過程控制在生產過程中的應用

【摘 要】商用飛機對航空材料的市場需求極為巨大。國產金屬材料必須抓住這個機會，實現突破性發展。但目前國產航空金屬材料存在材料研制基礎薄弱等問題，有必要通過過程控制技術，對供應商建立SPC控制體系；借助過程能力指數評價和控制圖的實際應用，對其生產過程進行合理有效監控，從而提高材料的生產過程穩定性，減少波動，降低生產和使用各環節成本。

【關鍵詞】CPK 過程控制 生產過程 Kc

未來20年，全球預計將有13000架以上的單通道噴氣客機交付運營。商用飛機對航空材料的市場需求極為巨大。國產材料必須抓住這個機會，實現突破性發展。但是目前國內金屬材料存在的主要差距體現在以下方面：

（1）材料研制基礎弱：缺乏相關航空材料研制與應用經驗。有的目前還缺乏生產條件；有的盡管在設備條件上已具備能力，但關鍵技術尚待突破；

（2）應用研究不充分：擬采用的國內新研材料，由于工程化研究不足，材料的技術成熟度不高，性能不穩定，沒有批量生產和型號使用經驗，需要通過大量的工程化研究與驗證才可能成功用于C919飛機；

（3）適航認證經驗少：由于受到研究經費力度的制約，材料研究工作的覆蓋面較窄，可供應的原材料品種規格有限，耐久性損傷容限設計用性能數據和適航審查所需的材料力學性能數據統計值缺乏，缺少對國產材料的適航審定工作經驗。

為解決以上問題，有必要通過應用相應的統計分析手段，首先從產品角度解決對產品性能水平和質量穩定性水平的分析、評定；其次從供應商角度，通過要求其建立SPC控制體系，對其生產過程進行合理有效的監控，督促并指導其對產品性能水平和質量穩定性水平進行改進。

例如，波音公司在1996年編發了旨在減少關鍵特性波動的生產過程持續質量改進方法——D1-9000A“先進質量體系”（Advanced Quality System，AQS）。AQS吸收了國際標準ISO9000的基本質量要求和統計過程控制方法、手段。該體系不斷完善，于2000年進行修訂，并將其主要內容納入到公開文件《波音對供應商質量管理體系要求》中。該體系分6方面對關鍵特性及其波動管理提出了相應的綱領性要求，強調保持產品性能和生產過程穩定的、持續的改進是波音公司戰略發展的基礎。

以波音的AQS體系為例，關鍵特性波動控制是AQS持續改進最核心的內容。AQS對關鍵特性的控制主要分為三步：

（1）對過程和產品進行分析，識別其中的關鍵特性；

（2）對關鍵特性和關鍵國產參數進行評估、控制；

（3）減少波動。

1過程能力指數的應用

目前世界上對材料類產品關鍵特性的過程能力評估通常采用CPK（Complex Process Capability index）的概念，用來確定流程是否將在可容忍的波動范圍內生產。指進入批量生產后，為保證批量生產下的產品品質狀況不至于下降，所進行的生產能力分析。由表1可以看出，CPK值越大表示品質越好。而且這里所說的品質好不是單個產品的概念，而是統計上的概念，以CPK=1.67為例，統計上每百萬件產品都不出現一件不合格品，對于這樣的產品，很顯然可以采取比CPK=1.0的產品更為寬松的入廠抽樣檢驗方案，甚至于視情況免檢，從而極大提高效率，降低成本。CPK計算公式如下：

不同供應商同一產品的同一關鍵特性很有可能屬于不同分布形式，為了進行有效對比可以采用組內/組間法對關鍵特性進行CPK計算。該方法對數據分布形式沒有要求，適用于對不同供應商數據分析對比，通過與國內外公司相關技術人員的交流，確定以上方法確實可行。組內/組間法計算CPK具有以下優點：

（1）該方法通過將數據分為若干小組，分別計算分組內部的數據變異和分組間（即樣本總體）的數據變異，可以有效得到數據的總體穩定性水平；

（2）不同供應商同一材料的性能數據即使不為同一分布形式，也可通過組內/組間法獲得可對比的CPK值，從而有效指導對供應商的評級工作；

（3）以金屬材料為例，在分組時若按照材料熔煉爐批次分組，則通過其分組內部計算結果可以得到該供應商不同爐批次材料的性能穩定性，結合其生產時間，甚至可以得到該供應商在不同時刻的生產穩定性水平；

（4）使用組內/組間法與使用相應分布的計算方法既可以得到該性能的過程能力水平，還可以通過統計的方法預估該過程在現有生產工藝下可能達到的最高過程能力水平（PPK）。

2控制圖的應用

但CPK統計分析只能反映過程的穩定性能力，即只能反映生產過程的結果，并不能有效反映導致過程波動的因素。為對生產過程進行監控，指導其有目的采取改進措施，有必要引入控制圖的概念。

常見控制圖分兩類：計量型控制圖和計數型控制圖（主要用于供應商生產成本控制），為滿足對國產材料質量要求應選擇計量型控制圖，該類型控制圖可以有效監控加工工序。常見的計量型控制圖一般要求數據呈正態分布，理想狀態下，供應商一直用固定設備、固定生產工藝、固定人員進行同一訂單的持續生產（持續時間較長），由加工工序直接反映的性能應為正態分布。但實際情況是，供應商同時接受多個訂單，供應商在訂單生產完一批材料，很可能需要對設備參數進行調試，以便按其它訂單生產。因此即使供應商生產COMAC材料所用設備、人員等一直不變，實際上我們所得到的材料性能數據也很難保證是正態分布。

針對以上問題，可以采用圖1：I-MR-R/S控制圖（組內/組間單值-移動極差控制圖）。該控制圖通過組內及組間變異生成控制圖，可以反映過程能力等級、組內變異和組間變異，適用于過程變異來源于子組變異和隨機錯誤的情況且對原始數據的分布形式沒有要求。

控制圖的作用能及時發現異常和緩慢變異，預防不合格品的發生，從而降低消耗；有效低定量判斷工序的質量穩定性，從而降低檢測費用，是免檢的依據；為真正地制定工序目標和規格界限，改進不符合實際能力或經濟原則的規格標準提供依據；使工序的質量和成本成為可預測的，并能以較快的速度和準確性測量出系統誤差的影響程度，從而提高產品質量。

參考文獻：

[1]MMPDS，Metallic Materials PropertiesDevelopment and Standardization

作者簡介：張韌（1972—），女，安徽潛山人，女，本科學歷，現任上海飛機設計研究院標準材料設計研究部高級工程師，主要工作方向為金屬材料設計用選材。