Process FMEA在白车身制造工艺中的创新应用

储祥伟 陈丹丹

（上汽通用汽车有限公司，上海201201）

主题词：Process FMEA 白车身制造 PFMEA传递 D-P FMEA互联

缩略语

FMEA Failure Mode and Effect Analysis

RPN Risk Priority Number

AP Action Priority

RPL Risk Priority Level

1 前言

产品质量和可靠性是汽车市场竞争中重要的因素。国家市场监督总局2020 年6 号通告[1]，截至2019年年底，我国累计实施汽车召回1 992 次，涉及缺陷车辆7 578.01 万辆，生产者因召回而投入直接费用总计约580 亿元。引发召回的原因主要有2 个：设计原因和制造原因，其中由于制造原因造成的缺陷占比42%[2]。控制缺陷的有效手段包括提高产品的设计能力以及管控制造过程中的高风险工艺，双管齐下，才能提高整车生产企业控制经营风险，减少召回带来的损失。

Booker J[3]指出75%的产品故障通常发生在开发和规划阶段，约80%的故障直到最终测试或产品使用时才被发现。为了有效地保证产品质量，需要在产品全生命周期内进行质量管理。FMEA(Failure Mode and Effect Analysis)被认为是在产品开发过程中规划和提高质量和可靠性的重要工具[4-6]，它能够帮助开发者找出潜在的缺陷，并采取适当的预防和控制措施，提前发现并解决质量缺陷。根据汽车领域产品设计和制造工艺开发2 个维度，FMEA 细分为Design FMEA 和Process FMEA。福特汽车工程师Kolich[7]运用DFMEA发现潜在的座椅舒适性故障模式，及时采取措施降低风险。PFMEA也广泛地应用于汽车制造过程中，高大伟[8]借助PFMEA 预先发现生产线中的高风险失效模式，并采取相应措施避免失效的发生。本文首先简述了PFMEA 的具体实施方法，然后提出动态PFMEA 的运作方式，挖掘出产品全生命周期中所有阶段的潜在失效风险。

2 白车身PFMEA的实施

2.1 白车身工艺PFMEA小组

白车身工艺PFMEA 小组是一个多功能、跨部门的群组，组长一般是体系与质量方面的专家，小组成员包括各个工艺的专家，如焊接专家、紧固件专家等，组长要直接地、主动地联系所有相关部门的代表，在创建、审核、修订PFMEA的过程中需要多功能小组成员的共同参与完成。

2.2 PFMEA 编制内容

参照FMEA 手册第4 版编制内容[9]，制定工艺PFMEA，步骤如图1。按该步骤识别出所有工艺的功能和要求、潜在失效模式、潜在失效后果、潜在失效原因、严重度(S)、频度(O)和不可探测度(D)。其中，S、O、D 的评分准则可以参考FMEA 手册，也可以根据需求自定义。

2.3 PFMEA 风险评估

目前常见的风险评估方法有：

(1)风险顺序数RPN，即严重度(S)、发生度(O)和不可探测度(D)的乘积；

图1 PFMEA编写步骤

(2)行动优先级AP，即根据S、O、D 的数值范围制定3个等级，高等级的PFMEA条目需要优先采取措施以降低风险；

(3)风险评估等级RPL，它与AP 的逻辑很相似，不同的是RPL 更加关注汽车行业的法律法规和安全问题[10]。

在白车身制造领域，采用RPL 风险评估方法，结合公司风险管理制度，可以让FMEA 团队快速、准确地识别出工艺过程中的高风险项，并对它们及时地做出有效管控措施。

2.4 PFMEA的传递

为了确保描述了PFMEA 在不同功能块之间的传递，将PFMEA 文件进行分级：模板级、项目级和工厂级，如图2。

图2 PFMEA文件的传递

模板级PFMEA 由PFMEA 小组负责编制以及更新，以车身工艺的维度开发，包括自动焊接PFMEA、自动涂胶PFMEA、激光钎焊PFMEA等，表1列出了机器人焊接(伺服焊枪)FPMEA 的部分内容，其中“过程步骤”是指具体的工艺过程，“要求”是来自产品以及制造工艺提出的需求，“潜在失效模式”来自产品工程师、质量工程师、车间工程师、DFMEA 失效分析和车间实际制造过程中出现过的质量缺陷等。

项目级PFMEA 是由项目制造工程师负责开发，根据最新模板级PFMEA编制。具体步骤如下：

（1）在新项目试生产阶段，制造工程师先制作出工艺流程图(Process Flow)，如表2 列出某工位具体的工艺步骤，且定义每一步操作的属性(移动、储存、加工和检验)。

表1 模板级机器人焊接PFMEA部分内容

（2）针对表2 中工艺流程图的每一步骤制作相应的工艺PFMEA，如表3 描述了序号1.1 的具体PFMEA要求与失效模式。

表2 某工位工艺流程

表3 某工艺步骤具体的PFMEA内容

（3）基于项目DFMEA，识别项目DFMEA 中的产品关键特性和高风险项，确保设计风险项的有效传递。

工厂级PFMEA 是车间相关工程师负责开发，他们在试生产阶段接收项目PFMEA，识别其中的高风险条目和工艺控制要求，并制定相应的过程控制措施。

3级PFMEA工作分别在项目的不同时期进行。

（1）模板级PFMEA 是由PFMEA 小组控制及更新，会随着科技的进步和项目中的经验教训不断更新。

（2）项目级PFMEA 是在项目设计阶段完成，帮助工程师在新车型投入生产前就识别出高风险操作，从而做到防患于未然。

（3）工厂级PFMEA 是基于车间实际情况，针对试生产阶段和量产后的白车身制造，能进一步挖掘出潜在的高风险工艺，并将新的失效模式、控制预防措施以及经验教训反馈给PFMEA 小组，用于更新模板级PFMEA文件。

综上所述，PFMEA在产品全生命周期内一直存在且不断更新，由此形成了一个闭环过程（如图3），在任何一个阶段都牢牢地将质量风险扼杀在摇篮里。

图3 PFMEA工作的闭环过程

3 DFMEA与PFMEA的互联开发

汽车行业应用FMEA 已经很久了，但是一般而言，产品研发工程师使用的DFMEA 与制造工程师使用的PFMEA 是2 个独立的系统，DFMEA 关注点偏重产品设计的失效，PFMEA 主要偏重制造过程中的失效，对此一些研究人员探索联合开发DFMEA 与PFMEA。Zheng L 和McMahon C 等[11]开发了一种基于Web 的面向服务的FMEA 工具，在用CAD 开发零件时，将产品关键特性（例如厚度、直径等关键参数）传递给PFMEA 团队，然后从PFMEA 的角度给出可制造性和改进建议。从而能够及时地发现质量风险，实现了产品开发与生产的闭环。该方法旨在产品设计阶段就开始开发PFMEA，提前研究可制造性以及针对高风险项的建议措施。

本文旨在提出一种在整车厂实现联合开发DFMEA与PFMEA的可行性，即D-P FMEA互联。图4显示了开发D-P FMEA 互联的核心成员，需要由质量部牵头，联合制造工艺、产品设计、项目管理、信息技术等部门，确保D-P FMEA互联的有效推进与落实。

D-P FMEA 互联工作是随着具体项目持续推进的。在项目前期，负责各自子系统的产品工程师在开发DFMEA模板的同时，需要向相应的PFMEA模板发起连接请求。工艺工程师确认该连接后，DFMEA 就会将系统功能、法律法规、经验教训、严重度、失效模式和失效影响输入给PFMEA，同样PFMEA 也会反馈工艺可制造性、严重度、失效模式和失效影响信息给DFMEA。在项目开发阶段，DFMEA与PFMEA也存在同样的互联机制。在PFMEA 的闭环传递过程中，项目工程师还可以通过工艺开发/验证试生产手段促进PFMEA模板的更新完善。最后在项目实施阶段，即用于车间生产过程中进行制造风险控制的PFMEA 文件，就是经过产品工程师和工艺工程师多轮审核后的产物，它是一份相对完备的风险管控依据，在后续的产品生命周期内也将持续演化更新，不断促进汽车制造PFMEA的应用发展。

图4 开发D-P FMEA互联的成员

图5 D-P FMEA互联的逻辑关系

4 结论

本文介绍了PFMEA 在白车身制造过程中的应用，包括PFMEA 小组的建立、内容的编写和风险评估、PFMEA 的传递、DFMEA 与PFMEA 的互联互通。着重提出了PFMEA在项目的不同阶段以及不同功能块之间的闭环传递，保证了PFMEA 文件的实时动态更新。最后创新性地探索了Design FMEA 与Process FMEA 的互联开发，从产品设计源头挖掘潜在质量缺陷，进一步地提高白车身制造过程中的质量风险管控能力。

目前DFMEA 与PFMEA 大多是独立开发，将2者进行信息互通是第一步尝试。未来产品设计与制造工艺评估会合并在一个系统，DFMEA 与PFMEA 将同步开发，许多潜在缺陷将在这个阶段被发现并及时解决，从成本上看将为企业带来巨大的效益。