航空產品質量先期策劃（APQP）中“標準PFMEA”的應用探究

張 浩

（上海交通大學，上海 200436）

0 引言

APQP（Advanced Product Quality Planning），產品質量先期策劃，是一種結構化的方法，用來確定和制定確保某產品使客戶滿意所需的步驟，它指導組織按時間進度有條不紊地進行產品和過程的開發，它是產品質量的誕生過程，通過一系列輸出成果，解決問題[1]。

而過程FMEA（以下簡稱PFMEA）作為APQP中最重要的工具，作用是回答“在過程中發生什么問題會導致產品不符合設計意圖”這個問題。對航空制造業來說，PFMEA其實就是一個確保產品工程信息在冗長大產品制造周期中不會丟失的組成部分。而對APQP來說，從制造層面看，PFMEA是整個APQP的靈魂，是一個提前發現風險，并確保風險可以提前規避的工具。一旦確定了風險，則可采取改進措施來消除或降低潛在起因的發生可能性，并/或在發運給顧客之前改進探測不合格情況的能力。

雖然在汽車制造行業中已經存在APQ的最佳實踐——福特[2]，但航空制造業中如何在冗長的制造周期中應用APQP，尤其是PFMEA該如何落地一直沒有定論。筆者認為最難的問題之一就是如何在復雜的制造流程中減少重復化，非標準化的PFMEA。“模塊化”的方法一直是當下時代主流方法，如何將模塊化的方法注入PFMEA，這是一個值得研究的問題。作者提出了“標準PFMEA”的概念，應該對PFMEA在APQP中的應用有一些幫助。

2 標準PFMEA的創建方法

2.1 團隊需求

交叉職能的團隊是APQP的開展前提之一，標準PFMEA同樣需要交叉職能的技術團隊。從PFMEA常用的分析過程（結構分析，功能分析，失效分析，風險分析）來看，工藝工程師、設計工程師、維護人員和生產人員應該是開發標準過程 FMEA基礎團隊。

從專業角度來看，標準PFMEA由負責的工藝流程負責人進行維護是最理想的方法。而從權威角度看來，如果采用最高效的方式在整個公司范圍內創建零件特定PFMEA，相關的要求就應該在公司質量程序中體現[3]。

2.2 創建方法

標準PFMEA不應該僅是一個“復制/黏貼”的解決方案。它們需要從類似的特征和過程得出的知識；一旦創建，將成為與零件特定 PFMEA 中的多重特征相關的知識庫。

圖1是傳統意義上的PFMEA所必須經歷的分析過程。其中灰色的數據列需要填入零件特定信息，因此只可編寫零件特定過程 FMEA 時完成。因此，真正可以進行標準化和模塊化的內容，其實只剩下“要求”，“潛在失效模式”，“失效的潛在起因”，“預防控制方法”和“探測性控制方法”。現在需要考慮的就是如何將這些要素整合在一起“模塊化”。結合工程實踐，作者提供了以下“六步法”。

圖1 標準PFMEA的元素簡介

2.2.1 第一步：選擇供評估的過程

一個標準PFMEA必須特定于一種過程，最好是行業內普遍認知的一個無歧義的過程，例如 CNC機加工、電子束焊接、力矩上緊、噴砂處理等。團隊必須選擇供評估的過程類型。一些程序會有幾個子過程類型。例如CNC

機加工可能有車削、磨削、銑削及鉆孔。團隊只需要關注這些過程中的一個元素來創建標準PFMEA。

標準PFMEA還可以是設備特定的。一些CNC機床的結構獨特，因此失效的潛在起因也可能因該設備類型而獨特。團隊將需要決定哪種是最佳的途徑，是創建通用的標準PFMEA ，還是開發衍生工具。

2.2.2 第二步：確定被評估的過程的典型特征和特性

每個過程類型將會擁有創建某一特征和特性的潛力。團隊應該為受評估的過程/子過程列出這些特征和特性。針對過程的典型的特性矩陣或裝配指導可能有助于確定特征/特性。團隊還須參閱典型圖紙和相關的工程規格。例如在CNC機床上執行的鉆孔過程將會創建以下的特征/特性——孔位置、孔徑、孔深度、孔圓度和表面光潔度等。

標準PFMEA的結構，應該可以讓團隊從創建一個零件特定PFMEA的過程/子過程選擇特定特征。需要在進入下一步之前定義全部特征/特性。

2.2.3 第三步：為每個特性定義典型失效模式

因為采用模塊化、標準化的方法，所以不需要考慮生產方式和設計尺寸特性，總會有一些通用的潛在失效模式。團隊可從這些通用失效模式著手，通過集思廣益來開始定義標準FMEA數據庫。作者在表1給出了一些通用的失效模式實例。

表1 失效模式實例

團隊必須為每個在“第二步”列出的特征和特性定義相關的潛在失效模式。如果不能給出相應的潛在失效模式，就需要考慮列出的特征和特性是不是特定過程的特征和特性，應在標準PFMEA中將其剔除。

此外，圖紙或相關規格上還可能有團隊也需考慮的雖然不直接與特征相關，但評估完工零件時會涉及的普遍潛在失效模式，例如損壞、異物損壞、表面光潔度要求、清潔度。

2.2.4 第四步：按過程類型確定失效潛在起因

每個失效模式的潛在起因將取決于被用來創建特征/特性的過程。例如鉆制一個直徑為10 mm ± 1 mm的孔時，失效模式將會是一樣，即過大或過小。但在 CNC 機床產生的“孔徑過大”的潛在起因，會不同于例如使用激光鉆出的孔的。因此標準 FMEA 必需特定于一個過程類型。

在這個實例中，筆者考慮的是在 CNC 機床上進行的“鉆孔”。團隊將需要決定CNC鉆孔生產是個通用的標準PFMEA 還是由于 CNC 機床類型的獨立性，每臺機床都需要建立一個單獨的標準PFMEA。

在做這個決定時，可以根據潛在起因的清單。如每臺機床的潛在起因的清單都類似，則應該力求使用一個通用的標準PFMEA；如顯著不同（例如因為設備的機械性質），則應創建獨立的標準PFMEA。團隊應考慮所有可能形成產品失效模式的直接起因。這些是應納入標準 PFMEA 中的典型數據列。當在整個公司內存在預防和探測的通用過程或者公司希望強制使用一些特定的預防和控制方法，筆者也可以考慮將預防列和探測控制列也加入標準PFMEA中來。即便不是這些情況，公司也可能希望納入“典型控制方法”，用作供團隊開發工藝的指導性過程 FMEA 并允許他們進行編輯。

2.2.5 第五步：在標準 PFMEA 中確定與已確定的潛在起因相關的預防控制方法

團隊應在這一步識別預防控制方法，用來預防已確定的潛在起因形成。再次， 應該保證這些預防控制方法可行。

由于實際上預防控制方法可能是一個特定的生產廠或場地所特有的，因此審核零件特定 PFMEA 時要非常謹慎，以確認是被列為“真正的實踐”而不僅 是“另一個業務最佳實踐”的記載。然而讓團隊有一份供審核的“入門清單”并有機會挑戰最佳實踐的應用是很有效用的。

2.2.6 第六步：標準 PFMEA 中失效模式確定典型的探測度控制方法

與預防控制方法相同，典型的探測度控制方法通常是特定于一個制造廠/場地或業務，需要謹慎地進行審核，來確認它們能反映實際應用的情況（零件號特定PFMEA）。

公司的流程專家可能對一些探測度控制方法有最低限度的要求，必須遵守這些要求。例如已有需要特定測量儀器來測量腔內表面光潔度的標準方法。應在數據列中用注解來確定這一方法必須強制實行。如果零件特定PFMEA識別出流程中缺乏有效的探測度控制方法，可以將其確定為PFMEA中的一個改進措施。

3 標準PFMEA的應用

在成熟的條件下，企業需要擁有一個數據庫，它包含了其使用的工藝過程所需的全部標準 PFMEA。數據庫將代表每個工藝過程的“最佳實踐”，也是記錄每個“最佳實踐”論證過程的知識管理中心。

每逢得知新的信息，就要更新標準 PFMEA 數據庫，以便在整個公司范圍內分享。這是持續改進活動的一個關鍵部分。由于標準PFMEA中不含有產品特定細節，因此可提供給外部供應鏈使用。同時還可利用外部供應鏈內以及企業內部含有的經驗和知識來更新知識管理中心，進一步加強其效用。為了確保容易訪問并找出適當的元素，設計標準 PFMEA 時需要謹慎。典型的結構層次可分為4個，如圖2所示。

圖2 標準PFMEA數據庫結構實例

3.1 第一層：過程組

這是通常由設備或過程定義的過程的公用名稱。例如CNC機加工、接合、表面處理。

3.2 第二層：過程類型

旨在使過程更特定，并會考慮所使用的設備的形式或更詳盡的過程描述。例如CNC磨削、CNC鉆孔、CNC車削、電子束焊接、利用慣性焊接進行接合、利用噴砂進行表面處理等。

3.3 第三層：過程描述

如有不同的方法或設備變異能影響過程起因的共性度，則需要使過程類型更特定（例如在 Mazak CNC上進行磨削的一套潛在起因，與在Viking臥式磨機上進行的會不同）。在該情況下，必須針對CNC磨削準備2個獨立的標準PFMEA，1個針對Mazak磨機、1個針對Viking設備。

3.4 第四層：過程特性/特征

標準PFMEA現在需要確定過程/設備設計來創建的典型特征/特性。就是說，使Mazak磨機進行CNC磨削時可能涉及以下等項目：大小（長度、高度等）、半徑、角度、表面光潔度等。

在為特定的零件號或總成填寫PFMEA時，需要含有全部的流程步驟以及全部特征，因為特征是創建來符合設計意圖的。而這個“特定PFMEA”，可以看做“標準PFMEA”的限定排列組合，以實現模塊化組合。通常來說，團隊需要以下項目來創建零件特定PFMEA：1）零件/總成圖紙。2）在圖紙上引述的相關規格。3）詳細說明制作方法的流程圖。4）指定在每個流程步驟創建的特征的產品特性矩陣。5）裝配指導。

在開始PFMEA前需要對這些文件進行重新回顧，確保這些文件都是完成的，并更新到了反映真實工作現狀的版本（完整性檢查），這樣才能使完成的PFMEA有意義。這些文件將被用于針對使用適當的標準PFMEA的特定零件號來創建模板PFMEA，圖作者以“外殼”部件號PFMEA為例，簡單給出了“標準PFMEA數據庫”，“部件特定設計和過程文件”和“特定PFMEA”的邏輯關系，如圖3所示。

圖3 創建一個零件特定PFMEA的邏輯關系

4 結語

質量、成本、時間是項目管理的三要素，但在航空制造企業，質量程序要求數不勝數，質量的地位明顯遠遠高于成本和時間。從全面質量管理，到產品質量先期策劃，幾十年的時間里，我們探尋的是如何用最效率的方式保證工程信息的完整傳遞，其實也是在壓縮成本，提升速度。筆者的“標準PFMEA”期望可以提供一種“模塊化”的思路減少航空APQP中的重復工作內容。但是，航空制造的周期冗長，工藝復雜，如何將這種“模塊化”的數據庫做得高屋建瓴而不是“空中花園”，這背后需要更深遠的思考和更精細的實踐。