發(fā)動機(jī)制造可靠性工藝設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用

李崢 葉銳 張雪冬 王連宏 李曉霞 吳鑫

（1 山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同，037036 2 中國萬寶工程有限公司，北京，100053）

0 引言

產(chǎn)品可靠性需要通過制造過程予以實(shí)現(xiàn)和保障，如果在制造過程中不充分考慮各種因素對產(chǎn)品可靠性的影響并加以控制，加工完成后產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)往往達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求。因此，發(fā)動機(jī)的零部件從原材料到機(jī)械加工再到裝配階段，必須在工藝設(shè)計(jì)上充分考慮制造可靠性。PFMEA是分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對系統(tǒng)造成的所有可能影響，并按每一個故障模式的嚴(yán)重程度、檢測難易程度以及發(fā)生頻度予以分類的一種歸納分析方法。其目的是減小制造生產(chǎn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)，識別和評估產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中每個工藝步驟的功能和要求，識別和評估工藝過程中潛在的故障模式、原因及其對產(chǎn)品和最終用戶造成的所有影響，按故障模式的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）值的大小，識別聚焦于降低發(fā)生率或提高失效檢測度的工藝過程的過程變量，對工藝薄弱環(huán)節(jié)制定改進(jìn)措施，確保糾正/預(yù)防措施的優(yōu)先系統(tǒng)建立，并預(yù)測或跟蹤采取改進(jìn)措施后減少RPN值的有效性，使RPN達(dá)到可接受的水平，進(jìn)而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。但目前由于受到各方面因素的制約，發(fā)動機(jī)研制與生產(chǎn)中進(jìn)行的PFMEA分析方面存在流于形式現(xiàn)象，從而削弱了PFMEA分析對于提高產(chǎn)品可靠性的意義。為此，本文針對PFMEA方法進(jìn)行分析與研究，建立發(fā)動機(jī)制造工藝設(shè)計(jì)的實(shí)施時(shí)機(jī)、實(shí)施方法、實(shí)施流程，對于提高發(fā)動機(jī)可靠性具有重要意義。

1 PFMEA實(shí)施時(shí)機(jī)

PFMEA應(yīng)在產(chǎn)品FMEA完成之后，工藝規(guī)程編制、專用工藝裝置設(shè)計(jì)前進(jìn)行。為了提高產(chǎn)品的可靠性和安全性、降低生產(chǎn)過程中的消耗成本、提高生產(chǎn)效率，在隨后的生產(chǎn)驗(yàn)證和持續(xù)改進(jìn)活動中，需要不斷地進(jìn)行工藝FMEA的更新，形成能夠指導(dǎo)生產(chǎn)、滿足可靠性要求的工藝文件。

2 PFMEA分析原理

在進(jìn)行工藝FMEA過程中，通常要考慮人、機(jī)、料、法、環(huán)、測六個要素，通過識別在加工過程中可能產(chǎn)生的故障模式，分析產(chǎn)生的原因，然后進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，通過一系列步驟找出需要進(jìn)行改進(jìn)和控制的關(guān)鍵項(xiàng)，提出改進(jìn)措施。將工藝過程FMEA輸出的改進(jìn)措施落實(shí)到控制計(jì)劃中，在生產(chǎn)和加工過程中進(jìn)行控制，以提高整個過程的可靠性。PFMEA分析原理如圖1所示，它包括以下關(guān)鍵步驟：

圖1 PFMEA分析原理示意圖

（1）確定與工藝生產(chǎn)或產(chǎn)品制造過程相關(guān)的潛在失效模式與起因；

（2）評價(jià)失效對產(chǎn)品質(zhì)量和用戶的潛在影響；

（3）找出減少失效發(fā)生或失效條件的過程控制變量，并制定糾正和預(yù)防措施；

（4）編制潛在失效模式分級表，確保嚴(yán)重的失效模式得到優(yōu)先控制；

（5）跟蹤控制措施的實(shí)施情況，更新失效模式分析表。

3 PFMEA實(shí)施流程

PFMEA實(shí)施流程見圖2。

3.1 PFMEA工作組的建立和職責(zé)

工藝FMEA 小組應(yīng)由4～9名專業(yè)人員組成，組員應(yīng)以產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)人員為主，需包括質(zhì)量部門人員、售后維修及客戶代表等方面的人員。成立不同部門的工作小組目的在于跨功能和學(xué)科的交互觀點(diǎn)；分享團(tuán)體經(jīng)驗(yàn)，使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確和全面；且可以做各方面的權(quán)衡，也有助于控制措施的落實(shí)。

工藝部門負(fù)責(zé)組織進(jìn)行工藝FMEA的討論分析。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)FMEA分析，工藝人員負(fù)責(zé)進(jìn)行工藝FMEA分析并編制相應(yīng)的分析報(bào)告，質(zhì)量部門人員負(fù)責(zé)提供生產(chǎn)和驗(yàn)收過程中出現(xiàn)的工藝故障信息，客戶代表負(fù)責(zé)提供使用過程中出現(xiàn)的工藝故障信息，售后維修人員負(fù)責(zé)提供維修保障中出現(xiàn)的工藝故障信息及相關(guān)可靠性跟蹤數(shù)據(jù)，并協(xié)助工藝人員完成工藝FMEA分析工作。

3.2 收集資料

在進(jìn)行工藝FMEA前，一般需要準(zhǔn)備：產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙、DFMEA分析結(jié)果、生產(chǎn)工藝裝備、工藝路線、產(chǎn)品研制生產(chǎn)和總體裝配試驗(yàn)及客戶使用等過程中出現(xiàn)的工藝故障信息、故障模式庫等。DFMEA分析結(jié)果用于確定產(chǎn)品的特殊特性，分析工藝故障對設(shè)計(jì)特性的影響，分析DFMEA中所重點(diǎn)關(guān)注的工藝因素；工藝裝備用于分析影響產(chǎn)品制造的因素；工藝路線用于分析PFMEA分析的對象，確定工藝工序樹結(jié)構(gòu)；工藝故障信息和故障庫用于幫助分析工藝故障模式、故障原因、影響及其RPN值等。

圖2 PFMEA實(shí)施流程

3.3 工藝分析

工藝分析重點(diǎn)要做好兩個方面的工作：編制工藝流程、繪制工藝關(guān)系矩陣。如果產(chǎn)品工藝比較簡單，可直接通過分析產(chǎn)品工藝流程圖確定工藝FMEA的分析對象，不必繪制工藝流程表及工藝關(guān)系矩陣。

（1）編制工藝流程

在進(jìn)行工藝FMEA分析之前，先要對分析對象進(jìn)行定義。工藝流程表表示的是各工序相關(guān)的工藝流程的功能和要求。工藝流程填寫是分析工藝對象的每道工序步驟（其名稱和編號）。加工工藝流程表填寫示例見表1。

（2）繪制工藝關(guān)系矩陣

工藝關(guān)系矩陣表示零部件特性與工藝操作的各工序間的關(guān)系。特征是零部件的某個特征，如機(jī)械性能、尺寸、同軸度等。工藝填寫的是與該項(xiàng)特征相關(guān)的工序。工藝關(guān)系矩陣填寫示例見表2。

3.4 工藝故障模式分析

工藝故障模式是指不能滿足工藝要求或設(shè)計(jì)要求的工藝缺陷。它可能是引起下一道（下游）工序故障模式的原因，也可能是上一道（上游）工序故障模式的后果。一般情況下，在工藝FMEA中，不考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的缺陷。工藝故障模式應(yīng)采用物理的、專業(yè)性術(shù)語，而不要采用所見的故障現(xiàn)象進(jìn)行故障模式的描述。

工藝故障模式庫可為工藝故障模式分析提供相關(guān)數(shù)據(jù)，故障模式盡量采用“產(chǎn)品特性+工藝加工特性+形容詞”的形式進(jìn)行表達(dá)，如“外圓+尺寸+超差”，有些故障模式有專業(yè)的術(shù)語定義，則不需要按照這個要求寫，如裂紋、夾渣、焊瘤等。典型的工藝故障模式示例見表3。

3.5 工藝故障原因分析

工藝故障原因?qū)嶋H就是設(shè)計(jì)或工藝弱點(diǎn)的體現(xiàn)。應(yīng)從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測方面分析潛在的故障原因。一種故障模式可能有一種或者多種故障原因?qū)е?。其原?模式-影響的關(guān)系見圖2。

表1 加工工藝流程表

表2 工藝關(guān)系矩陣

表3 典型的工藝故障模式

（2）對于最終使用者，工藝故障影響應(yīng)采用產(chǎn)品的特性進(jìn)行描述。典型的工藝故障影響見表5。

3.7 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）分析

風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）從故障模式的影響嚴(yán)重度、發(fā)生度及檢測度三個方面進(jìn)行評價(jià)，RPN值高的故障模式，應(yīng)作為預(yù)防控制的重點(diǎn)。特別需要指出的是：提高可檢性和降低發(fā)生率都不能改變嚴(yán)重度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般以評估故障影響的嚴(yán)重程度確定嚴(yán)重度（S）；根據(jù)故障原因、機(jī)理評估發(fā)生度（O）；根據(jù)現(xiàn)有的故障檢測和控制措施評估檢測度（D）。但具體情況具體分析，應(yīng)根據(jù)GJB/Z 1391A有關(guān)規(guī)定細(xì)化評分規(guī)則，制定符合發(fā)動機(jī)產(chǎn)品本身的RPN評分規(guī)則。

3.8 改進(jìn)措施

改進(jìn)措施是指以減少工藝故障模式的嚴(yán)重度（S）、發(fā)生度（O）和提高檢測度等級（D）為出發(fā)點(diǎn)的任何工藝改進(jìn)措施。一般不論工藝故障模式RPN的大小如何，對嚴(yán)重度（S）為9或10的項(xiàng)目應(yīng)通過工藝設(shè)計(jì)上的措施或產(chǎn)品加工、裝配過程控制或預(yù)防/改進(jìn)措施等手段，以滿足降低該風(fēng)險(xiǎn)的要求。在所有的狀況下，當(dāng)某個工藝故障模式的后果可能對制造/組裝人員產(chǎn)生危害時(shí)，應(yīng)該采取預(yù)防/改進(jìn)措施，以排除、減輕、控制或避免該工藝故障模式的發(fā)生。此外，還要通過專家討論的方式確定RPN的門限值。對超過門限值的工藝故障模式均應(yīng)提出改進(jìn)措施。門限值的大小不是絕對的，也不能完全按照門限值來制定優(yōu)先的改進(jìn)措施，要結(jié)合嚴(yán)重度、發(fā)生率的單值情況進(jìn)行。

3.9 RPN值的驗(yàn)證

制定改進(jìn)措施后，應(yīng)進(jìn)行預(yù)測、證實(shí)或跟蹤改進(jìn)措施執(zhí)行后的落實(shí)結(jié)果，對故障模式嚴(yán)重度（S）、發(fā)生度（O）和檢測度（D）的變化情況進(jìn)行分析和評價(jià)，并計(jì)算相應(yīng)的RPN值是否符合要求。當(dāng)不滿足要求時(shí)，應(yīng)重新分析PFMEA中故障原因、改進(jìn)措施等是否合理，并按上述步驟反復(fù)進(jìn)行，直至分析出正確的原因及措施，使風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的水平。

圖2 原因-模式-影響的關(guān)系

表4 典型的工藝故障影響

4 結(jié)論

在理解和掌握GJB/Z 1391A規(guī)定的工藝故障模式影響與分析的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步對工藝故障模式、故障原因、故障影響、風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）的分析與研究，確定了基于PFMEA方法的發(fā)動機(jī)可靠性工藝分析與設(shè)計(jì)的方法，并在發(fā)動機(jī)制造工藝設(shè)計(jì)得到了應(yīng)用。該方法可為工藝人員對工藝可靠性設(shè)計(jì)起到參考作用。

表5 典型的工藝故障影響