為三步：

（1）對(duì)過(guò)程和產(chǎn)品進(jìn)行分析，識(shí)別其中的關(guān)鍵特性；

（2）對(duì)關(guān)鍵特性和關(guān)鍵國(guó)產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估、控制；

（3）減少波動(dòng)。

1　過(guò)程能力指數(shù)的應(yīng)用

目前世界上對(duì)材料類產(chǎn)品關(guān)鍵特性的過(guò)程能力評(píng)估通常采用CPK（Complex Process Capability index）的概念，用來(lái)確定流程是否將在可容忍的波動(dòng)范圍內(nèi)生產(chǎn)。指進(jìn)入批量生產(chǎn)后，為保證批量生產(chǎn)下的產(chǎn)品品質(zhì)狀況不至于下降，所進(jìn)行的生產(chǎn)能力分析。由表1可以看出，CPK值越大表示品質(zhì)越好。而且這里所說(shuō)的品質(zhì)好不是單個(gè)產(chǎn)品的概念，而是統(tǒng)計(jì)上的概念，以CPK=1.67為例，統(tǒng)計(jì)上每百萬(wàn)件產(chǎn)品都不出現(xiàn)一件不合格品，對(duì)于這樣的產(chǎn)品，很顯然可以采取比CPK=1.0的產(chǎn)品更為寬松的入廠抽樣檢驗(yàn)方案，甚至于視情況免檢，從而極大提高效率，降低成本。CPK計(jì)算公式如下：

USL：規(guī)范規(guī)定的性能上限；

LSL：規(guī)范規(guī)定的性能下限；

不同供應(yīng)商同一產(chǎn)品的同一關(guān)鍵特性很有可能屬于不同分布形式，為了進(jìn)行有效對(duì)比可以采用組內(nèi)/組間法對(duì)關(guān)鍵特性進(jìn)行CPK計(jì)算。該方法對(duì)數(shù)據(jù)分布形式?jīng)]有要求，適用于對(duì)不同供應(yīng)商數(shù)據(jù)分析對(duì)比，通過(guò)與國(guó)內(nèi)外公司相關(guān)技術(shù)人員的交流，確定以上方法確實(shí)可行。組內(nèi)/組間法計(jì)算CPK具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）該方法通過(guò)將數(shù)據(jù)分為若干小組，分別計(jì)算分組內(nèi)部的數(shù)據(jù)變異和分組間（即樣本總體）的數(shù)據(jù)變異，可以有效得到數(shù)據(jù)的總體穩(wěn)定性水平；

（2）不同供應(yīng)商同一材料的性能數(shù)據(jù)即使不為同一分布形式，也可通過(guò)組內(nèi)/組間法獲得可對(duì)比的CPK值，從而有效指導(dǎo)對(duì)供應(yīng)商的評(píng)級(jí)工作；

（3）以金屬材料為例，在分組時(shí)若按照材料熔煉爐批次分組，則通過(guò)其分組內(nèi)部計(jì)算結(jié)果可以得到該供應(yīng)商不同爐批次材料的性能穩(wěn)定性，結(jié)合其生產(chǎn)時(shí)間，甚至可以得到該供應(yīng)商在不同時(shí)刻的生產(chǎn)穩(wěn)定性水平；

（4）使用組內(nèi)/組間法與使用相應(yīng)分布的計(jì)算方法既可以得到該性能的過(guò)程能力水平，還可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法預(yù)估該過(guò)程在現(xiàn)有生產(chǎn)工藝下可能達(dá)到的最高過(guò)程能力水平（PPK）。

2　控制圖的應(yīng)用

但CPK統(tǒng)計(jì)分析只能反映過(guò)程的穩(wěn)定性能力，即只能反映生產(chǎn)過(guò)程的結(jié)果，并不能有效反映導(dǎo)致過(guò)程波動(dòng)的因素。為對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，指導(dǎo)其有目的采取改進(jìn)措施，有必要引入控制圖的概念。

常見控制圖分兩類：計(jì)量型控制圖和計(jì)數(shù)型控制圖（主要用于供應(yīng)商生產(chǎn)成本控制），為滿足對(duì)國(guó)產(chǎn)材料質(zhì)量要求應(yīng)選擇計(jì)量型控針對(duì)以上問(wèn)題，可以采用圖1：I-MR-R/S控制圖（組內(nèi)/組間單值-移動(dòng)極差控制圖）。該控制圖通過(guò)組內(nèi)及組間變異生成控制圖，可以反映過(guò)程能力等級(jí)、組內(nèi)變異和組間變異，適用于過(guò)程變異來(lái)源于子組變異和隨機(jī)錯(cuò)誤的情況且對(duì)原始數(shù)據(jù)的分布形式?jīng)]有要求。

制圖，該類型控制圖可疑有效監(jiān)控加工工序。常見的計(jì)量型控制圖一般要求數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，理想狀態(tài)下，供應(yīng)商一直用固定設(shè)備、固定生產(chǎn)工藝、固定人員進(jìn)行同一訂單的持續(xù)生產(chǎn)（持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)），由加工工序直接反映的性能應(yīng)為正態(tài)分布。但實(shí)際情況是，供應(yīng)商同時(shí)接受多個(gè)訂單，供應(yīng)商在訂單生產(chǎn)完一批材料，很可能需要對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，以便按其它訂單生產(chǎn)。因此即使供應(yīng)商生產(chǎn)COMAC材料所用設(shè)備、人員等一直不變，實(shí)際上我們所得到的材料性能數(shù)據(jù)也很難保證是正態(tài)分布。

控制圖的作用能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常和緩慢變異，預(yù)防不合格品的發(fā)生，從而降低消耗；有效低定量判斷工序的質(zhì)量穩(wěn)定性，從而降低檢測(cè)費(fèi)用，是免檢的依據(jù)；為真正地制定工序目標(biāo)和規(guī)格界限，改進(jìn)不符合實(shí)際能力或經(jīng)濟(jì)原則的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)；使工序的質(zhì)量和成本成為可預(yù)測(cè)的，并能以較快的速度和準(zhǔn)確性測(cè)量出系統(tǒng)誤差的影響程度，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］MMPDS，Metallic Materials PropertiesDevelopment and Standardization.

張韌（1972—），女，潛安徽山人，女，本科學(xué)歷，現(xiàn)任上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院標(biāo)準(zhǔn)材料設(shè)計(jì)研究部高級(jí)工程師，主要工作方向?yàn)榻饘俨牧显O(shè)計(jì)用選材。