淺議PFMEA在透明件工藝設計中的應用

高翔，郭蕊娜，陳琦，劉淑華，吳盼

（中航工業洪都，江西南昌330024）

淺議PFMEA在透明件工藝設計中的應用

高翔，郭蕊娜，陳琦，劉淑華，吳盼

（中航工業洪都，江西南昌330024）

在產品工藝設計階段最大限度地識別潛在失效原因并采取防范措施，對于產品研制和后期批生產的質量保證來說十分重要。本文介紹了PFMEA技術應用于某型號透明組件工藝設計的實例，通過潛在失效原因分析，找出了透明件組件現行制造工藝中影響產品質量的關鍵影響因素，并通過PFMEA分析制訂了糾正措施。最終經試制、試驗，驗證了糾正后工藝設計的可靠性，有效地降低了產品制造風險。

PFMEA；透明組件；工藝設計；質量分析

0 引言

失效模式及影響分析，簡稱FMEA（failure mode and effects analysis），其方法的適用范圍包括產品和工藝設計中的各種質量問題的分析，產品過程的確認和更改。它是一種前瞻性的可靠性分析和安全性評估方法[1]，對將來可能發生的產品失效作出預測[2]，并對設計和開發進行風險評估。FMEA還可劃分為設計FMEA（DFMEA）和過程FMEA（PFMEA），DFMEA適用于產品設計階段的失效模式與影響分析，而PFMEA則適用于工藝設計和生產制造的失效模式與影響分析[3]。自20世紀50年代初，美國Grumman公司第一次把FMEA思想應用于飛機設計分析，直至后期衍生出的PFMEA，一直在飛機設計、制造、售后服務領域發揮著重要作用。

PFMEA分析中使用的“失效（failure）”一詞含義不限于產品功能的“失效”，而是具有更廣的含義，例如工藝過程中各種情況的超差、失效、表面質量不合格以及因錯誤工藝或環境引起的過程波動等各種質量問題。作為一種可靠性分析技術，PFMEA是對工藝過程各組成部分及其接口進行事先綜合分析的方法，主要用來分析和評估工藝生產或產品制造過程可能出現的失效模式，以及這些失效模式發生后對產品質量及性能的影響[4]，進而推動工藝設計過程、制造過程層次的質量改進。此種事先分析包括：查明工藝過程中存在的各種潛在失效模式；評價每個失效模式可能產生的后果（對顧客）；評價每個失效模式的起因及其發生可能性的大小；找出減少失效模式發生或失效發生的控制變量，由此確定一個失效模式可控程度（不易探測度）；提出建議的措施，解決和預防風險最大一個或幾個失效模式的發生；在產品整個研制過程中，適時的對過程PFMEA進行迭代完善以及總結分析結果。

本文結合PFMEA在某型飛機透明組件工藝設計中的應用實例，說明PFMEA在工藝設計過程中的工作步驟和應用效果。

1 透明組件工藝設計的PFMEA應用

某型飛機活動艙透明件（見圖1）具有尺寸大、雙曲面和高性能的特點，光學性能要求高，有嚴格的裝配協調要求；邊緣連接設計采用復合連接，外形、表面和邊緣加強組件膠接質量有嚴格要求，對透明組件的制造提出了一系列挑戰（重要的是通過合理的工藝設計達到產品要求和實際制造過程中的可行性問題）。

圖1 前艙復合連接透明組件

在進行該透明組件工藝設計前，首先成立了由設計、工藝、質量、采購、顧客（包括后續透明組件裝配和維護的用戶）組成的質量先期策劃小組。經過小組討論并依據設計要求和與顧客協商交流結果共得到18項潛在失效模式，如光學畸變、表面劃傷、脫粘、超應力容限裝配、裂紋、活動艙蓋外形超差等。針對活動艙蓋外形超差是基于：在透明組件制造工藝過程中，熱加工使有機玻璃產生熱收縮，導致透明組件外形偏差，以致裝配后的偏差積累進一步加大。其潛在失效的后果是艙蓋外形超差影響飛機氣動，不可接受而報廢透明組件。針對超應力容限裝配是基于以下情況得出的該失效模式：

1）透明組件存放過程受外力傳遞造成的零件變形；

2）裝配應力無量化判定，產生超出應力容限要求的裝配操作。超應力容限裝配潛在失效的后果是增加了透明組件產生應力-腐蝕裂紋的概率，從而降低了艙蓋的使用壽命，甚至影響飛機安全性。通過PFMEA分析，判斷工裝設計的零件邊緣線、無裝配測力以及不合理的存放變形是導致活動艙蓋超差和超出應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

對上述透明件工藝過程中潛在的失效原因，小組討論后確定了相應的控制預防措施：

1）透明件組件在退火的熱加工按有機玻璃材料熱收縮系數對零件邊緣線周緣按線比例放有補償余量；

2）設計存放的夾持工具預防透明組件弧框處的開檔尺寸變形；

3）在產品設計階段建議設計增加對透明組件裝配與骨架上的貼合力要求，在裝配時定力扳手控制預防超應力容限的裝配發生。形成的PFMEA控制措施如表2。

把PFMEA分析中需要進行的預防措施納入設計和研制驗證計劃（DVP&R）中，在該計劃中明確需要進行的項目計劃。綜合考慮國內外成熟經驗，結合實施的的操作性和后期控制的穩定性，確定顧客能接受的結果見表3，并對改進措施作出如下詳細實施要求：透明組件制造所用的透明件切割和退火工裝通過收縮率試驗來設計工藝數模并制造工裝；設計夾持存放透明件的裝置，并規定存放要求；以及設計可測試裝配貼合力的工具，在裝配時對貼合力進行記錄。同時，對各項計劃規定責任部門、責任人及完成時間。

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 效果及驗證

按照糾正措施完成設計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玻璃熱收縮率進行了工藝補償，見圖2所示。本研究中對各工裝按數模邊緣放大5mm補償余量，產品研制后在外形檢驗架上測量可以達到±3mm外形要求，效果明顯。

圖2 透明組件制造工裝優化及效果

圖3為透明組件存儲方式簡圖。存放在限位裝置內部的透明組件之前經外形檢測、光學性能檢測完好，無缺陷，在室溫和≤80%的濕度內存放較長（6周）時間后經再次檢查無次生缺陷，且外形無超出限位的改變。通過參考相關文獻[5-7]中工程經驗，為避免外部原因影響透明組件待裝配質量，最終制定了規范化的保護措施：

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

2）退火整形后的透明組件應放置在在限位存放裝置上，并做好透明件內外表面保護，標明生產日期及批架次信息。

3）待裝配庫存4件，透明組件產品存放周期≤6周。

圖3 透明組件存儲示意

存儲方式改進后，透明組件兩側邊緣膠接的次生缺陷明顯減少，變形得到控制。為了存儲時不產生較大限位應力，存放未完全夾持，部分零件尺寸控制并不一致，后續裝配間隙存在差異，為此后續裝配測力防錯就尤為必要。

在透明組件研制完后需要與骨架裝配進行機械連接。在裝配的同時，對裝配貼合力進行檢測驗證。貼合力檢測依據單面貼合后在另一面用測力器[8]測試透明組件與活動艙蓋骨架貼合所產生的應力讀數，偏差較大時可同時使用多個測力器測試，取最大讀數。測力器結構及檢測貼合如圖4所示。表4所示的是首件前艙試驗件在裝配環境（室溫20±5℃）下的測試結果，測試點為前艙組件左側段由前至尾均分，見圖4b所示。根據測試結果，滿足裝配應力容限要求，也進一步證明前階段的改進措施效果明顯。

圖4 透明組件裝配貼合測試示意圖

表4 裝配貼合力試驗測試結果

通過一系列的試驗和實施驗證，表明透明組件工藝設計以及研制的產品外部結構滿足和設計和裝配要求。該失效的風險順序數（PRN）由原來的≥192降低為≤96，詳見表5。通過該實例表明PFMEA在飛機艙蓋透明組件的工藝設計過程中發揮了非常重要的事前預防作用，有效降低了產品研制的風險。

表5 采取措施后的風險度

4 結論

1）PFMEA是一種最大程度地分析和識別工藝設計中潛在失效模式及原因/機制的分析技術。它是一個“事前的行為”而不是“事后的行為”，貫穿于工藝設計和開發的各個階段。

2）本文通過PFMEA分析，在工藝設計階段找出了透明件組件現行制造工藝中影響產品質量的關鍵影響因素，并通過PFMEA分析制訂了合理可靠的糾正措施。研制出了符合設計、顧客要求的透明組件產品。

3）PFMEA可適用于飛機座艙透明件組件研制期的工藝設計。在工藝設計中加強PFMEA的應用，進行全面的PFMEA分析，可減輕“事后”補救的危機，能夠較容易、低成本地對透明組件產品或工藝過程的潛在失效進行預防和糾正，以減少或消除因補救帶來更大損失的機率。

[1]戴云徽，韓之俊，朱海榮.失效模式及影響分析（FMEA）研究進展[J].中國質量，2007（10）.

[2]孫志禮，陳良玉.實用機械可靠性設計理論方法[M].北京：科學出版社，2003.

[3]王大明，梁賀，賴智宇等.淺議PFMEA在實際生產中的有效運用[J].裝備制造技術，2009（10）.

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

[5]趙書旺.有機玻璃透明件的質量控制[J].飛機工程，2005（2）.

[6]許鷹.殲擊機座艙活動艙蓋裂紋產生的原因及防護措施[J].航空維修，2008（1）.

[7]馬占鏢.甲基丙烯酸酯樹脂及其應用[M].2，北京：化工工業出版社，2002

[8]高翔，萬建平，胡建冬，萬映輝.一種用于測試有機玻璃與飛機座艙骨架裝配貼合力的裝置[P].中國專利：CN 201320373389.5,2013,12,11.

>>>作者簡介

高翔，男，1979年出生，高級工程師，現從事航空非金屬及復合材料制造技術工作。

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）