淺議PFMEA在透明件工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

高翔，郭蕊娜，陳琦，劉淑華，吳盼

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

淺議PFMEA在透明件工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

高翔，郭蕊娜，陳琦，劉淑華，吳盼

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

在產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)階段最大限度地識(shí)別潛在失效原因并采取防范措施，對(duì)于產(chǎn)品研制和后期批生產(chǎn)的質(zhì)量保證來(lái)說(shuō)十分重要。本文介紹了PFMEA技術(shù)應(yīng)用于某型號(hào)透明組件工藝設(shè)計(jì)的實(shí)例，通過(guò)潛在失效原因分析，找出了透明件組件現(xiàn)行制造工藝中影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素，并通過(guò)PFMEA分析制訂了糾正措施。最終經(jīng)試制、試驗(yàn)，驗(yàn)證了糾正后工藝設(shè)計(jì)的可靠性，有效地降低了產(chǎn)品制造風(fēng)險(xiǎn)。

PFMEA；透明組件；工藝設(shè)計(jì)；質(zhì)量分析

0 引言

失效模式及影響分析，簡(jiǎn)稱FMEA（failure mode and effects analysis），其方法的適用范圍包括產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)中的各種質(zhì)量問(wèn)題的分析，產(chǎn)品過(guò)程的確認(rèn)和更改。它是一種前瞻性的可靠性分析和安全性評(píng)估方法[1]，對(duì)將來(lái)可能發(fā)生的產(chǎn)品失效作出預(yù)測(cè)[2]，并對(duì)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。FMEA還可劃分為設(shè)計(jì)FMEA（DFMEA）和過(guò)程FMEA（PFMEA），DFMEA適用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的失效模式與影響分析，而PFMEA則適用于工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造的失效模式與影響分析[3]。自20世紀(jì)50年代初，美國(guó)Grumman公司第一次把FMEA思想應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)分析，直至后期衍生出的PFMEA，一直在飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造、售后服務(wù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

PFMEA分析中使用的“失效（failure）”一詞含義不限于產(chǎn)品功能的“失效”，而是具有更廣的含義，例如工藝過(guò)程中各種情況的超差、失效、表面質(zhì)量不合格以及因錯(cuò)誤工藝或環(huán)境引起的過(guò)程波動(dòng)等各種質(zhì)量問(wèn)題。作為一種可靠性分析技術(shù)，PFMEA是對(duì)工藝過(guò)程各組成部分及其接口進(jìn)行事先綜合分析的方法，主要用來(lái)分析和評(píng)估工藝生產(chǎn)或產(chǎn)品制造過(guò)程可能出現(xiàn)的失效模式，以及這些失效模式發(fā)生后對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及性能的影響[4]，進(jìn)而推動(dòng)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程層次的質(zhì)量改進(jìn)。此種事先分析包括：查明工藝過(guò)程中存在的各種潛在失效模式；評(píng)價(jià)每個(gè)失效模式可能產(chǎn)生的后果（對(duì)顧客）；評(píng)價(jià)每個(gè)失效模式的起因及其發(fā)生可能性的大??；找出減少失效模式發(fā)生或失效發(fā)生的控制變量，由此確定一個(gè)失效模式可控程度（不易探測(cè)度）；提出建議的措施，解決和預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)最大一個(gè)或幾個(gè)失效模式的發(fā)生；在產(chǎn)品整個(gè)研制過(guò)程中，適時(shí)的對(duì)過(guò)程PFMEA進(jìn)行迭代完善以及總結(jié)分析結(jié)果。

本文結(jié)合PFMEA在某型飛機(jī)透明組件工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例，說(shuō)明PFMEA在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中的工作步驟和應(yīng)用效果。

1 透明組件工藝設(shè)計(jì)的PFMEA應(yīng)用

某型飛機(jī)活動(dòng)艙透明件（見(jiàn)圖1）具有尺寸大、雙曲面和高性能的特點(diǎn)，光學(xué)性能要求高，有嚴(yán)格的裝配協(xié)調(diào)要求；邊緣連接設(shè)計(jì)采用復(fù)合連接，外形、表面和邊緣加強(qiáng)組件膠接質(zhì)量有嚴(yán)格要求，對(duì)透明組件的制造提出了一系列挑戰(zhàn)（重要的是通過(guò)合理的工藝設(shè)計(jì)達(dá)到產(chǎn)品要求和實(shí)際制造過(guò)程中的可行性問(wèn)題）。

圖1 前艙復(fù)合連接透明組件

在進(jìn)行該透明組件工藝設(shè)計(jì)前，首先成立了由設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量、采購(gòu)、顧客（包括后續(xù)透明組件裝配和維護(hù)的用戶）組成的質(zhì)量先期策劃小組。經(jīng)過(guò)小組討論并依據(jù)設(shè)計(jì)要求和與顧客協(xié)商交流結(jié)果共得到18項(xiàng)潛在失效模式，如光學(xué)畸變、表面劃傷、脫粘、超應(yīng)力容限裝配、裂紋、活動(dòng)艙蓋外形超差等。針對(duì)活動(dòng)艙蓋外形超差是基于：在透明組件制造工藝過(guò)程中，熱加工使有機(jī)玻璃產(chǎn)生熱收縮，導(dǎo)致透明組件外形偏差，以致裝配后的偏差積累進(jìn)一步加大。其潛在失效的后果是艙蓋外形超差影響飛機(jī)氣動(dòng)，不可接受而報(bào)廢透明組件。針對(duì)超應(yīng)力容限裝配是基于以下情況得出的該失效模式：

1）透明組件存放過(guò)程受外力傳遞造成的零件變形；

2）裝配應(yīng)力無(wú)量化判定，產(chǎn)生超出應(yīng)力容限要求的裝配操作。超應(yīng)力容限裝配潛在失效的后果是增加了透明組件產(chǎn)生應(yīng)力-腐蝕裂紋的概率，從而降低了艙蓋的使用壽命，甚至影響飛機(jī)安全性。通過(guò)PFMEA分析，判斷工裝設(shè)計(jì)的零件邊緣線、無(wú)裝配測(cè)力以及不合理的存放變形是導(dǎo)致活動(dòng)艙蓋超差和超出應(yīng)力容限要求的裝配的直接影響因素，即潛在失效原因，形成的PFMEA原因及后果如表1。

表1 潛在失效模式分析——原因及后果

2 措施

對(duì)上述透明件工藝過(guò)程中潛在的失效原因，小組討論后確定了相應(yīng)的控制預(yù)防措施：

1）透明件組件在退火的熱加工按有機(jī)玻璃材料熱收縮系數(shù)對(duì)零件邊緣線周緣按線比例放有補(bǔ)償余量；

2）設(shè)計(jì)存放的夾持工具預(yù)防透明組件弧框處的開(kāi)檔尺寸變形；

3）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段建議設(shè)計(jì)增加對(duì)透明組件裝配與骨架上的貼合力要求，在裝配時(shí)定力扳手控制預(yù)防超應(yīng)力容限的裝配發(fā)生。形成的PFMEA控制措施如表2。

把PFMEA分析中需要進(jìn)行的預(yù)防措施納入設(shè)計(jì)和研制驗(yàn)證計(jì)劃（DVP&R）中，在該計(jì)劃中明確需要進(jìn)行的項(xiàng)目計(jì)劃。綜合考慮國(guó)內(nèi)外成熟經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)施的的操作性和后期控制的穩(wěn)定性，確定顧客能接受的結(jié)果見(jiàn)表3，并對(duì)改進(jìn)措施作出如下詳細(xì)實(shí)施要求：透明組件制造所用的透明件切割和退火工裝通過(guò)收縮率試驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)工藝數(shù)模并制造工裝；設(shè)計(jì)夾持存放透明件的裝置，并規(guī)定存放要求；以及設(shè)計(jì)可測(cè)試裝配貼合力的工具，在裝配時(shí)對(duì)貼合力進(jìn)行記錄。同時(shí)，對(duì)各項(xiàng)計(jì)劃規(guī)定責(zé)任部門、責(zé)任人及完成時(shí)間。

表2 潛在失效模式分析——控制措施

表3 采取措施后接受要求

3 效果及驗(yàn)證

按照糾正措施完成設(shè)計(jì)和制造的透明組件熱加工工裝主要是在零件理論邊緣外形刻線按定厚度的有機(jī)玻璃熱收縮率進(jìn)行了工藝補(bǔ)償，見(jiàn)圖2所示。本研究中對(duì)各工裝按數(shù)模邊緣放大5mm補(bǔ)償余量，產(chǎn)品研制后在外形檢驗(yàn)架上測(cè)量可以達(dá)到±3mm外形要求，效果明顯。

圖2 透明組件制造工裝優(yōu)化及效果

圖3為透明組件存儲(chǔ)方式簡(jiǎn)圖。存放在限位裝置內(nèi)部的透明組件之前經(jīng)外形檢測(cè)、光學(xué)性能檢測(cè)完好，無(wú)缺陷，在室溫和≤80%的濕度內(nèi)存放較長(zhǎng)（6周）時(shí)間后經(jīng)再次檢查無(wú)次生缺陷，且外形無(wú)超出限位的改變。通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)[5-7]中工程經(jīng)驗(yàn)，為避免外部原因影響透明組件待裝配質(zhì)量，最終制定了規(guī)范化的保護(hù)措施：

1）退火整形后的透明組件存放在室溫（15～30℃）、干燥（濕度≤80%）的存儲(chǔ)間內(nèi)，室內(nèi)無(wú)有機(jī)溶劑氣體。

2）退火整形后的透明組件應(yīng)放置在在限位存放裝置上，并做好透明件內(nèi)外表面保護(hù)，標(biāo)明生產(chǎn)日期及批架次信息。

3）待裝配庫(kù)存4件，透明組件產(chǎn)品存放周期≤6周。

圖3 透明組件存儲(chǔ)示意

存儲(chǔ)方式改進(jìn)后，透明組件兩側(cè)邊緣膠接的次生缺陷明顯減少，變形得到控制。為了存儲(chǔ)時(shí)不產(chǎn)生較大限位應(yīng)力，存放未完全夾持，部分零件尺寸控制并不一致，后續(xù)裝配間隙存在差異，為此后續(xù)裝配測(cè)力防錯(cuò)就尤為必要。

在透明組件研制完后需要與骨架裝配進(jìn)行機(jī)械連接。在裝配的同時(shí)，對(duì)裝配貼合力進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證。貼合力檢測(cè)依據(jù)單面貼合后在另一面用測(cè)力器[8]測(cè)試透明組件與活動(dòng)艙蓋骨架貼合所產(chǎn)生的應(yīng)力讀數(shù)，偏差較大時(shí)可同時(shí)使用多個(gè)測(cè)力器測(cè)試，取最大讀數(shù)。測(cè)力器結(jié)構(gòu)及檢測(cè)貼合如圖4所示。表4所示的是首件前艙試驗(yàn)件在裝配環(huán)境（室溫20±5℃）下的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試點(diǎn)為前艙組件左側(cè)段由前至尾均分，見(jiàn)圖4b所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，滿足裝配應(yīng)力容限要求，也進(jìn)一步證明前階段的改進(jìn)措施效果明顯。

圖4 透明組件裝配貼合測(cè)試示意圖

表4 裝配貼合力試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)一系列的試驗(yàn)和實(shí)施驗(yàn)證，表明透明組件工藝設(shè)計(jì)以及研制的產(chǎn)品外部結(jié)構(gòu)滿足和設(shè)計(jì)和裝配要求。該失效的風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)（PRN）由原來(lái)的≥192降低為≤96，詳見(jiàn)表5。通過(guò)該實(shí)例表明PFMEA在飛機(jī)艙蓋透明組件的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)揮了非常重要的事前預(yù)防作用，有效降低了產(chǎn)品研制的風(fēng)險(xiǎn)。

表5 采取措施后的風(fēng)險(xiǎn)度

4 結(jié)論

1）PFMEA是一種最大程度地分析和識(shí)別工藝設(shè)計(jì)中潛在失效模式及原因/機(jī)制的分析技術(shù)。它是一個(gè)“事前的行為”而不是“事后的行為”，貫穿于工藝設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段。

2）本文通過(guò)PFMEA分析，在工藝設(shè)計(jì)階段找出了透明件組件現(xiàn)行制造工藝中影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素，并通過(guò)PFMEA分析制訂了合理可靠的糾正措施。研制出了符合設(shè)計(jì)、顧客要求的透明組件產(chǎn)品。

3）PFMEA可適用于飛機(jī)座艙透明件組件研制期的工藝設(shè)計(jì)。在工藝設(shè)計(jì)中加強(qiáng)PFMEA的應(yīng)用，進(jìn)行全面的PFMEA分析，可減輕“事后”補(bǔ)救的危機(jī)，能夠較容易、低成本地對(duì)透明組件產(chǎn)品或工藝過(guò)程的潛在失效進(jìn)行預(yù)防和糾正，以減少或消除因補(bǔ)救帶來(lái)更大損失的機(jī)率。

[1]戴云徽，韓之俊，朱海榮.失效模式及影響分析（FMEA）研究進(jìn)展[J].中國(guó)質(zhì)量，2007（10）.

[2]孫志禮，陳良玉.實(shí)用機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)理論方法[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[3]王大明，梁賀，賴智宇等.淺議PFMEA在實(shí)際生產(chǎn)中的有效運(yùn)用[J].裝備制造技術(shù)，2009（10）.

[4]馬林，何楨.六西格瑪管理（第二版）[M].北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2004.

[5]趙書旺.有機(jī)玻璃透明件的質(zhì)量控制[J].飛機(jī)工程，2005（2）.

[6]許鷹.殲擊機(jī)座艙活動(dòng)艙蓋裂紋產(chǎn)生的原因及防護(hù)措施[J].航空維修，2008（1）.

[7]馬占鏢.甲基丙烯酸酯樹(shù)脂及其應(yīng)用[M].2，北京：化工工業(yè)出版社，2002

[8]高翔，萬(wàn)建平，胡建冬，萬(wàn)映輝.一種用于測(cè)試有機(jī)玻璃與飛機(jī)座艙骨架裝配貼合力的裝置[P].中國(guó)專利：CN 201320373389.5,2013,12,11.

>>>作者簡(jiǎn)介

高翔，男，1979年出生，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事航空非金屬及復(fù)合材料制造技術(shù)工作。

Application of PFMEA on Process Design f Transparent Assembly

Gao Xiang,Guo Ruina,Cheng Qi,Liu Shuhua,Wu Pang
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

To identify the potential failure reasons and to take the preventive actions in the product technology design phase are very important for product development and quality assurance of later batch production.This paper introduces the real example that the PFMEA technique is applied on the process design of transparent assembly on a certain-type of aircraft.The key factors that affect the product quality in the current transparent assembly fabrication process are found out by analyzing the potential failure reasons,and the corrective actions are developed through PFMEA analysis as well.Finally,it verifies the reliability of corrected process design by trial producing and testing, so the product fabrication risk is reduced effectively.

PFMEA;transparent assembly;process design;quality analysis

2016-03-02）