Process FMEA在白車身制造工藝中的創(chuàng)新應用

儲祥偉 陳丹丹

（上汽通用汽車有限公司，上海201201）

主題詞：Process FMEA 白車身制造 PFMEA傳遞 D-P FMEA互聯(lián)

縮略語

FMEA Failure Mode and Effect Analysis

RPN Risk Priority Number

AP Action Priority

RPL Risk Priority Level

1 前言

產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性是汽車市場競爭中重要的因素。國家市場監(jiān)督總局2020 年6 號通告[1]，截至2019年年底，我國累計實施汽車召回1 992 次，涉及缺陷車輛7 578.01 萬輛，生產(chǎn)者因召回而投入直接費用總計約580 億元。引發(fā)召回的原因主要有2 個：設計原因和制造原因，其中由于制造原因造成的缺陷占比42%[2]。控制缺陷的有效手段包括提高產(chǎn)品的設計能力以及管控制造過程中的高風險工藝，雙管齊下，才能提高整車生產(chǎn)企業(yè)控制經(jīng)營風險，減少召回帶來的損失。

Booker J[3]指出75%的產(chǎn)品故障通常發(fā)生在開發(fā)和規(guī)劃階段，約80%的故障直到最終測試或產(chǎn)品使用時才被發(fā)現(xiàn)。為了有效地保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)進行質(zhì)量管理。FMEA(Failure Mode and Effect Analysis)被認為是在產(chǎn)品開發(fā)過程中規(guī)劃和提高質(zhì)量和可靠性的重要工具[4-6]，它能夠幫助開發(fā)者找出潛在的缺陷，并采取適當?shù)念A防和控制措施，提前發(fā)現(xiàn)并解決質(zhì)量缺陷。根據(jù)汽車領域產(chǎn)品設計和制造工藝開發(fā)2 個維度，F(xiàn)MEA 細分為Design FMEA 和Process FMEA。福特汽車工程師Kolich[7]運用DFMEA發(fā)現(xiàn)潛在的座椅舒適性故障模式，及時采取措施降低風險。PFMEA也廣泛地應用于汽車制造過程中，高大偉[8]借助PFMEA 預先發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線中的高風險失效模式，并采取相應措施避免失效的發(fā)生。本文首先簡述了PFMEA 的具體實施方法，然后提出動態(tài)PFMEA 的運作方式，挖掘出產(chǎn)品全生命周期中所有階段的潛在失效風險。

2 白車身PFMEA的實施

2.1 白車身工藝PFMEA小組

白車身工藝PFMEA 小組是一個多功能、跨部門的群組，組長一般是體系與質(zhì)量方面的專家，小組成員包括各個工藝的專家，如焊接專家、緊固件專家等，組長要直接地、主動地聯(lián)系所有相關部門的代表，在創(chuàng)建、審核、修訂PFMEA的過程中需要多功能小組成員的共同參與完成。

2.2 PFMEA 編制內(nèi)容

參照FMEA 手冊第4 版編制內(nèi)容[9]，制定工藝PFMEA，步驟如圖1。按該步驟識別出所有工藝的功能和要求、潛在失效模式、潛在失效后果、潛在失效原因、嚴重度(S)、頻度(O)和不可探測度(D)。其中，S、O、D 的評分準則可以參考FMEA 手冊，也可以根據(jù)需求自定義。

2.3 PFMEA 風險評估

目前常見的風險評估方法有：

(1)風險順序數(shù)RPN，即嚴重度(S)、發(fā)生度(O)和不可探測度(D)的乘積；

圖1 PFMEA編寫步驟

(2)行動優(yōu)先級AP，即根據(jù)S、O、D 的數(shù)值范圍制定3個等級，高等級的PFMEA條目需要優(yōu)先采取措施以降低風險；

(3)風險評估等級RPL，它與AP 的邏輯很相似，不同的是RPL 更加關注汽車行業(yè)的法律法規(guī)和安全問題[10]。

在白車身制造領域，采用RPL 風險評估方法，結(jié)合公司風險管理制度，可以讓FMEA 團隊快速、準確地識別出工藝過程中的高風險項，并對它們及時地做出有效管控措施。

2.4 PFMEA的傳遞

為了確保描述了PFMEA 在不同功能塊之間的傳遞，將PFMEA 文件進行分級：模板級、項目級和工廠級，如圖2。

圖2 PFMEA文件的傳遞

模板級PFMEA 由PFMEA 小組負責編制以及更新，以車身工藝的維度開發(fā)，包括自動焊接PFMEA、自動涂膠PFMEA、激光釬焊PFMEA等，表1列出了機器人焊接(伺服焊槍)FPMEA 的部分內(nèi)容，其中“過程步驟”是指具體的工藝過程，“要求”是來自產(chǎn)品以及制造工藝提出的需求，“潛在失效模式”來自產(chǎn)品工程師、質(zhì)量工程師、車間工程師、DFMEA 失效分析和車間實際制造過程中出現(xiàn)過的質(zhì)量缺陷等。

項目級PFMEA 是由項目制造工程師負責開發(fā)，根據(jù)最新模板級PFMEA編制。具體步驟如下：

（1）在新項目試生產(chǎn)階段，制造工程師先制作出工藝流程圖(Process Flow)，如表2 列出某工位具體的工藝步驟，且定義每一步操作的屬性(移動、儲存、加工和檢驗)。

表1 模板級機器人焊接PFMEA部分內(nèi)容

（2）針對表2 中工藝流程圖的每一步驟制作相應的工藝PFMEA，如表3 描述了序號1.1 的具體PFMEA要求與失效模式。

表2 某工位工藝流程

表3 某工藝步驟具體的PFMEA內(nèi)容

（3）基于項目DFMEA，識別項目DFMEA 中的產(chǎn)品關鍵特性和高風險項，確保設計風險項的有效傳遞。

工廠級PFMEA 是車間相關工程師負責開發(fā)，他們在試生產(chǎn)階段接收項目PFMEA，識別其中的高風險條目和工藝控制要求，并制定相應的過程控制措施。

3級PFMEA工作分別在項目的不同時期進行。

（1）模板級PFMEA 是由PFMEA 小組控制及更新，會隨著科技的進步和項目中的經(jīng)驗教訓不斷更新。

（2）項目級PFMEA 是在項目設計階段完成，幫助工程師在新車型投入生產(chǎn)前就識別出高風險操作，從而做到防患于未然。

（3）工廠級PFMEA 是基于車間實際情況，針對試生產(chǎn)階段和量產(chǎn)后的白車身制造，能進一步挖掘出潛在的高風險工藝，并將新的失效模式、控制預防措施以及經(jīng)驗教訓反饋給PFMEA 小組，用于更新模板級PFMEA文件。

綜上所述，PFMEA在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)一直存在且不斷更新，由此形成了一個閉環(huán)過程（如圖3），在任何一個階段都牢牢地將質(zhì)量風險扼殺在搖籃里。

圖3 PFMEA工作的閉環(huán)過程

3 DFMEA與PFMEA的互聯(lián)開發(fā)

汽車行業(yè)應用FMEA 已經(jīng)很久了，但是一般而言，產(chǎn)品研發(fā)工程師使用的DFMEA 與制造工程師使用的PFMEA 是2 個獨立的系統(tǒng)，DFMEA 關注點偏重產(chǎn)品設計的失效，PFMEA 主要偏重制造過程中的失效，對此一些研究人員探索聯(lián)合開發(fā)DFMEA 與PFMEA。Zheng L 和McMahon C 等[11]開發(fā)了一種基于Web 的面向服務的FMEA 工具，在用CAD 開發(fā)零件時，將產(chǎn)品關鍵特性（例如厚度、直徑等關鍵參數(shù)）傳遞給PFMEA 團隊，然后從PFMEA 的角度給出可制造性和改進建議。從而能夠及時地發(fā)現(xiàn)質(zhì)量風險，實現(xiàn)了產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)的閉環(huán)。該方法旨在產(chǎn)品設計階段就開始開發(fā)PFMEA，提前研究可制造性以及針對高風險項的建議措施。

本文旨在提出一種在整車廠實現(xiàn)聯(lián)合開發(fā)DFMEA與PFMEA的可行性，即D-P FMEA互聯(lián)。圖4顯示了開發(fā)D-P FMEA 互聯(lián)的核心成員，需要由質(zhì)量部牽頭，聯(lián)合制造工藝、產(chǎn)品設計、項目管理、信息技術等部門，確保D-P FMEA互聯(lián)的有效推進與落實。

D-P FMEA 互聯(lián)工作是隨著具體項目持續(xù)推進的。在項目前期，負責各自子系統(tǒng)的產(chǎn)品工程師在開發(fā)DFMEA模板的同時，需要向相應的PFMEA模板發(fā)起連接請求。工藝工程師確認該連接后，DFMEA 就會將系統(tǒng)功能、法律法規(guī)、經(jīng)驗教訓、嚴重度、失效模式和失效影響輸入給PFMEA，同樣PFMEA 也會反饋工藝可制造性、嚴重度、失效模式和失效影響信息給DFMEA。在項目開發(fā)階段，DFMEA與PFMEA也存在同樣的互聯(lián)機制。在PFMEA 的閉環(huán)傳遞過程中，項目工程師還可以通過工藝開發(fā)/驗證試生產(chǎn)手段促進PFMEA模板的更新完善。最后在項目實施階段，即用于車間生產(chǎn)過程中進行制造風險控制的PFMEA 文件，就是經(jīng)過產(chǎn)品工程師和工藝工程師多輪審核后的產(chǎn)物，它是一份相對完備的風險管控依據(jù)，在后續(xù)的產(chǎn)品生命周期內(nèi)也將持續(xù)演化更新，不斷促進汽車制造PFMEA的應用發(fā)展。

圖4 開發(fā)D-P FMEA互聯(lián)的成員

圖5 D-P FMEA互聯(lián)的邏輯關系

4 結(jié)論

本文介紹了PFMEA 在白車身制造過程中的應用，包括PFMEA 小組的建立、內(nèi)容的編寫和風險評估、PFMEA 的傳遞、DFMEA 與PFMEA 的互聯(lián)互通。著重提出了PFMEA在項目的不同階段以及不同功能塊之間的閉環(huán)傳遞，保證了PFMEA 文件的實時動態(tài)更新。最后創(chuàng)新性地探索了Design FMEA 與Process FMEA 的互聯(lián)開發(fā)，從產(chǎn)品設計源頭挖掘潛在質(zhì)量缺陷，進一步地提高白車身制造過程中的質(zhì)量風險管控能力。

目前DFMEA 與PFMEA 大多是獨立開發(fā)，將2者進行信息互通是第一步嘗試。未來產(chǎn)品設計與制造工藝評估會合并在一個系統(tǒng)，DFMEA 與PFMEA 將同步開發(fā)，許多潛在缺陷將在這個階段被發(fā)現(xiàn)并及時解決，從成本上看將為企業(yè)帶來巨大的效益。