儀器艙殼體粘接工藝FMECA應(yīng)用研究

朱長軍、沈汝澄、曹魏、張璁、羅臻 /中國運載火箭技術(shù)研究院

故障模式影響及危害性分析（FMECA）是一種系統(tǒng)的、標準化的故障模式分析方法，可以有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，在航空、航天、兵器、船舶、汽車等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛使用。FMECA是一種可靠性分析技術(shù)，針對指定產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所有可能的故障，根據(jù)對故障模式的分析，確定每種故障模式對產(chǎn)品功能和性能的影響，找出故障原因，并按故障模式的嚴重程度和發(fā)生概率確定其危害性，采取措施降低發(fā)生概率、提高可檢測性，從而使風(fēng)險得到有效控制。

國內(nèi)在航天器設(shè)計方面已經(jīng)普遍推行FMECA，對提高航天器的可靠性發(fā)揮了重要作用。在產(chǎn)品成型、加工和裝配等制造工藝可靠性分析方面，國內(nèi)開展的研究工作有限，與國外成熟的可靠性管理體系相比存在較大差距。本文采用國軍標《故障模式、影響及危害性分析指南（GJB/Z1391）》方法，以某型號新研的儀器艙殼體粘接裝配（套裝）開展工藝FMECA研究工作。通過開展此項研究工作，從不同角度識別套裝工藝基本過程可能存在的故障模式、故障原因，采用風(fēng)險優(yōu)先數(shù)（RPN）進行優(yōu)先排序，對關(guān)鍵過程采取有效的改進措施降低風(fēng)險，直到RPN值滿足可接受的水平，同時將改進措施落實到儀器艙殼體套裝工藝中，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

一、儀器艙殼體工藝FMECA流程

儀器艙殼體為圓臺體結(jié)構(gòu)形式，由金屬殼體（內(nèi)層）和保護套（外層）組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中金屬殼體為鋁合金材料，分大小端，殼體外表開槽使用硅橡膠固定敷設(shè)的光纖；保護套為非金屬材料，從金屬殼體小端套入，通過硅橡膠與金屬殼體外表面粘接裝配形成整體。儀器艙殼體的工藝FMECA流程如圖2所示。

圖1 儀器艙殼體結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 儀器艙殼體工藝FMECA流程

二、系統(tǒng)定義

系統(tǒng)定義包括功能分析、繪制工藝流程圖、零部件—工藝關(guān)系矩陣。

1.功能分析

儀器艙殼體的主要功能是在嚴酷的外部環(huán)境條件下使儀器艙內(nèi)部溫度適宜，確保儀器設(shè)備正常工作，同時通過金屬殼體上光纖采集工作過程中艙體的某些關(guān)鍵信息。儀器艙殼體裝完成后，要求保護套粘接質(zhì)量滿足要求，且金屬殼體表面敷設(shè)的光纖導(dǎo)通。

2.工藝流程圖

工藝流程圖表示各工序相關(guān)工藝流程的功能和要求，是FMECA的準備工作。其要求根據(jù)儀器艙殼體的工藝流程，完成對應(yīng)的輸入和輸出結(jié)果分析。

儀器艙殼體生產(chǎn)的基本工藝流程為：準備工作、保護套和金屬殼體表面處理、膠黏劑配制、保護套套裝和固化、套裝質(zhì)量檢測、光纖導(dǎo)通測試。根據(jù)儀器艙殼體套裝工作要求，梳理每一道工序?qū)?yīng)的輸入要求和輸出結(jié)果（見表1）。

表1 儀器艙殼體套裝工藝流程

3.工藝關(guān)系矩陣

儀器艙殼體產(chǎn)品主要有3項技術(shù)指標和7個工藝過程，根據(jù)各項技術(shù)指標要求，分析每項工藝過程結(jié)果對應(yīng)的技術(shù)指標，形成工藝關(guān)系矩陣（見表2）。

表2 儀器艙殼體工藝關(guān)系矩陣

三、工藝故障模式分析

1.失效模式分析

工藝故障模式是指不能滿足產(chǎn)品加工、裝配過程或設(shè)計要求的工藝缺陷，是可能引起下游工序故障模式的原因，也可能是上游工序故障模式的后果。針對儀器艙殼體套裝工藝，通過分析粘接裝配過程，保護套粘接裝配的脫粘面積和粘接性能、光纖網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)通是重要的性能和功能指標，針對此開展故障模式分析。

保護套與金屬殼體粘接強度低、脫粘面積差、粘接性能低，造成運輸、保管或工作過程中保護套與金屬殼體分離脫落，主要因素有金屬和保護套與膠黏劑結(jié)合強度不足、膠黏劑本體強度不足、固化工藝不適宜等。

光纖破損造成光路不通，光纖采集信息功能降低，主要因素是光纖受壓過大、涂覆膠黏劑工具刮傷等。

2.評估模型

通過RPN評估儀器艙殼體工藝過程質(zhì)量風(fēng)險大小，制定相應(yīng)的解決措施。RPN是對工藝潛在故障模式風(fēng)險等級的評價，它是工藝故障模式發(fā)生可能性及后果嚴重性的綜合度量。RPN數(shù)值越大，該工藝故障模式的危害性越大。RPN是工藝故障模式的嚴酷度等級（）、工藝故障模式的發(fā)生概率等級（）和工藝故障模式的被檢測難度等級（）的乘積，即RPN=**。

嚴重度（）:指某種失效模式發(fā)生時的嚴重程度。嚴重度采用參考評價準則進行評估，評估分為1～10 分。

失效原因發(fā)生頻度（） :指失效原因發(fā)生的可能性。對發(fā)生頻度標明等級，分值為1～0。

探測度（）:指問題被發(fā)現(xiàn)并阻止失效發(fā)生的可能性。發(fā)現(xiàn)的可能性越小，探測度越大。

風(fēng)險級別（RPN）:風(fēng)險級別是FMECA 分析中的一個重要參數(shù)，它是嚴重度、頻度、探測度相乘得出的數(shù)值。RPN越大，失效的影響越大。

3.保護套粘接失效原因及采取措施

膠黏劑與金屬殼體和保護套容易脫落。粘接前，需要對套裝粘接面（金屬殼體外表面和保護套內(nèi)表面）進行吹砂處理，以增加粘接面的粗糙度，提高粘接性。吹砂處理完成后如果長時間暴露在空氣中也會影響粘接性能，因此在吹砂處理完成后需要在規(guī)定時間內(nèi)進行粘接工作。

主要體現(xiàn)在界面粘接強度上。不同組分配比的膠黏劑與金屬材料或保護套材料粘接強度不同，可使用工藝試驗與金屬殼體和保護套粘接強度最佳的膠黏劑，同時需要綜合考慮膠黏劑強度。

膠黏劑的性能與其保管使用方法相關(guān)，保管使用不當(dāng)也會造成保護套粘接質(zhì)量問題。采購膠黏劑各組分材料時按照標準進行性能復(fù)驗，滿足要求方即可入庫；領(lǐng)用時確認各組分均在保管期內(nèi)；雙崗制配制膠黏劑，嚴格按配方要求稱量各組分并攪拌均勻；在限定時間內(nèi)完成保護套套裝。

實施保護套套裝時，金屬殼體上均勻涂覆適量膠黏劑，將保護套套入金屬殼體，如果套裝時保護套與金屬殼體間隙控制不當(dāng)，容易填充氣泡。因此，設(shè)計套裝專用工裝，確保套裝時保護套與金屬殼體間隙均勻變小直至貼合，確保無大氣泡存在；套裝后靜置一段時間進一步排除氣泡，根據(jù)需要補填膠黏劑；采用抽真空方式固化，進一步排除氣泡，從而提高粘接質(zhì)量。

固化工藝參數(shù)尤為重要，參數(shù)錯誤會直接影響套裝質(zhì)量。在不考慮設(shè)備故障的前提下，工藝參數(shù)錯誤造成的原因可能有參數(shù)輸入錯誤，傳感器安裝位置不當(dāng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)采集無效等操作方面的原因，可通過雙崗確認、定時檢查等方式確認固化過程的正確性。

4.光纖導(dǎo)通失效原因及采取措施

金屬殼體外表面挖槽并布有光纖，光纖用于檢測金屬殼體表面受沖擊情況，破損的光纖無法采集有關(guān)的信息。

保護套固化采用加溫加壓的工藝方法。一般情況下，壓力越大，保護套、金屬殼體和膠黏劑的粘接強度越大。由于光纖強度不高，套裝壓力大可能造成光纖受壓損傷，在制定套裝固化工藝時，充分考慮光纖所能承受的壓力情況，通過降低套裝壓力、延長固化時間，確保膠黏劑粘接質(zhì)量和光纖不受壓力損傷。

金屬殼體上使用工具涂覆膠黏劑，工具使用不當(dāng)可能損傷光纖。選用材質(zhì)柔軟、寬度大于金屬殼體表面光纖槽的橡膠刮刀進行膠黏劑涂覆，同時刮刀與金屬殼體夾角約為30°，可避免刮刀刮傷光纖。

金屬殼體表面敷設(shè)的少量填充光纖的硅橡膠高于殼體表面，在進行保護套套裝時是應(yīng)力集中點，在正常套裝壓力下光纖易受損傷。在進行金屬殼體套裝前，對高于表面的硅橡膠進行打磨處理，使其低于金屬殼體表面，避免應(yīng)力集中造成光纖損傷。

FMECA對儀器艙殼體套裝工藝進行FMCEA分析及風(fēng)險評估（見表3）。

表3 儀器艙殼體FMECA風(fēng)險評估表

套裝工序作為儀器艙殼體裝配的重要工序，其質(zhì)量直接關(guān)系到儀器艙殼體功能的可靠性。通過優(yōu)化工藝參數(shù)、加強工藝過程控制，使儀器艙殼體的套裝質(zhì)量和可靠性滿足設(shè)計要求。

在儀器艙殼體套裝質(zhì)量控制的研究過程中引入工藝FMECA 方法，可提前識別風(fēng)險，制定有效控制措施，優(yōu)化工藝過程，縮短了產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期，提升了套裝工藝質(zhì)量和過程控制能力，降低了制造成本。工藝FMECA是一個動態(tài)的、反復(fù)迭代分析的過程，隨著對工藝過程的認識加深、設(shè)備和檢測等能力的逐步提升，儀器艙殼體套裝質(zhì)量可靠性還能持續(xù)提高。