基于第五版DFMEA 在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的管理實(shí)施及具體運(yùn)用

周迎春 胡迪

株洲齒輪有限責(zé)任公司 湖南省株洲市 421000

1 引言

對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，往往由于缺乏整體、系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)觀念，前期設(shè)計(jì)分析、工程分析沒(méi)有有效開(kāi)展，與實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)無(wú)法連貫，造成許多在研發(fā)初期就應(yīng)該做好預(yù)防的工作，卻要等進(jìn)入正式生產(chǎn)時(shí)才提出設(shè)計(jì)更改進(jìn)行嬌正，浪費(fèi)時(shí)間和金錢。技術(shù)人員每天奔波于各種制造現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的解決。當(dāng)公司業(yè)績(jī)提升到一定階段時(shí)，就沒(méi)有辦法進(jìn)一步突破，經(jīng)常開(kāi)會(huì)，但不解決實(shí)際問(wèn)題，每個(gè)人都很累。為了改變現(xiàn)狀，以預(yù)防為主，建立系統(tǒng)化的思維過(guò)程，全面發(fā)現(xiàn)并評(píng)價(jià)一種產(chǎn)品或過(guò)程的潛在失效及其后果，找到可以消除或減少潛在失效發(fā)生機(jī)會(huì)的措施，使這種系統(tǒng)化的預(yù)防方法成為我們?cè)O(shè)計(jì)過(guò)程中的貫用思維，以明確必須做什么樣的設(shè)計(jì)和過(guò)程才能滿足顧客的要求。DFMEA 就是這樣一種系統(tǒng)化的預(yù)防方法和分析技術(shù)。

2 DFMEA 概述

DFMEA 是由負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的工程師及多功能小組在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段采用的一種分析技術(shù)，用以最大限度地保證各種潛在的失效模式及相關(guān)的起因、機(jī)理在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)得到充分的考慮和說(shuō)明。它不僅是IATF16949 標(biāo)準(zhǔn)條款“8.3.5.1 設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)輸出——補(bǔ)充”中的強(qiáng)制要求，還是產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃（APQP）第二階段的輸出中的要求。

新版第五版FMEA 較之舊版第四版有幾個(gè)主要變化點(diǎn)。典型變化一：方法統(tǒng)一，新版“七步法”兼具原來(lái)的“五步法”和“表格法”，為汽車行業(yè)提供了一個(gè)共同的FMEA 基礎(chǔ)；典型變化二：表格變化，表頭、表格內(nèi)容以及表格列數(shù)都有所拓展；典型變化三：評(píng)價(jià)規(guī)則變化，使用行動(dòng)優(yōu)先級(jí)AP代替舊版的風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)RPN；典型變化四：失效分析，結(jié)合關(guān)注要素的上下層級(jí)結(jié)構(gòu)，建立失效鏈，而不是單層的失效，使得分析思路更加清晰；典型變化五：建議措施要求，建議措施細(xì)分為“預(yù)防措施”和“探測(cè)措施”，增設(shè)對(duì)建議措施的“狀態(tài)”跟蹤欄；典型變化六：新增了FMEA-MSR。(圖1)

圖1

3 DFMEA 在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的管理實(shí)施

3.1 DFMEA 開(kāi)發(fā)的時(shí)間安排

DFMEA 是一種“事發(fā)前”的行為，而不是“事發(fā)后”的行動(dòng)，應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期階段啟動(dòng)，及時(shí)性是成功實(shí)施DFMEA 方案最重要的因素之一。

根據(jù)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)APQP 不同階段， DFMEA開(kāi)發(fā)及評(píng)審的時(shí)間安排如表1 所示：

表1

3.2 DFMEA 開(kāi)展/更新的時(shí)機(jī)

主要包括：新的零部件；更改的零部件；應(yīng)用/環(huán)境有變化的零部件；在開(kāi)發(fā)各階段中，當(dāng)設(shè)計(jì)有變化或得到其它信息時(shí)（應(yīng)及時(shí)、不斷修改，在產(chǎn)品圖樣、規(guī)范發(fā)放前結(jié)束）；改進(jìn)設(shè)計(jì)或?qū)υO(shè)計(jì)重新評(píng)估時(shí)；當(dāng)發(fā)生因設(shè)計(jì)失效導(dǎo)致的內(nèi)、外部質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，DFMEA要及時(shí)反映最新的產(chǎn)品更改級(jí)別和最新的相關(guān)實(shí)施措施，包括量產(chǎn)后。

3.3 DFMEA 的來(lái)源

主要包括：顧客要求；法律法規(guī)；APQP第二階段輸入和任何其它相應(yīng)輸入；小組經(jīng)驗(yàn)；類似產(chǎn)品的DFMEA 和問(wèn)題履歷；設(shè)計(jì)變更；各個(gè)過(guò)程環(huán)節(jié)的質(zhì)量問(wèn)題；8D 報(bào)告；保修記錄；顧客反饋、投訴、報(bào)怨、退貨資料；糾正和預(yù)防措施等等。

3.4 DFMEA 的修訂及評(píng)審

DFMEA 是一個(gè)動(dòng)態(tài)、循環(huán)、不斷改進(jìn)的過(guò)程，應(yīng)永遠(yuǎn)體現(xiàn)最新的設(shè)計(jì)水平及最新采取的糾正預(yù)防措施，包括量產(chǎn)后發(fā)生的設(shè)計(jì)更改和措施。

在APQP 開(kāi)發(fā)各階段及量產(chǎn)階段，當(dāng)發(fā)生更改或獲得更多信息時(shí)，DFMEA 小組及相關(guān)負(fù)責(zé)的設(shè)計(jì)人員應(yīng)及時(shí)對(duì)DFMEA 進(jìn)行修訂和評(píng)審；當(dāng)沒(méi)有更改或沒(méi)有獲得更多信息時(shí)，相關(guān)負(fù)責(zé)的設(shè)計(jì)人員也應(yīng)定期對(duì)DFMEA進(jìn)行評(píng)審，確認(rèn)是否需要修訂和更新。

DFMEA 修訂更新的時(shí)機(jī)見(jiàn)2.2，但不僅限于2.2；更多的信息來(lái)源見(jiàn)2.3,但不僅限于2.3。

4 DFMEA 在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的具體運(yùn)用

以某型號(hào)新能源減速機(jī)為例，具體闡明DFMEA 在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的運(yùn)用，按七步法( 圖2)：

圖2

4.1 規(guī)劃和準(zhǔn)備（第1 步）

在策劃和準(zhǔn)備階段的主要工作：確定項(xiàng)目將要執(zhí)行的DFMEA 類型、定義每個(gè)DFMEA 類型中包含和不包含的內(nèi)容、識(shí)別基準(zhǔn)DFMEA、確定DFMEA 表頭，并將DFMEA 活動(dòng)納入總體項(xiàng)目計(jì)劃，步驟一“規(guī)劃和準(zhǔn)備”中收集的信息將為步驟二“結(jié)構(gòu)分析”做準(zhǔn)備。

確定項(xiàng)目將要執(zhí)行的是系統(tǒng)DFMEA 如“X 型新能源減速機(jī)總成”，關(guān)注要素是新能源減速機(jī)總成，那么也就確定了關(guān)注要素所包含的分析內(nèi)容和基準(zhǔn)DFMEA。然后制定項(xiàng)目計(jì)劃，明確計(jì)劃目的、時(shí)間安排、團(tuán)隊(duì)成員、任務(wù)分工以及分析工具，將一些基本的DFMEA 范圍的信息填入表頭。

4.2 結(jié)構(gòu)分析（第2 步）

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析的目的是將設(shè)計(jì)識(shí)別和分解為系統(tǒng)、子系統(tǒng)、組件和零件，以便進(jìn)行技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)要素組成，上一較高級(jí)別是分析范圍內(nèi)最高集成層級(jí)，關(guān)注要素是分析失效鏈的主題項(xiàng)目，下一較低級(jí)別或特性類型是處于關(guān)注要素下一低級(jí)別的要素。“結(jié)構(gòu)分析”中定義的信息將被用于下一步“功能分析”，結(jié)構(gòu)分析中缺少的設(shè)計(jì)要素，在功能分析中也會(huì)缺少。

第1 步已經(jīng)確定了關(guān)注要素的主題項(xiàng)目是“X 型新能源減速機(jī)總成”，它的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上一高層級(jí)是系統(tǒng)“動(dòng)力總成”，下一低層級(jí)是由輸入軸總成、中間軸總成、差速器總成、密封潤(rùn)滑系統(tǒng)、殼體組件和潤(rùn)滑油等要素構(gòu)成。

4.3 功能分析（第3 步）

功能分析需要分析兩種：功能和要求。

功能是描述系統(tǒng)要素的預(yù)期用途。功能分為主要功能和輔助功能。功能的描述需清晰準(zhǔn)確，盡量使用專業(yè)術(shù)語(yǔ)，如果無(wú)法描述功能，那么可以用要求來(lái)描述。要求是設(shè)計(jì)、產(chǎn)品或過(guò)程需要滿足的需求和期望。要求分為兩類：功能性要求和非功能性要求，要求可以是法律要求、行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求、顧客要求、公司要求和產(chǎn)品特性。

第2 步已經(jīng)分析了結(jié)構(gòu)要素，包括了關(guān)注要素和上、下層級(jí)要素，上一步定義下來(lái)的各結(jié)構(gòu)要素功能或要求在第3 步里都應(yīng)全面分析到。

上一高層級(jí)“動(dòng)力總成”的功能是將電能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能輸出，并具有差速、反轉(zhuǎn)功能。

關(guān)注要素“X 型新能源減速機(jī)總成”的主要功能是傳遞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)降速增扭，輸出具有差速功能、輔助功能是連接電機(jī)、半軸、左右懸置、附件安裝點(diǎn)、電機(jī)定子等。

下一低層級(jí)：輸入軸總成功能是接受動(dòng)力，傳遞動(dòng)力，連接電機(jī)，保證連接準(zhǔn)確、可靠；中間軸總成功能是傳遞動(dòng)力，保證運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)無(wú)異響；差速器總成功能是傳遞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)輸出端兩邊差速，保證運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)無(wú)異響，連接半軸，連接準(zhǔn)確、可靠；殼體總成功能是支撐、密封、潤(rùn)滑，連接左懸置、后懸置、附件安裝、電機(jī)定子安裝、支撐輸入軸總成、中間軸總成、差速器總成，連接準(zhǔn)確等。

還有其它顧客提出并關(guān)注的非功能性的特殊要求(圖3)。

圖3

4.4 失效分析（第4 步）

設(shè)計(jì)失效分析的目的是識(shí)別失效起因、模式和影響，并顯示它們之間的關(guān)系，以便能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。失效由功能推導(dǎo)而來(lái)，非預(yù)期的功能都是失效，一個(gè)功能可能會(huì)有很多個(gè)失效，盡可能全部識(shí)別出來(lái)。確認(rèn)分析關(guān)注要素功能的潛在失效影響、失效模式和失效起因，即建立了失效鏈。

失效影響可以是對(duì)內(nèi)部或外部的下一級(jí)產(chǎn)品集成的影響，可以是對(duì)外部最終用戶的影響，也可以是對(duì)法規(guī)適用性的影響，這些影響盡可能的全部識(shí)別出來(lái)，描述失效影響最好通俗易懂；失效模式是無(wú)法滿足預(yù)期功能的方式，與功能有關(guān)，應(yīng)該用技術(shù)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述；失效起因是失效模式發(fā)生的原因，應(yīng)盡可能識(shí)別出所有起因，以便針對(duì)具體起因采取措施。

第3 步已經(jīng)分析各層級(jí)功能，可以大致理解為：上一層級(jí)功能達(dá)不到即為失效影響，關(guān)注要素功能達(dá)不到即為失效模式，下一層級(jí)功能達(dá)不到即為失效原因。

對(duì)上一高層級(jí)“動(dòng)力總成”或最終用戶的影響按嚴(yán)重程度分，有嚴(yán)重影響：不符合法律法規(guī)，客戶或用戶不滿意，電能不能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能輸出，車輛無(wú)法正常行駛，漏油，無(wú)法連接等等；較嚴(yán)重影響有：異響，降低壽命，早期磨損，潤(rùn)滑不足，滲油，裝配困難等等；一般影響有：外觀、噪音、舒適性等等。

關(guān)注要素“X 型新能源減速機(jī)總成”的失效模式有：減速機(jī)總成卡死，無(wú)法輸出扭矩；減速機(jī)總成早期磨損，輸出扭矩功能降低；減速機(jī)總成無(wú)法輸出扭矩，不能差速；減速機(jī)總成早期磨損，差速功能降低；總成開(kāi)裂；總成漏油；接合面不密封；螺栓松動(dòng)；早期磨損；潤(rùn)滑不足；NVH 階次噪聲超標(biāo)；連接電機(jī)不可靠；連接半軸困難及其它外部連接不可靠；不符合環(huán)保要求或其它顧客要求等等。

關(guān)注要素減速機(jī)總成的失效與各個(gè)下一低層級(jí)的失效有關(guān)，下一低層級(jí)的失效是減速機(jī)總成失效的原因。

輸入軸總成、中間軸總成和或差速器總成斷裂、開(kāi)裂、齒部彎曲折斷、齒部疲勞斷裂、花鍵彎曲斷裂、花鍵疲勞斷裂、軸承斷裂、燒死、平墊圈和球形墊圈開(kāi)裂、安裝螺栓脫落等都會(huì)導(dǎo)致減速機(jī)總成卡死，無(wú)法輸出扭矩，不能差速；齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合、齒面塑性變形、花鍵早期磨損、花鍵配合松動(dòng)、軸承滾道磨損、滾珠點(diǎn)蝕、平墊與差殼膠合、球墊與差殼膠合等都會(huì)導(dǎo)致減速機(jī)總成早期磨損，輸出扭矩和差速功能降低；齒輪宏觀參數(shù)和微觀修形不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致總成NVH 階次噪聲超標(biāo)；輸入軸內(nèi)孔相對(duì)電機(jī)內(nèi)徑不同軸或配合處軸徑早期磨損會(huì)導(dǎo)致總成與電機(jī)連接不可靠，半軸齒輪花鍵配合間隙太小、左右半軸孔徑配合間隙太小都會(huì)導(dǎo)致與外部半軸連接困難。

殼體總成開(kāi)裂導(dǎo)致減速機(jī)總成失去支撐，動(dòng)力中斷；殼體結(jié)合面不密封、螺栓松動(dòng)導(dǎo)致減速機(jī)總成滲油；油堵、透氣帽、油封處不密封，導(dǎo)致減速機(jī)總成漏油；殼體油道設(shè)計(jì)不合理、潤(rùn)滑油雜質(zhì)多導(dǎo)致減速機(jī)總成潤(rùn)滑不足，早期磨損；接口尺寸設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致外部連接不準(zhǔn)確等等。

還有其它不滿足顧客特殊要求的失效。失效分析越全越多越好，缺失的失效將不會(huì)得到控制措施。局部?jī)?nèi)容如圖4所示：

圖4

4.5 風(fēng)險(xiǎn)分析（第5 步）

設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)分析的目的是通過(guò)評(píng)估嚴(yán)重度、頻度和探測(cè)度來(lái)估計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)需要采取的措施進(jìn)行優(yōu)先排序。

現(xiàn)行設(shè)計(jì)控制是針對(duì)以前類似的設(shè)計(jì)建立的，其效果已得到證實(shí)。預(yù)防型控制和探測(cè)型控制是現(xiàn)有的驗(yàn)證和確認(rèn)方法庫(kù)的一部分。預(yù)防控制提供信息和指導(dǎo)，作為設(shè)計(jì)的輸入使用，預(yù)防措施是用在設(shè)計(jì)之前的。探測(cè)控制則描述了已建立的驗(yàn)證和確認(rèn)程序，這些程序已被證明在出現(xiàn)失效時(shí)，能探測(cè)到失效，探測(cè)措施是用在樣品出來(lái)后，并在項(xiàng)目交付生產(chǎn)前完成。對(duì)于那些必要的但不屬于當(dāng)前已確定的預(yù)防和探測(cè)方法，應(yīng)作為改進(jìn)措施寫入DFMEA。

第4 步已經(jīng)全面分析了失效鏈，現(xiàn)針對(duì)這些失效起因分配預(yù)防控制、針對(duì)失效起因和/或失效模式分配探測(cè)控制，評(píng)估后評(píng)級(jí)。

現(xiàn)行的預(yù)防控制有：參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、參考設(shè)計(jì)手冊(cè)、參照公司標(biāo)準(zhǔn)、參考成熟設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)計(jì)算、設(shè)計(jì)校核、設(shè)計(jì)評(píng)審、對(duì)標(biāo)分析、CAE分析（齒輪強(qiáng)度分析、齒輪承載能力分析、花鍵校核分析、軸承承載能力分析、TE 分析、差速器性能分析、潤(rùn)滑分析）等。

現(xiàn)行的探測(cè)控制有：設(shè)計(jì)仿真、疲勞壽命試驗(yàn)、靜扭試驗(yàn)、道路試驗(yàn)、總成臺(tái)架試驗(yàn)、總成耐久試驗(yàn)、NVH 測(cè)試、氣密封試驗(yàn)、水密封試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)、試裝配、理化檢測(cè)分析、機(jī)械性能測(cè)試、硬度測(cè)試、儀器檢測(cè)、量具檢測(cè)等等（圖5）。

圖5

4.6 優(yōu)化（第6 步）

設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的是確定減輕風(fēng)險(xiǎn)的改進(jìn)措施以及評(píng)估這些措施的有效性。確認(rèn)了必要措施，還需為措施的實(shí)施分配職責(zé)和任務(wù)期限，措施實(shí)施完成后，確認(rèn)措施是否有效，重新評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。通過(guò)評(píng)估措施優(yōu)先級(jí)，有6 項(xiàng)需采取進(jìn)一步改進(jìn)措施。局部示例如下( 表2)：

表2

4.7 結(jié)果文件化（第7 步）

結(jié)果文件化是為了總結(jié)和交流，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、交流結(jié)果，這部分內(nèi)容可不記錄在DFMEA 表中，而是形成另外的文件或知識(shí)庫(kù)。DFMEA 活動(dòng)后，可以形成文件的內(nèi)容有：失效鏈分析內(nèi)容可形成經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，建立失效庫(kù)；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估內(nèi)容可形成現(xiàn)行措施積累，建立設(shè)計(jì)控制措施庫(kù)；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果措施優(yōu)先級(jí)可形成設(shè)計(jì)特殊特性清單；優(yōu)化措施可以豐富擴(kuò)展原有的設(shè)計(jì)控制措施庫(kù)；現(xiàn)行措施、改進(jìn)措施還可形成DVP 驗(yàn)證計(jì)劃等等。

本實(shí)例應(yīng)用仍需依據(jù)2 DFMEA 在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的管理要求開(kāi)展、執(zhí)行、評(píng)審和更新。

5 總結(jié)

DFMEA 活動(dòng)和方法可影響整個(gè)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程，它是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一部分。如果它的模式明確、影響真實(shí)、起因合理、措施有效并且足夠完整，它就能發(fā)揮很大的作用，成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、特殊特性清單、DVP驗(yàn)證計(jì)劃、樣件控制計(jì)劃、PFMEA 等等的有效輸入。DFMEA 1-6 的步驟都很清晰明確的體現(xiàn)在DFMEA 表中，里面填寫的內(nèi)容有很強(qiáng)的主觀性，但無(wú)非就是保證：橫向邏輯合理；縱向列舉全面，核心還是我們對(duì)產(chǎn)品的專業(yè)理解、經(jīng)驗(yàn)積累和改進(jìn)創(chuàng)新。需要注意的是，DFMEA 只能早期識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)、識(shí)別問(wèn)題、提出問(wèn)題，但并不能解決問(wèn)題。解決問(wèn)題還得采取后續(xù)行動(dòng)，結(jié)合其它工具和手段，如DOE、QFD、DVP 驗(yàn)證計(jì)劃等。