PFMEA在電機裝配線轉子軸承壓裝工位中的應用*

蔣立正，祝洲杰，尤光輝

(浙江機電職業技術學院 智能制造學院，浙江 杭州 310053)

0 引言

隨著工信部在電機行業推廣智能制造新模式以來，越來越多的企業開始上線電機自動化裝配線，著力把我國電機制造水平提升到一個更高的層次。但是如果運行中的裝配線工位發生質量問題，企業就需要花費大量時間進行故障診斷和維修。轉子軸承壓裝是電機裝配線的關鍵工序，壓裝質量會影響電機的整機質量，其中影響最明顯的是振動和異常噪聲[1]。過程失效模式及后果分析(Process Failure Mode and Effects Analysis，簡稱PFMEA)是失效模式與效應分析(Failure Mode and Effects Analysis, FMEA)的一種，它是一種系統方法，是制造和裝配過程中的FMEA[2-4]，是提高制造和裝配工作效率及裝配可靠性的一種重要工具。

本文按照新版FMEA七步法對轉子軸承壓裝工位進行PFMEA分析，根據AP(Action Priority，簡稱AP，行動優先級)值高、中、低水平確定行動優先級，找出薄弱環節，最后，借助導入新設備的方法降低AP級數，改善軸承壓裝質量。

1 新版FMEA變化要點

2019年6月美國汽車工業行動組織(AIAG)和德國汽車工業聯合會(VDA)聯合發布新版FMEA，結束了AIAG和VDA各自發布FMEA的歷史。新版FMEA結合了AIAG清晰表格和詳細打分表的優點及VDA五步法結構化的優點，在此基礎上創建了AIAG-VDA七步法(策劃和準備、結構分析、功能分析、失效分析、風險分析、優化和結果文件化)，強調了FMEA工具的層級化。新版變化要點主要體現在：表格變、新增分析方法、步驟變、團隊方法變、評價規則變、思維變。具體變化如下：

(1)FMEA七步法(變化點一)：通過新版“七步法”實施策劃和準備活動，這與VDA“五步法”FMEA流程類似，但增加了范圍定義。

(2)評價規則變(變化點二)：舊版FMEA分析的風險優先級(Risk Priority Number，RPN)是嚴重度(S)×頻度(O)×探測度(D)，但由于RPN對S/O/D的權重相等，RPN可能會對S/O/D的不同組合產生類似的風險數，使團隊無法確定如何進行優先級排序，不能確定是否需要采取更多措施。新版FMEA分析取消了RPN，采用類似于行動優先級[5]從S/O/D三方面量化分析，對取值進行矩陣計算。

(3)表格變(變化點三)：新版FMEA表格有全新變化，結合結構分析、功能分析的成果，采取失效鏈的傳遞方式進行不同層級間的失效分析。

2 轉子軸承壓裝工位PFMEA分析

2.1 步驟一：策劃與準備(項目確定)

在制定項目計劃之前，首先是識別電機自動裝配線轉子軸承壓裝過程的可能風險，以及影響壓裝質量的其他過程風險，包括清洗零件、裝配組件以及制定作業計劃和作業指導書的重要依據內容。

(1)構建項目團隊：核心團隊中必須包含精通壓裝技術的工程師和精通FMEA的專家。

(2)梳理工作任務：按照新版FMEA七步法進行PFMEA分析。

(3)項目借助的相關工具：流程圖、參數圖、結構圖和功能圖等。

2.2 步驟二：結構分析(分析范圍可視化)

2.2.1 壓裝工藝流程分析

壓裝工位的技術要求如下：①壓裝前洗凈軸承上所有污物；②由工裝保證安裝質量，要求工裝的壓力均勻壓在軸承內圈，避免軸承滾珠受傷；③工裝和軸承內圈接觸的平面要與轉子軸中心線垂直，保證軸承垂直進入；④不同型號軸承壓裝壓力范圍不同；⑤壓裝完成后，兩軸承之間的距離精準。

壓裝工位一般使用通用臥式軸承壓裝機(如圖1所示)，一次操作同時將兩端軸承安裝到位，隨后進入下一道工序，即轉子軸承組件壓入帶定子鐵芯的基座組件。

從表3可以看出，谷草的粗蛋白含量與燕麥秸稈的粗蛋白含量相當，稍低于大豆秸稈、玉米秸稈，明顯低于苜蓿，但苜蓿是專用牧草，以粗蛋白含量高著稱，所以與其他秸稈對比來看谷子在粗蛋白含量上可以滿足飼喂需要。谷草的粗脂肪含量在對比的作物中處于中上游水平。谷草粗纖維含量明顯低于其他幾種作物，說明其適口性要好于其他幾種作物。谷草的粗灰分含量要高于燕麥、大豆、玉米，低于苜蓿，說明谷草的礦物質含量要高于其他幾種作物秸稈的含量，但低于苜蓿的礦物質含量。谷草的無氮浸出物含量高于燕麥和苜蓿，略低于大豆和玉米，無氮浸出物越高，其適口性越好、消化率越高。

圖1 通用臥式油壓機裝配轉子軸與軸承

2.2.2 結構樹分析及結構分析表

(1)電機組裝過程的結構樹分析：結合電機自動裝配工藝[6]，得出了與轉子軸承壓裝工位相關部分的結構樹，如圖2所示。通過結構化分析，可以看到每一個操作工位，增加了4M(人/機/料/法)分析。

圖2 電機組裝過程的結構樹

(2)結構分析表：限于篇幅，以70工位裝組件C(轉子軸與軸承)為例給出了結構分析表，見表1。

表1 結構分析表

2.3 步驟三：功能分析(產品和過程的功能可視化)

過程功能分析旨在確保產品/功能的預期功能/要求得到適當分配，它是失效分析步驟的基礎。

(1)參數圖。以壓裝轉子軸與軸承過程為例，圖3給出了參數圖，展示了壓裝過程的功能可視化表達。基于此，將壓裝工藝要求(特性)與功能進行有效關聯。

圖3 壓裝轉子軸與軸承參數圖

(2)功能分析結構樹。圖4為轉子軸與軸承壓裝過程功能分析結構樹，表達了功能關系的可視化。過程項的功能、過程步驟的功能和過程工作要素的功能之間的交互能夠可視化。

圖4 轉子軸與軸承壓裝過程功能分析結構樹

2.4 步驟四：失效分析(建立失效鏈)

在4M工作要素中，壓裝工藝參數是過程特性，PFMEA失效起因應考慮的范圍有：

第一類參數：隨著設備的運行，發生偏移或波動，如壓裝力、壓裝速度和壓裝位移等。

第二類參數：隨著設備的運行，不發生偏移或波動的參數，如計時、計數等。

70工位裝組件C(轉子軸與軸承)失效分析結構樹如圖5所示，失效分析表如表2所示。

表2 70工位裝組件C(轉子軸與軸承)失效分析表

圖5 70工位裝組件C(轉子軸與軸承)失效分析結構樹

2.5 步驟五：風險分析(為失效制定現有或計劃的控制措施和評級)

由于轉子軸與軸承的壓裝過程為特殊過程，壓裝產品質量不易保證或不能進行直接檢測，同時，通過剖切轉子軸組件來檢測壓裝過盈連接的質量也不可行。我們只有從人、機、料、法、環幾個方面出發，通過分析壓裝質量的影響因素，立足工藝設計(失效起因預防)、過程控制(起因探測)，著力抓住PFMEA控制措施關注點，找出影響失效起因的壓裝過程特性，通過周期性地檢查產品質量，從而做到事前有效探測壓裝質量的失效模式。

以70工位裝組件C(轉子軸與軸承)為例，表3給出了風險分析表，借助AP對照表，可查得AP達到H級。

表3 70工位裝組件C(轉子軸與軸承組裝)過程的風險分析

2.6 步驟六：優化(識別降低風險的必要措施)

由于AP達到H級，不能滿足壓裝質量要求，需優化，并采取必要措施。通過調研，設置位置傳感器或開關、過壓力傳感器等裝置，可以確保軸承壓裝到位，到位后壓力可以撤銷，以防止再施加更大的壓力將使軸承或軸損傷。由此，PFMEA團隊通過導入一款新型壓裝工位設備，有效地解決了這一失效模式。表4給出了優化結果，優化后，探測度(D)從8降低到2，AP達到L級。

表4 70工位裝組件C(轉子軸與軸承組裝)過程優化結果

(1)預防措施：優化過程非一蹴而就，需綜合考慮軸承壓裝過程的各個特點。團隊成員應積極參加電機、汽車行業協會組織的各類活動，吸收優秀的產業、行業規范。結合量產過程的表現，積極組織開展壓裝過程DOE工藝試驗設計，結合工藝評定試驗時的表現，總結工藝評定實驗經驗，穩定優化壓裝工藝參數。

(2)探測控制措施：針對關鍵參數，即使是毫秒級的波動都可能引起壓裝缺陷，產生質量問題。因此要積極探索、形成貼合生產實際的壓裝力—位移曲線，實時報警、記錄，以便于趨勢分析和壓裝質量問題追溯。

2.7 步驟七：結果文件化(對降低風險的措施進行溝通)

最后，針對轉子軸承壓裝過程的特點，結合前面六個步驟，把前述PFMEA應用結果文件化。

(1)形成正式的壓裝過程的FMEA完整內容。

(2)對于同結構、同材質的壓裝材料，起因和措施可以通用。

(3)對失效起因的針對措施有效時(AP達到L級時)，可以減少(或取消)對質量的檢測頻次。

3 結語

本文基于新版FMEA七步法，對轉子軸承壓裝工位開展了結構分析、功能分析、失效分析、風險分析和優化，查表確定AP行動優先級；適時進行失效原因分析，找出薄弱環節，通過導入轉子軸承壓裝新設備來降低AP級數；提出可采取預防和探測控制措施，這些對降低失效風險、保證壓裝質量及效率均具有重要意義。基于同樣的方法，我們可以分析裝配線的其他應關注要素及工位，借此降低失效風險，使電機的生產效率得以大幅度提升。