基于PFMEA技術(shù)的氣缸蓋工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王連宏 葉銳 張雪冬 李崢 李曉霞 賀林

（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(guó)萬(wàn)寶工程有限公司，北京，100053）

0 引言

氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的薄壁零件。因工作過(guò)程中氣缸蓋一方面承受螺栓安裝時(shí)預(yù)緊力所產(chǎn)生的安裝應(yīng)力，及缸內(nèi)周期性變化的氣體壓力產(chǎn)生的高頻脈動(dòng)機(jī)械應(yīng)力；另一方面氣缸蓋底面還要受到高溫燃?xì)獾膭×壹訜岷透g，致使氣缸蓋在發(fā)動(dòng)機(jī)中的工作條件十分惡劣。因此，對(duì)氣缸蓋鑄件結(jié)構(gòu)高承載、高集成、高緊湊和高可靠性提出了高的要求，如何通過(guò)改進(jìn)工藝，解決鑄件材料性能提升、微觀缺陷嚴(yán)重、表面殘余應(yīng)力離散等問(wèn)題，已成當(dāng)務(wù)之急。目前產(chǎn)品FMEA作為設(shè)計(jì)工具之一，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中已應(yīng)用廣泛，而工藝FMEA研究還很欠缺。本文以某型號(hào)氣缸蓋鑄造工藝為例，通過(guò)采用工藝故障模式影響分析技術(shù)，對(duì)鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析，找出影響氣缸蓋可靠性的主要鑄造工藝過(guò)程因素，對(duì)傳統(tǒng)的鑄造工藝做出改進(jìn)，提高了氣缸蓋鑄造件的合格率及使用可靠性，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

1 工藝的功能與要求

建立氣缸蓋鑄造工藝流程表，見表1，以確定有關(guān)工藝的功能和要求；在此基礎(chǔ)上建立鑄件—工藝關(guān)系矩陣，見表2，以分析鑄件特性與相關(guān)工藝功能和要求的關(guān)系。

2 故障原因分析

（1）人：型芯制作、材料熔化與澆注及熱處理等操作人員均為經(jīng)過(guò)正規(guī)安全、操作、工藝等技能培訓(xùn)，具備專業(yè)的操作證、資格證等各類上崗證件，因此人員不是造成故障的主要原因。

（2）機(jī)：型芯制作、材料熔化與澆注及熱處理等涉及的工藝裝備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，精度穩(wěn)定可靠，具有裝備合格證，因此工藝裝備不是造成故障的主要原因。

（3）料：原材料具有成分、性能等合格證明，且抽樣檢測(cè)均符合要求，因此故障原因與材料無(wú)關(guān)。

（4）法：型芯制作、材料熔化與澆注及熱處理等工藝不盡合理，主要體現(xiàn)在工藝參數(shù)和澆注系統(tǒng)不合理，因此工藝方法是造成故障的主要原因。

表1 氣缸蓋鑄造工藝流程表

表2 鑄件—工藝關(guān)系矩陣

表3 故障模式—工藝關(guān)系矩陣

（5）環(huán)：型芯制作、材料熔化與澆注及熱處理等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的防火、技安、衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等均符合國(guó)家法規(guī)、法令、標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)文件的規(guī)定，因此故障原因與生產(chǎn)環(huán)境無(wú)關(guān)。

（6）測(cè)：除局部力學(xué)性能偏低無(wú)法檢測(cè)外，其余工藝過(guò)程均處于受檢狀態(tài)，因此測(cè)量不是造成故障的主要原因。

具體故障原因分析見表4。

3 故障影響分析

根據(jù)以上分析，建立工藝故障模式相對(duì)應(yīng)的工藝缺陷對(duì)下道工序和組件及裝備的影響，見表5。

4 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）分析

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際及鑄造工藝特點(diǎn)，綜合分析的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)見表6。

5 工藝FMEA的實(shí)施與驗(yàn)證

對(duì)于RPN值高的故障模式，制定了工藝改進(jìn)措施，目的是為了降低工藝故障模式的嚴(yán)重度（S）、發(fā)生概率等級(jí)（O）和提高檢測(cè)度等級(jí)（D），使風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的水平。通過(guò)基于FMEA的工藝設(shè)計(jì)，并在試驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，重新對(duì)工藝故障模式的嚴(yán)重度（S）、發(fā)生概率等級(jí)（O）和檢測(cè)度等級(jí)（D）的變化情況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。PFMEA工作表見表7，從表7可知，改進(jìn)措施后的工藝故障模式的發(fā)生概率等級(jí)（O）降低顯著，說(shuō)明達(dá)到了降低RPN值的目的。

表4 具體故障原因分析

表5 故障影響

6 實(shí)施PFMEA前后效果對(duì)比

根據(jù)表7可以看出，氣缸蓋鑄造工藝在應(yīng)用PFMEA前后的發(fā)生概率等級(jí)（O）下降幅度較大，這就使得產(chǎn)品的可靠性得到了大大提高。實(shí)施效果對(duì)比如圖1所示。

表6 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）

圖1 實(shí)施效果對(duì)比示意圖

表EA工作FM 7 P表N RP 98 21 21 14 14 N值D RP 7 3 3 2 2后進(jìn)改O 2 1 1 1 1 S 7 7 7 7 7施況效效效效進(jìn)行措情有 有 有 有改執(zhí) 行執(zhí) 行執(zhí) 行執(zhí)執(zhí)行3 3 3 5責(zé)任部門化車熔間10 10 10 10施化優(yōu)間時(shí)為改砂砂膜硅措型蓋分氣 板進(jìn)覆通改 成料 除長(zhǎng) 鑄上鐵冷普激替材延將N RP 4 29 5 10 84 70 70用代N值D RP 7 3 3 2 2前進(jìn)改O 6 5 4 5 5 S 7 7 7 7 7備滲靠滲靠裝、可差 、可裂、性開漏裂、開漏響能能能能影件差 性性 性 性障 性件件件 件故組 靠可 鑄低鑄 鑄 鑄降 低降 低降 低降序工道無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)下7 14 7 3 7 5 10芯制砂膜覆5 24 7 5 7差性差性靠可無(wú)因配短短、差、差原 分合理 間 間度速 熱力熱力障 成 時(shí) 時(shí)溫凝料不 注固慢 導(dǎo)能導(dǎo)能故材比化化率芯冷芯冷凈凈澆、低 型激型激式模學(xué)低度疏學(xué)低障 力 孔標(biāo)渣 、松 力偏故 部能局性針超 夾 縮松松 疏 部能局性功求序要純液得鋁形型件成芯工能 獲凈 鑄狀得型獲稱化名配芯藝凈注 砂、化澆制工熔芯制

7 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)應(yīng)用PFMEA技術(shù)，及時(shí)解決了氣缸蓋質(zhì)量故障，使產(chǎn)品的可靠性大大提高。PFMEA技術(shù)今后還將更多地用于新產(chǎn)品的試驗(yàn)階段或生產(chǎn)工藝發(fā)生變更時(shí)對(duì)潛在失效模式及其影響的分析，以達(dá)到提高制造品質(zhì)和產(chǎn)品可靠性的目的。

隨著新產(chǎn)品研發(fā)，發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程中越來(lái)越多新工藝的出現(xiàn)，工藝可靠性工作也逐漸突顯出其重要性，因此，工藝FMEA作為工藝可靠性保證技術(shù)，在型號(hào)研制過(guò)程中如能得到認(rèn)真應(yīng)用，則對(duì)其裝備性能保障和可靠性提升起到極大改善。