關(guān)鍵詞：PFMEA，風(fēng)險分析，高溫合金加工，質(zhì)量工具，批量生產(chǎn)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.013.024

0 引言

航空發(fā)動機與渦輪燃機因其嚴(yán)苛的服役環(huán)境要求，大量使用高溫合金作為熱端零部件材料，這些高溫合金具有優(yōu)異的高溫強度、抗疲勞性能與耐腐蝕性能[1]。同時，為了滿足空氣動力學(xué)要求以及符合航空零件的嚴(yán)格重量限制，薄壁結(jié)構(gòu)在發(fā)動機設(shè)計中被廣泛應(yīng)用[2]。然而，由于高溫合金加工的困難性，如大切削力、高切削溫度、加工硬化現(xiàn)象等特點[3]，以及薄壁結(jié)構(gòu)與復(fù)雜的流道結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品加工困難、制造時間長、報廢風(fēng)險高。隨著國內(nèi)兩機自主研制工作的推進，建設(shè)穩(wěn)定的高溫合金薄壁件批產(chǎn)加工生產(chǎn)線已成為迫切需求，以確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

FEMA（Failure Mode amp; Effects Analysis）最早起源于美國航空宇航局（NASA），用于識別與評估設(shè)計與制造過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險[4]，分為設(shè)計過程風(fēng)險識別DFEMA（Design FMEA）與制造過程風(fēng)險識別PFMEA（Process FMEA）。PFMEA用于評估制造或裝配過程中可能導(dǎo)致產(chǎn)品失效的潛在模式及其可能引發(fā)的后果。通過分析失效的根本原因，確定哪些類型的過程故障應(yīng)該被重點關(guān)注以及涉及的關(guān)鍵工藝。進而，識別存在較大風(fēng)險的因素，并采取一系列改進措施以減少項目風(fēng)險并提升產(chǎn)品質(zhì)量，以期達到零缺陷目標(biāo)。在航空航天、汽車制造、芯片制造等復(fù)雜高端制造業(yè)試制過程中廣泛應(yīng)用[5-8]。

1 PFMEA標(biāo)準(zhǔn)及流程

汽車行業(yè)2019年發(fā)布了最新版的FMEA操作手冊《AIAG VDA FMEA手冊》[9]，航空發(fā)動機供應(yīng)商質(zhì)量管理組（AESQ）發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)AS13004《過程失效模式和影響分析（PFMEA）和控制計劃》[10]。這些標(biāo)準(zhǔn)將FMEA工具應(yīng)用作為產(chǎn)品先期質(zhì)量策劃的基礎(chǔ)活動。

本研究描述了PFMEA的具體實施流程，如圖1所示。

首先組織小組開展頭腦風(fēng)暴，從人、機、料、法、環(huán)和測試要求等多方面對每個質(zhì)量要素、每個工序、每個工步進行潛在的失效模式、潛在失效后果與潛在失效原因分析。

針對分析出的潛在風(fēng)險進行量化的等級評估，需要建立嚴(yán)重度（S）、頻度（O）、探測度（D）的評估準(zhǔn)則。評估準(zhǔn)則可參考各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)AS13004《過程失效模式和影響分析（PFMEA）和控制計劃》中關(guān)于嚴(yán)重度（S）、頻度（O）、探測度（D）的描述和分級如表1～3所示。

風(fēng)險優(yōu)先數(shù)RPN 是一種權(quán)重評估結(jié)果。計算公式如下：

RPN =嚴(yán)重度（S）×頻度（O）×探測度（D）（1）

需要對每一種潛在失效模式的起因都進行RPN 計算。當(dāng)RPN值大于120時，應(yīng)將該工步視為高風(fēng)險關(guān)重工步。通過對RPN 高的風(fēng)險工步建立預(yù)防措施和減緩這些風(fēng)險所需的建議措施。防錯措施應(yīng)具有針對性地降低嚴(yán)重度（S）、頻度（O）與探測度（D）。

2 PFMEA案例分析

本文選取某數(shù)控加工生產(chǎn)線的高溫合金渦輪導(dǎo)向器產(chǎn)品為研究對象（如圖2所示）。該產(chǎn)品由葉片流道與內(nèi)外環(huán)壁構(gòu)成，具有典型的薄壁特征，其中流道與葉片均為精鑄成型，處于由試生產(chǎn)階段向穩(wěn)定批產(chǎn)階段過渡時期。為了確保試制工藝在批產(chǎn)制造中的可靠性，需提前識別加工中可能存在的風(fēng)險并對其嚴(yán)重性進行評估，制定相應(yīng)措施進行規(guī)避。

2.1 識別各工序中的質(zhì)量特性

第一步應(yīng)明確產(chǎn)品生產(chǎn)過程中應(yīng)保證的產(chǎn)品質(zhì)量特性。質(zhì)量特性是加工過程中必須要保證的設(shè)計特性，來源于設(shè)計輸入的產(chǎn)品圖紙、技術(shù)條件、更改單等。對于渦輪導(dǎo)向器機加工藝流程，產(chǎn)品質(zhì)量特性主要包括尺寸要求、表面粗糙度要求、標(biāo)號要求與產(chǎn)品外觀要求等。每一個工步中都要明確，須保證的產(chǎn)品質(zhì)量特性。準(zhǔn)確識別每個工序中涉及的產(chǎn)品關(guān)鍵特性，為之后風(fēng)險分析進行準(zhǔn)備。渦輪導(dǎo)向器批產(chǎn)加工中各工序及質(zhì)量特性見表4。

2.2 開展各工序PFMEA分析

該產(chǎn)品已過試制階段，可總結(jié)試加工經(jīng)驗，更詳盡分析潛在失效起因，并如實記錄現(xiàn)行控制過程。失效模式應(yīng)評估產(chǎn)品相對于要求的具體偏差情況，潛在失效后果則應(yīng)考慮對后續(xù)工序與客戶的影響。分析應(yīng)該包含所有制造和裝配操作、運輸、來料、運料、存儲、運行、維護以及打標(biāo)簽等。本文根據(jù)AS13004《過程失效模式和影響分析（PFMEA）和控制計劃》中要求進行RPN評分。

2.2.1 加工前PFMEA分析

加工前需使用工裝對鑄件葉片定位，保證鑄件基準(zhǔn)到機加基準(zhǔn)的相對位置。加工前準(zhǔn)備工序雖不影響直接成型成品質(zhì)量特性，但其故障模式會對后續(xù)工序與成品產(chǎn)生直接影響，分析結(jié)果見表5。

2.2.2 車削工序PFMEA分析

車削工序是導(dǎo)向器加工成型的關(guān)鍵工序，由于產(chǎn)品為薄壁結(jié)構(gòu)，為避免加工中單次去除量過大導(dǎo)致塑性變形，將車削分為粗車、多次半精車與精車。車削工序的PFMEA分析見表6。

高溫合金加工一般采用硬度較高的硬質(zhì)合金刀具，但由于其高溫硬度等特點，切削過程中對刀具磨損程度高。試制過程中因加工件數(shù)少，采用人工目視檢查刀具磨損情況，已無法滿足批量加工中的探測要求。經(jīng)分析計算，以刀具磨損為潛在失效起因?qū)е碌某叽绯畹娘L(fēng)險系數(shù)達126，為高風(fēng)險。

本產(chǎn)品毛坯為整體鑄造成型，毛坯尺寸不一致。若按數(shù)控程序設(shè)計的加工余量極有可能造成尺寸超差，經(jīng)計算，該潛在失效模式風(fēng)險系數(shù)達144，為高風(fēng)險。

2.2.3 打孔工序PFMEA分析

法蘭孔結(jié)構(gòu)用于導(dǎo)向器與機匣裝配，具有較高的位置度要求，需要著重分析定位工步與鉆孔、擴孔、鉸孔工步。該工序采取專用夾具工裝定位。打孔過程中因去除材料量較大，刀具在加工中損壞或飛出的風(fēng)險大。經(jīng)計算，鉆孔、擴孔、鉸孔工步因刀具負載過大導(dǎo)致的工件報廢風(fēng)險系數(shù)達168。

打孔工序的PFMEA分析見表7。

2.2.4 清洗與包裝工序PFMEA分析

清洗與包裝工序PFMEA分析見表8。經(jīng)計算，該工序暫無高風(fēng)險潛在失效模式。

3 高風(fēng)險關(guān)重步防錯改進

經(jīng)計算，渦輪導(dǎo)向器機加工工藝流程中有3個潛在失效起因的RPN﹥120。

針對潛在失效原因為刀具磨損的高風(fēng)險關(guān)重工步，其高RPN主要來自于高探測度（D）值。增加防錯措施：加工中使用在線測量系統(tǒng)進行尺寸監(jiān)控，確保尺寸變化在可控范圍內(nèi)，最終進行三坐標(biāo)檢驗。

針對潛在失效原因為毛坯余量不均的高風(fēng)險關(guān)重工步，其高RPN主要來自于高探測度（D）值，現(xiàn)行過程控制中更改刀具磨損值為預(yù)估值，不能對線性尺寸進行量化，存在切削余量過大、過切、扎刀等風(fēng)險。增加防錯措施：加工前使用專用量具進行多段測量，對毛坯余量最大值和最小值進行記錄，實際余量與要求余量不符時同工藝人員溝通，若存在余量不均情況，需采用增加刀補等方式對數(shù)控程序優(yōu)化。

針對潛在失效原因為刀具磨損的高風(fēng)險關(guān)重工步，其高RPN主要來自于高探測度（D）值，可增加防錯措施：使用機床系統(tǒng)中的實時伺服負載監(jiān)控模塊動態(tài)監(jiān)控刀具在加工過程中的負載狀態(tài)，若負載過大，則停止加工，需更換刀具。

高風(fēng)險工步在改進措施后重新按照嚴(yán)重度、頻度與探測度三個評分表格進行評分，三個高RPN值均降低到60以下，見表9，表明防錯措施有效。經(jīng)產(chǎn)線運行檢驗，產(chǎn)品合格率從試制階段的80%提高到批產(chǎn)階段的98%。

4 總結(jié)

本文結(jié)合了高溫合金薄壁件加工原理與PFMEA技術(shù)，基于航空發(fā)動機行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AS13004中對于嚴(yán)重度、探測度頻度的等級劃分要求，實施了在批產(chǎn)前對于高溫合金薄壁件加工生產(chǎn)線的質(zhì)量控制與風(fēng)險評估，并針對高風(fēng)險工步進行了防錯改進，有效預(yù)防生產(chǎn)過程中的差錯，為航空與機械相關(guān)領(lǐng)域開展PFMEA分析提供參考。

PFMEA分析是一個動態(tài)的過程，應(yīng)隨產(chǎn)品迭代、工藝改進、流程變化等保持更新、持續(xù)改進。PFMEA分析涉及制造過程中的每一個環(huán)節(jié)，僅靠工藝工程師完成是不夠的，需要不同專業(yè)的人員團隊合作，如操作、檢驗、計劃、質(zhì)量等人員共同參與，應(yīng)充分發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)的統(tǒng)籌調(diào)配作用，確保資源保障和工具應(yīng)用效果。

作者簡介

唐曉琬，通信作者，碩士研究生，助理工程師，研究方向為航空材料檢測實驗室質(zhì)量管理。

梁小龍，大專，高級工，研究方向為高溫合金加工及現(xiàn)場管理。

李蓓，本科，技師，研究方向為航空材料檢測實驗室質(zhì)量管理。

（責(zé)任編輯：張佩玉）