高溫合金薄壁件批產加工質量控制：PFMEA應用案例研究

關鍵詞：PFMEA，風險分析，高溫合金加工，質量工具，批量生產

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

0 引言

航空發動機與渦輪燃機因其嚴苛的服役環境要求，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要求以及符合航空零件的嚴格重量限制，薄壁結構在發動機設計中被廣泛應用[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、加工硬化現象等特點[3]，以及薄壁結構與復雜的流道結構，使得產品加工困難、制造時間長、報廢風險高。隨著國內兩機自主研制工作的推進，建設穩定的高溫合金薄壁件批產加工生產線已成為迫切需求，以確保產品質量的一致性。

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

1 PFMEA標準及流程

汽車行業2019年發布了最新版的FMEA操作手冊《AIAG VDA FMEA手冊》[9]，航空發動機供應商質量管理組（AESQ）發布了標準AS13004《過程失效模式和影響分析（PFMEA）和控制計劃》[10]。這些標準將FMEA工具應用作為產品先期質量策劃的基礎活動。

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暴，從人、機、料、法、環和測試要求等多方面對每個質量要素、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險進行量化的等級評估，需要建立嚴重度（S）、頻度（O）、探測度（D）的評估準則。評估準則可參考各行業標準。標準AS13004《過程失效模式和影響分析（PFMEA）和控制計劃》中關于嚴重度（S）、頻度（O）、探測度（D）的描述和分級如表1～3所示。

風險優先數RPN 是一種權重評估結果。計算公式如下：

RPN =嚴重度（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RPN值大于120時，應將該工步視為高風險關重工步。通過對RPN 高的風險工步建立預防措施和減緩這些風險所需的建議措施。防錯措施應具有針對性地降低嚴重度（S）、頻度（O）與探測度（D）。

2 PFMEA案例分析

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

2.1 識別各工序中的質量特性

第一步應明確產品生產過程中應保證的產品質量特性。質量特性是加工過程中必須要保證的設計特性，來源于設計輸入的產品圖紙、技術條件、更改單等。對于渦輪導向器機加工藝流程，產品質量特性主要包括尺寸要求、表面粗糙度要求、標號要求與產品外觀要求等。每一個工步中都要明確，須保證的產品質量特性。準確識別每個工序中涉及的產品關鍵特性，為之后風險分析進行準備。渦輪導向器批產加工中各工序及質量特性見表4。

2.2 開展各工序PFMEA分析

該產品已過試制階段，可總結試加工經驗，更詳盡分析潛在失效起因，并如實記錄現行控制過程。失效模式應評估產品相對于要求的具體偏差情況，潛在失效后果則應考慮對后續工序與客戶的影響。分析應該包含所有制造和裝配操作、運輸、來料、運料、存儲、運行、維護以及打標簽等。本文根據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，保證鑄件基準到機加基準的相對位置。加工前準備工序雖不影響直接成型成品質量特性，但其故障模式會對后續工序與成品產生直接影響，分析結果見表5。

2.2.2 車削工序PFMEA分析

車削工序是導向器加工成型的關鍵工序，由于產品為薄壁結構，為避免加工中單次去除量過大導致塑性變形，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。經分析計算，以刀具磨損為潛在失效起因導致的尺寸超差的風險系數達126，為高風險。

本產品毛坯為整體鑄造成型，毛坯尺寸不一致。若按數控程序設計的加工余量極有可能造成尺寸超差，經計算，該潛在失效模式風險系數達144，為高風險。

2.2.3 打孔工序PFMEA分析

法蘭孔結構用于導向器與機匣裝配，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險大。經計算，鉆孔、擴孔、鉸孔工步因刀具負載過大導致的工件報廢風險系數達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。經計算，該工序暫無高風險潛在失效模式。

3 高風險關重步防錯改進

經計算，渦輪導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險關重工步，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進行尺寸監控，確保尺寸變化在可控范圍內，最終進行三坐標檢驗。

針對潛在失效原因為毛坯余量不均的高風險關重工步，其高RPN主要來自于高探測度（D）值，現行過程控制中更改刀具磨損值為預估值，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控程序優化。

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

高風險工步在改進措施后重新按照嚴重度、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。經產線運行檢驗，產品合格率從試制階段的80%提高到批產階段的98%。

4 總結

本文結合了高溫合金薄壁件加工原理與PFMEA技術，基于航空發動機行業標準AS13004中對于嚴重度、探測度頻度的等級劃分要求，實施了在批產前對于高溫合金薄壁件加工生產線的質量控制與風險評估，并針對高風險工步進行了防錯改進，有效預防生產過程中的差錯，為航空與機械相關領域開展PFMEA分析提供參考。

PFMEA分析是一個動態的過程，應隨產品迭代、工藝改進、流程變化等保持更新、持續改進。PFMEA分析涉及制造過程中的每一個環節，僅靠工藝工程師完成是不夠的，需要不同專業的人員團隊合作，如操作、檢驗、計劃、質量等人員共同參與，應充分發揮領導的統籌調配作用，確保資源保障和工具應用效果。

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量管理。

梁小龍，大專，高級工，研究方向為高溫合金加工及現場管理。

李蓓，本科，技師，研究方向為航空材料檢測實驗室質量管理。

（責任編輯：張佩玉）