高溫合金薄壁件批產(chǎn)加工質(zhì)量控制：PFMEA應(yīng)用案例研究

關(guān)鍵詞：PFMEA，風(fēng)險(xiǎn)分析，高溫合金加工，質(zhì)量工具，批量生產(chǎn)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.013.024

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪燃機(jī)因其嚴(yán)苛的服役環(huán)境要求，大量使用高溫合金作為熱端零部件材料，這些高溫合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗疲勞性能與耐腐蝕性能[1]。同時(shí)，為了滿足空氣動(dòng)力學(xué)要求以及符合航空零件的嚴(yán)格重量限制，薄壁結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用[2]。然而，由于高溫合金加工的困難性，如大切削力、高切削溫度、加工硬化現(xiàn)象等特點(diǎn)[3]，以及薄壁結(jié)構(gòu)與復(fù)雜的流道結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品加工困難、制造時(shí)間長(zhǎng)、報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)高。隨著國(guó)內(nèi)兩機(jī)自主研制工作的推進(jìn)，建設(shè)穩(wěn)定的高溫合金薄壁件批產(chǎn)加工生產(chǎn)線已成為迫切需求，以確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

FEMA（Failure Mode amp; Effects Analysis）最早起源于美國(guó)航空宇航局（NASA），用于識(shí)別與評(píng)估設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)[4]，分為設(shè)計(jì)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別DFEMA（Design FMEA）與制造過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別PFMEA（Process FMEA）。PFMEA用于評(píng)估制造或裝配過(guò)程中可能導(dǎo)致產(chǎn)品失效的潛在模式及其可能引發(fā)的后果。通過(guò)分析失效的根本原因，確定哪些類型的過(guò)程故障應(yīng)該被重點(diǎn)關(guān)注以及涉及的關(guān)鍵工藝。進(jìn)而，識(shí)別存在較大風(fēng)險(xiǎn)的因素，并采取一系列改進(jìn)措施以減少項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)并提升產(chǎn)品質(zhì)量，以期達(dá)到零缺陷目標(biāo)。在航空航天、汽車制造、芯片制造等復(fù)雜高端制造業(yè)試制過(guò)程中廣泛應(yīng)用[5-8]。

1 PFMEA標(biāo)準(zhǔn)及流程

汽車行業(yè)2019年發(fā)布了最新版的FMEA操作手冊(cè)《AIAG VDA FMEA手冊(cè)》[9]，航空發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商質(zhì)量管理組（AESQ）發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)AS13004《過(guò)程失效模式和影響分析（PFMEA）和控制計(jì)劃》[10]。這些標(biāo)準(zhǔn)將FMEA工具應(yīng)用作為產(chǎn)品先期質(zhì)量策劃的基礎(chǔ)活動(dòng)。

本研究描述了PFMEA的具體實(shí)施流程，如圖1所示。

首先組織小組開(kāi)展頭腦風(fēng)暴，從人、機(jī)、料、法、環(huán)和測(cè)試要求等多方面對(duì)每個(gè)質(zhì)量要素、每個(gè)工序、每個(gè)工步進(jìn)行潛在的失效模式、潛在失效后果與潛在失效原因分析。

針對(duì)分析出的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化的等級(jí)評(píng)估，需要建立嚴(yán)重度（S）、頻度（O）、探測(cè)度（D）的評(píng)估準(zhǔn)則。評(píng)估準(zhǔn)則可參考各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)AS13004《過(guò)程失效模式和影響分析（PFMEA）和控制計(jì)劃》中關(guān)于嚴(yán)重度（S）、頻度（O）、探測(cè)度（D）的描述和分級(jí)如表1～3所示。

風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN 是一種權(quán)重評(píng)估結(jié)果。計(jì)算公式如下：

RPN =嚴(yán)重度（S）×頻度（O）×探測(cè)度（D）（1）

需要對(duì)每一種潛在失效模式的起因都進(jìn)行RPN 計(jì)算。當(dāng)RPN值大于120時(shí)，應(yīng)將該工步視為高風(fēng)險(xiǎn)關(guān)重工步。通過(guò)對(duì)RPN 高的風(fēng)險(xiǎn)工步建立預(yù)防措施和減緩這些風(fēng)險(xiǎn)所需的建議措施。防錯(cuò)措施應(yīng)具有針對(duì)性地降低嚴(yán)重度（S）、頻度（O）與探測(cè)度（D）。

2 PFMEA案例分析

本文選取某數(shù)控加工生產(chǎn)線的高溫合金渦輪導(dǎo)向器產(chǎn)品為研究對(duì)象（如圖2所示）。該產(chǎn)品由葉片流道與內(nèi)外環(huán)壁構(gòu)成，具有典型的薄壁特征，其中流道與葉片均為精鑄成型，處于由試生產(chǎn)階段向穩(wěn)定批產(chǎn)階段過(guò)渡時(shí)期。為了確保試制工藝在批產(chǎn)制造中的可靠性，需提前識(shí)別加工中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)并對(duì)其嚴(yán)重性進(jìn)行評(píng)估，制定相應(yīng)措施進(jìn)行規(guī)避。

2.1 識(shí)別各工序中的質(zhì)量特性

第一步應(yīng)明確產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)保證的產(chǎn)品質(zhì)量特性。質(zhì)量特性是加工過(guò)程中必須要保證的設(shè)計(jì)特性，來(lái)源于設(shè)計(jì)輸入的產(chǎn)品圖紙、技術(shù)條件、更改單等。對(duì)于渦輪導(dǎo)向器機(jī)加工藝流程，產(chǎn)品質(zhì)量特性主要包括尺寸要求、表面粗糙度要求、標(biāo)號(hào)要求與產(chǎn)品外觀要求等。每一個(gè)工步中都要明確，須保證的產(chǎn)品質(zhì)量特性。準(zhǔn)確識(shí)別每個(gè)工序中涉及的產(chǎn)品關(guān)鍵特性，為之后風(fēng)險(xiǎn)分析進(jìn)行準(zhǔn)備。渦輪導(dǎo)向器批產(chǎn)加工中各工序及質(zhì)量特性見(jiàn)表4。

2.2 開(kāi)展各工序PFMEA分析

該產(chǎn)品已過(guò)試制階段，可總結(jié)試加工經(jīng)驗(yàn)，更詳盡分析潛在失效起因，并如實(shí)記錄現(xiàn)行控制過(guò)程。失效模式應(yīng)評(píng)估產(chǎn)品相對(duì)于要求的具體偏差情況，潛在失效后果則應(yīng)考慮對(duì)后續(xù)工序與客戶的影響。分析應(yīng)該包含所有制造和裝配操作、運(yùn)輸、來(lái)料、運(yùn)料、存儲(chǔ)、運(yùn)行、維護(hù)以及打標(biāo)簽等。本文根據(jù)AS13004《過(guò)程失效模式和影響分析（PFMEA）和控制計(jì)劃》中要求進(jìn)行RPN評(píng)分。

2.2.1 加工前PFMEA分析

加工前需使用工裝對(duì)鑄件葉片定位，保證鑄件基準(zhǔn)到機(jī)加基準(zhǔn)的相對(duì)位置。加工前準(zhǔn)備工序雖不影響直接成型成品質(zhì)量特性，但其故障模式會(huì)對(duì)后續(xù)工序與成品產(chǎn)生直接影響，分析結(jié)果見(jiàn)表5。

2.2.2 車削工序PFMEA分析

車削工序是導(dǎo)向器加工成型的關(guān)鍵工序，由于產(chǎn)品為薄壁結(jié)構(gòu)，為避免加工中單次去除量過(guò)大導(dǎo)致塑性變形，將車削分為粗車、多次半精車與精車。車削工序的PFMEA分析見(jiàn)表6。

高溫合金加工一般采用硬度較高的硬質(zhì)合金刀具，但由于其高溫硬度等特點(diǎn)，切削過(guò)程中對(duì)刀具磨損程度高。試制過(guò)程中因加工件數(shù)少，采用人工目視檢查刀具磨損情況，已無(wú)法滿足批量加工中的探測(cè)要求。經(jīng)分析計(jì)算，以刀具磨損為潛在失效起因?qū)е碌某叽绯畹娘L(fēng)險(xiǎn)系數(shù)達(dá)126，為高風(fēng)險(xiǎn)。

本產(chǎn)品毛坯為整體鑄造成型，毛坯尺寸不一致。若按數(shù)控程序設(shè)計(jì)的加工余量極有可能造成尺寸超差，經(jīng)計(jì)算，該潛在失效模式風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)達(dá)144，為高風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3 打孔工序PFMEA分析

法蘭孔結(jié)構(gòu)用于導(dǎo)向器與機(jī)匣裝配，具有較高的位置度要求，需要著重分析定位工步與鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔工步。該工序采取專用夾具工裝定位。打孔過(guò)程中因去除材料量較大，刀具在加工中損壞或飛出的風(fēng)險(xiǎn)大。經(jīng)計(jì)算，鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔工步因刀具負(fù)載過(guò)大導(dǎo)致的工件報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)達(dá)168。

打孔工序的PFMEA分析見(jiàn)表7。

2.2.4 清洗與包裝工序PFMEA分析

清洗與包裝工序PFMEA分析見(jiàn)表8。經(jīng)計(jì)算，該工序暫無(wú)高風(fēng)險(xiǎn)潛在失效模式。

3 高風(fēng)險(xiǎn)關(guān)重步防錯(cuò)改進(jìn)

經(jīng)計(jì)算，渦輪導(dǎo)向器機(jī)加工工藝流程中有3個(gè)潛在失效起因的RPN﹥120。

針對(duì)潛在失效原因?yàn)榈毒吣p的高風(fēng)險(xiǎn)關(guān)重工步，其高RPN主要來(lái)自于高探測(cè)度（D）值。增加防錯(cuò)措施：加工中使用在線測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行尺寸監(jiān)控，確保尺寸變化在可控范圍內(nèi)，最終進(jìn)行三坐標(biāo)檢驗(yàn)。

針對(duì)潛在失效原因?yàn)槊饔嗔坎痪母唢L(fēng)險(xiǎn)關(guān)重工步，其高RPN主要來(lái)自于高探測(cè)度（D）值，現(xiàn)行過(guò)程控制中更改刀具磨損值為預(yù)估值，不能對(duì)線性尺寸進(jìn)行量化，存在切削余量過(guò)大、過(guò)切、扎刀等風(fēng)險(xiǎn)。增加防錯(cuò)措施：加工前使用專用量具進(jìn)行多段測(cè)量，對(duì)毛坯余量最大值和最小值進(jìn)行記錄，實(shí)際余量與要求余量不符時(shí)同工藝人員溝通，若存在余量不均情況，需采用增加刀補(bǔ)等方式對(duì)數(shù)控程序優(yōu)化。

針對(duì)潛在失效原因?yàn)榈毒吣p的高風(fēng)險(xiǎn)關(guān)重工步，其高RPN主要來(lái)自于高探測(cè)度（D）值，可增加防錯(cuò)措施：使用機(jī)床系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)伺服負(fù)載監(jiān)控模塊動(dòng)態(tài)監(jiān)控刀具在加工過(guò)程中的負(fù)載狀態(tài)，若負(fù)載過(guò)大，則停止加工，需更換刀具。

高風(fēng)險(xiǎn)工步在改進(jìn)措施后重新按照嚴(yán)重度、頻度與探測(cè)度三個(gè)評(píng)分表格進(jìn)行評(píng)分，三個(gè)高RPN值均降低到60以下，見(jiàn)表9，表明防錯(cuò)措施有效。經(jīng)產(chǎn)線運(yùn)行檢驗(yàn)，產(chǎn)品合格率從試制階段的80%提高到批產(chǎn)階段的98%。

4 總結(jié)

本文結(jié)合了高溫合金薄壁件加工原理與PFMEA技術(shù)，基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AS13004中對(duì)于嚴(yán)重度、探測(cè)度頻度的等級(jí)劃分要求，實(shí)施了在批產(chǎn)前對(duì)于高溫合金薄壁件加工生產(chǎn)線的質(zhì)量控制與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)工步進(jìn)行了防錯(cuò)改進(jìn)，有效預(yù)防生產(chǎn)過(guò)程中的差錯(cuò)，為航空與機(jī)械相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展PFMEA分析提供參考。

PFMEA分析是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，應(yīng)隨產(chǎn)品迭代、工藝改進(jìn)、流程變化等保持更新、持續(xù)改進(jìn)。PFMEA分析涉及制造過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，僅靠工藝工程師完成是不夠的，需要不同專業(yè)的人員團(tuán)隊(duì)合作，如操作、檢驗(yàn)、計(jì)劃、質(zhì)量等人員共同參與，應(yīng)充分發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)的統(tǒng)籌調(diào)配作用，確保資源保障和工具應(yīng)用效果。

作者簡(jiǎn)介

唐曉琬，通信作者，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)楹娇詹牧蠙z測(cè)實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量管理。

梁小龍，大專，高級(jí)工，研究方向?yàn)楦邷睾辖鸺庸ぜ艾F(xiàn)場(chǎng)管理。

李蓓，本科，技師，研究方向?yàn)楹娇詹牧蠙z測(cè)實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量管理。

（責(zé)任編輯：張佩玉）