質(zhì)量是設計出來的，設計過程造就產(chǎn)品質(zhì)量。提升設計質(zhì)量關鍵在于預防，在于DFMEA應用成熟度。DFMEA是國際通用的有效的設計質(zhì)量預防工具，但真正開展得好且富有成效的并不多見，國內(nèi)企業(yè)更是寥寥無幾。今天，我們就通過案例幫你一招搞定DFMEA的運用。
想要一招搞定DFMEA的運用，就想要清楚的知道什么是DFMEA？
DFMEA(Design Failure Mode and Effects Analysis,設計失效模式及后果分析)
什么是DFMEA
DFMEA是指設計階段的潛在失效模式及后果分析,是從設計階段把握產(chǎn)品質(zhì)量預防的一種手段,是如何在設計研發(fā)階段保證產(chǎn)品在正式生產(chǎn)過程中交付客戶過程中如何滿足產(chǎn)品質(zhì)量的一種控制工具。因為同類型產(chǎn)品的相似性的特點，所以的DFMEA階段經(jīng)常會借鑒以前量產(chǎn)過或正在生產(chǎn)中的產(chǎn)品相關設計上的優(yōu)缺點評估后再針對新產(chǎn)品進行的改進與改善。
DFMEA基本原則
DFMEA是在最初生產(chǎn)階段之前,確定潛在的或已知的故障模式,并提供進一步糾正措施的一種規(guī)范化分析方法;通常是通過部件、子系統(tǒng)/部件、系統(tǒng)/組件等一系列步驟來完成的。最初生產(chǎn)階段是明確為用戶生產(chǎn)產(chǎn)品或提供服務的階段,該階段的定義非常重要,在該階段開始之前對設計的修改和更正都不會引起嚴重的后果,而之后對設計的任何變更都可能造成產(chǎn)品成本的大幅提高。
DFMEA應當由一個以設計責任工程師為組長的跨職能小組來進行,這個小組的成員不僅應當包括可能對設計產(chǎn)生影響的各個部門的代表,還要包括外部顧客或內(nèi)部顧客在內(nèi)。DFMEA的過程包括產(chǎn)品功能及質(zhì)量分析、分析故障模式、故障原因分析、確定改進項目、制定糾正措施以及持續(xù)改進等6個階段。
DFMEA的案例分析
DFMEA是一種以預防為主的可靠性設計分析技術,該技術的應用有助于企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本,縮短研發(fā)周期。目前,DFMEA已在航空航天以及國外的汽車行業(yè)得到了較為廣泛的應用,并顯示出了巨大的威力;但在國內(nèi)汽車行業(yè)并沒有系統(tǒng)地展開,也沒有發(fā)揮其應有的作用。本文以DFMEA在國產(chǎn)汽油機節(jié)流閥體的改進設計中的實施為例,對改進后的DFMEA的實施方法和流程進行闡述。
一、實施DFMEA存在的困難
發(fā)動機為完成其相應的功能,組成結(jié)構(gòu)復雜,零部件的數(shù)量也很龐大,如不加選擇地對所有的零部件和子系統(tǒng)都實施DFMEA,將會耗費大量人力、物力和時間,對于初次實施DFMEA的企業(yè)幾乎是不可能完成的工作。為此,需要開發(fā)一種方法,能夠從發(fā)動機的子系統(tǒng)/零部件中選擇出優(yōu)先需要進行分析的對象。
發(fā)動機由曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等組成,各機構(gòu)和系統(tǒng)完成相應的功能。子系統(tǒng)的下級部件或組件通常需要配合完成相應的功能,在描述這些部件或組件的功能時,不僅應該描述其獨立完成的功能,還應描述與其他部件配合完成的功能。
組成發(fā)動機的零部件種類很多,不僅包括機械零部件還有電子元件,電子部件的故障模式已經(jīng)較為規(guī)范和完整,但機械系統(tǒng)及其零部件的故障模式相當復雜,不僅沒有完整且規(guī)范的描述,二者之間還有一定的重復,為DFMEA工作的開展帶來了困難,故需要為機械系統(tǒng)及其零部件建立相應的故障模式庫。
二、實施DFMEA的準備工作
由于在發(fā)動機設計中實施DFMEA要遇到較多困難,故作者建議,在具體實施DFMEA之前,需要做好建立較為完善的故障模式庫并確定DFMEA的詳細分析對象等準備工作。
1.建立故障模式庫的方法
發(fā)動機的組成零部件多、結(jié)構(gòu)復雜,大多數(shù)零部件在運行時還會有相互作用,導致零部件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)的故障模式不僅復雜,各層次的故障模式還會相互重復,需要為發(fā)動機建立一個故障模式庫;該模式庫不僅應該包含發(fā)動機中所有子系統(tǒng)和零部件的故障模式,還能夠反映出該故障模式究竟屬于哪一個零部件或系統(tǒng),其建模流程如下圖所示。
（1）建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹
為建立故障模式庫,首先要建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)樹,它并不依賴于某一特定的產(chǎn)品,而是依據(jù)同一類產(chǎn)品建立。如建立一個汽油機的結(jié)構(gòu)樹時,應考慮該廠所有的汽油機,分析出其共同特點后建立結(jié)構(gòu)樹;對于組成結(jié)構(gòu)有重大改變的產(chǎn)品,可以考慮為其改變的部分建立一個分支,掛接在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹的相應節(jié)點上。
以汽油機的節(jié)流閥體為例,該閥體大致都由閥體、怠速控制閥、節(jié)氣門位置傳感器等組成,細節(jié)部分會有所不同,節(jié)流閥體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹如下圖所示。
（2）確定故障數(shù)據(jù)源
為確定故障模式,先要找到相應的數(shù)據(jù)源;建議選擇同類產(chǎn)品的試驗數(shù)據(jù)或三包數(shù)據(jù),因為這兩種數(shù)據(jù)中較為詳細地記錄了產(chǎn)品在試驗和使用過程中出現(xiàn)的故障。由于發(fā)動機可靠性試驗的成本很高,一般企業(yè)中都不會有充分的試驗數(shù)據(jù);盡管三包數(shù)據(jù)記錄的不是十分規(guī)范,但通過歸納和整理,仍然可以從中抽象出故障模式。所以,在試驗數(shù)據(jù)不充足的情況下,一般推薦采用三包數(shù)據(jù)。
（3）篩選所分析子系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)
一般來講,故障數(shù)據(jù)來自于系統(tǒng),需要將故障數(shù)據(jù)逐層篩選,才能最終得到系統(tǒng)、每一級子系統(tǒng)以及零部件的故障數(shù)據(jù),為確定其故障模式作準備。
（4）確定關鍵字
三包數(shù)據(jù)來自于不同的維修點,并非由專業(yè)的試驗人員收集,難免存在不規(guī)范的現(xiàn)象,比如對于“密封不嚴”這一故障現(xiàn)象,故障數(shù)據(jù)中就會有“密封不嚴、不密封、密封性差、密封性不好”等多種描述。
針對這種現(xiàn)象,建議數(shù)據(jù)歸納人員先要了解各種故障現(xiàn)象的描述,在此基礎上確定關鍵字,對所選子系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)進行歸類。關鍵字確定的原則是,能篩選到95%以上的同種故障現(xiàn)象,盡量做到不遺漏;不同故障現(xiàn)象間盡量做到不重復。因此,篩選同一種故障現(xiàn)象很可能需要確定幾個關鍵字。
（5）對系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)進行分類
依據(jù)確定的關鍵字對系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)進行分類,分類后的故障數(shù)據(jù)就可以用來抽象出故障模式。
（6）故障模式的抽象
根據(jù)分類后的故障數(shù)據(jù),可以抽象出相應的故障模式。故障模式要求用術語表示,汽車產(chǎn)品可以參照標準 QC—900;標準中沒有的故障模式,需由工程師商量之后統(tǒng)一確定。
（7）故障模式掛接在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹的節(jié)點上
系統(tǒng)、子系統(tǒng)及零部件等不同層次都會有相應的故障模式,需要將其掛接在相應的節(jié)點上,至此故障模式庫就搭建完成。隨著分析工作的深入和故障數(shù)據(jù)的持續(xù)歸納,故障模式庫會越來越完整。
對節(jié)流閥體的故障數(shù)據(jù)進行以上的處理之后,得到了各級組件及零部件的故障模式,建立了節(jié)流閥體的故障模式庫,下圖示出故障模式庫的一部分。需要指出,實施DFMEA時分析對象的故障模式不僅來源于故障模式庫,還來自于工作小組的分析。
2.確定DFMEA的詳細分析對象
根據(jù)實施DFMEA需要耗費大量時間的具體情況,本研究提出了一種新方法來確定需要詳細實施DFMEA的對象;思路是對系統(tǒng)進行逐級分析,根據(jù)一定的標準確定需要詳細分析的分支(以下稱為重要分支),對重要分支一直細化到最底層,不可再分的重要分支即為需要詳細分析的對象。方法分為3步,即建立系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)樹、確定閾值、選擇所需分析的對象。
（1）建立系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)樹
此處系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)樹與上述中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹類似,但本質(zhì)上不同。這里的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)樹是與系統(tǒng)的組成完全相同,依照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能逐級向下建立,直到系統(tǒng)的零部件為止(稱為組成結(jié)構(gòu)樹的葉結(jié)點),組成結(jié)構(gòu)樹的示意圖見下圖。
圖中的系統(tǒng)由子系統(tǒng)1和子系統(tǒng)2組成,兩個子系統(tǒng)分別完成相應的功能。子系統(tǒng)1由子總成1和2組成,子總成1又可以向下劃分為零部件;子系統(tǒng)2由兩個零部件組成。其中S12.S21.S22.S111和S112都是該組成結(jié)構(gòu)樹的葉結(jié)點。
（2）確定閾值
閾值是確定重要分支所依據(jù)的條件。根據(jù)DFMEA的原理,推薦確定重要度(S)和風險順序數(shù)(RPN)兩個參數(shù)的閾值,只要某分支的S和RPN兩參數(shù)中的任意一個等于或超過閾值,該分支就被確定為重要分支。除S和RPN以外,DFMEA中還有發(fā)生度(O)和探測度(D)兩個參數(shù),S用來描述故障后果,O表明故障原因的發(fā)生概率,D是對探測措施有效程度的度量,RPN是S,O,D3者的乘積。O和D的閾值根據(jù)類似產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)確定,原則是要比DFMEA中的閾值低。
（3）選擇所需分析的對象
對產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)樹逐級向下分析,首先確定第一級分支的所有的S,O,D值,并計算得到RPN值;然后根據(jù)閾值來確定哪一個分支為重要分支,被確定為重要分支的仍然重復以上過程直到組成結(jié)構(gòu)樹的葉結(jié)點,非重要分支則不再繼續(xù)分析。
以下圖所示的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)樹為例,選擇需要分析的對象。假設S和RPN的閾值分別為6和70.組成結(jié)構(gòu)樹中分支的各參數(shù)情況如圖5所示,有“3”的部分為重要分支。
由圖可見,子系統(tǒng)S1的S和RPN都達到閾值,被確定為重要分支;子系統(tǒng)S2的RPN雖未達到閾值,但S已經(jīng)超過閾值,也被確定為重要分支;S12.S22和S111被確定為分析對象,需要對其進行詳細的DFMEA。
分析節(jié)流閥體的故障數(shù)據(jù),確定S和RPN的閾值分別為5和30.分析結(jié)果見下圖。由分析結(jié)果可知,需要對節(jié)氣門位置傳感器、怠速控制閥、閥片、閥體本體進行詳細的DFMEA。
三、實施DFMEA的流程
為增加DFMEA的可用度,使初次進行DFMEA的工作人員也能順利地實施DFMEA,針對發(fā)動機設計的特點,對DFMEA的流程進行了進一步的歸納和改進(見下圖)。
為加深對實施階段的理解,提高分析效率,將實施階段分成確定基礎項、確定衍生項及生成DFMEA報告等3步。
實施階段中,功能、潛在故障模式、潛在故障影響、故障原因和現(xiàn)有控制措施等5個加“3”的為基礎項,它們的分析是決定DFMEA實施成功與否的關鍵;S,O,D,RPN和建議的糾正措施為衍生項;基礎項確定之后,衍生項可以隨之確定。
1.分析基礎項
(1)功能
分析項目的功能,用盡可能簡明的文字來說明被分析項目滿足設計意圖的功能;閥體的功能是與閥片配合保證最小流量;與怠速控制閥配合保證怠速流量;與節(jié)氣門位置傳感器配合保證主進氣量。
(2)潛在故障模式
每項功能會對應一種或一種以上的故障模式,填寫故障模式要遵循"破壞功能"的原則,即盡量列出破壞該功能的所有可能的模式;故障模式大部分來源于故障模式庫,還有一部分是新出現(xiàn)的故障模式以及小組分析的結(jié)果,閥體的潛在故障模式為磨損、裂紋、斷裂以及積碳等。
(3)潛在故障后果
每種故障模式都會有相應的故障后果;分析故障后果時,應盡可能分析出故障的最終影響,即最嚴重的影響;閥體的潛在故障后果為發(fā)動機無力、燃油消耗率高、怠速高。
(4)潛在故障起因
所謂故障的潛在起因是指設計薄弱部分的跡象,其結(jié)果就是故障模式;根據(jù)閥體結(jié)構(gòu)和對其進行的功能分析,可以知道閥體磨損的潛在故障原因為,閥體喉口與閥片直徑不匹配;閥桿與閥片螺釘孔的位置不匹配;怠速控制閥與怠速通道的孔徑不匹配;怠速通道的孔系不同軸。
(5)現(xiàn)有控制措施
根據(jù)故障的潛在起因可確定預防與探測的措施,這些都是已有的或?qū)⒁械拇胧?/p>
閥體的現(xiàn)有控制措施為配合設計閥體喉口和閥片直徑,保證其配合間隙;配合設計閥桿和閥片螺釘孔位置,保證其同心度;配合設計怠速控制閥和怠速通道的孔徑,保證其配合間隙。
2.分析衍生項
根據(jù)潛在故障后果確定S,根據(jù)潛在故障原因以及同型產(chǎn)品的三包數(shù)據(jù)確定O,根據(jù)探測措施確定D;根據(jù)確定的S,O,D計算得到RPN值。如果需要修正,可以提出適當?shù)慕ㄗh措施,作為改進的依據(jù),最后生成統(tǒng)一的DFMEA報告。
美國汽車工業(yè)行動集團(AIAG)頒布的FMEA標準中,提供了嚴重度、O和D的評定準則[3],其中,O準則非常直觀,根據(jù)計算得到的頻率即可得。
D和嚴重度判定準則的操作性較差,作者推薦企業(yè)根據(jù)AIAG的D準則,結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有的控制措施制定適用于企業(yè)自身的D判定準則。
至于嚴重度的判定,提倡仍沿用AIAG的準則,但為了增強其可操作性,作者對其進行了進一步的歸納總結(jié),生成如下圖所示的流程;根據(jù)該流程即可很容易地判定每種故障的嚴重度。
閥體磨損的嚴重度影響了發(fā)動機的基本功能,但未完全喪失,所以嚴重度為7;
閥體磨損的O根據(jù)故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果,結(jié)合專家組的分析,確定O為3;閥體磨損的檢測度現(xiàn)有的控制措施除硬度檢測外,均為對兩零部件的配合檢測,有較多的機會能找出潛在的起因,檢測度為4.
專家組確定S和RPN的閾值為7和80.當S超過7(含7),RPN超過80(含80)時,必須對其進行改進。因此,提出了以下建議措施:a)閥體喉口和閥片直徑、閥片和閥桿影響全閉泄漏量,除保證其配合間隙外,還應通過設計保證裝配后閥體喉口和閥片的同軸度,并進行全閉泄漏量檢測;b)怠速控制閥和怠速通道影響怠速流量,先需要通過設計保證怠速通道孔系的同軸度,然后保證怠速控制閥和怠速通道的同軸度和間隙。
完成以上分析后,要根據(jù)建議措施對設計進行修正(實際采取的措施可能與建議措施不同),修正后再重復以上步驟,直至S和RPN低于確定的DFMEA的S和RPN閾值。
3.生成DFMEA報告
完成每輪DFMEA之后,要及時生成DFMEA報告,包括需改進的零部件、建議措施和改進措施等。
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