航空产品质量先期策划（APQP）中“标准PFMEA”的应用探究

张 浩

（上海交通大学，上海 200436）

0 引言

APQP（Advanced Product Quality Planning），产品质量先期策划，是一种结构化的方法，用来确定和制定确保某产品使客户满意所需的步骤，它指导组织按时间进度有条不紊地进行产品和过程的开发，它是产品质量的诞生过程，通过一系列输出成果，解决问题[1]。

而过程FMEA（以下简称PFMEA）作为APQP中最重要的工具，作用是回答“在过程中发生什么问题会导致产品不符合设计意图”这个问题。对航空制造业来说，PFMEA其实就是一个确保产品工程信息在冗长大产品制造周期中不会丢失的组成部分。而对APQP来说，从制造层面看，PFMEA是整个APQP的灵魂，是一个提前发现风险，并确保风险可以提前规避的工具。一旦确定了风险，则可采取改进措施来消除或降低潜在起因的发生可能性，并/或在发运给顾客之前改进探测不合格情况的能力。

虽然在汽车制造行业中已经存在APQ的最佳实践——福特[2]，但航空制造业中如何在冗长的制造周期中应用APQP，尤其是PFMEA该如何落地一直没有定论。笔者认为最难的问题之一就是如何在复杂的制造流程中减少重复化，非标准化的PFMEA。“模块化”的方法一直是当下时代主流方法，如何将模块化的方法注入PFMEA，这是一个值得研究的问题。作者提出了“标准PFMEA”的概念，应该对PFMEA在APQP中的应用有一些帮助。

2 标准PFMEA的创建方法

2.1 团队需求

交叉职能的团队是APQP的开展前提之一，标准PFMEA同样需要交叉职能的技术团队。从PFMEA常用的分析过程（结构分析，功能分析，失效分析，风险分析）来看，工艺工程师、设计工程师、维护人员和生产人员应该是开发标准过程 FMEA基础团队。

从专业角度来看，标准PFMEA由负责的工艺流程负责人进行维护是最理想的方法。而从权威角度看来，如果采用最高效的方式在整个公司范围内创建零件特定PFMEA，相关的要求就应该在公司质量程序中体现[3]。

2.2 创建方法

标准PFMEA不应该仅是一个“复制/黏贴”的解决方案。它们需要从类似的特征和过程得出的知识；一旦创建，将成为与零件特定 PFMEA 中的多重特征相关的知识库。

图1是传统意义上的PFMEA所必须经历的分析过程。其中灰色的数据列需要填入零件特定信息，因此只可编写零件特定过程 FMEA 时完成。因此，真正可以进行标准化和模块化的内容，其实只剩下“要求”，“潜在失效模式”，“失效的潜在起因”，“预防控制方法”和“探测性控制方法”。现在需要考虑的就是如何将这些要素整合在一起“模块化”。结合工程实践，作者提供了以下“六步法”。

图1 标准PFMEA的元素简介

2.2.1 第一步：选择供评估的过程

一个标准PFMEA必须特定于一种过程，最好是行业内普遍认知的一个无歧义的过程，例如 CNC机加工、电子束焊接、力矩上紧、喷砂处理等。团队必须选择供评估的过程类型。一些程序会有几个子过程类型。例如CNC

机加工可能有车削、磨削、铣削及钻孔。团队只需要关注这些过程中的一个元素来创建标准PFMEA。

标准PFMEA还可以是设备特定的。一些CNC机床的结构独特，因此失效的潜在起因也可能因该设备类型而独特。团队将需要决定哪种是最佳的途径，是创建通用的标准PFMEA ，还是开发衍生工具。

2.2.2 第二步：确定被评估的过程的典型特征和特性

每个过程类型将会拥有创建某一特征和特性的潜力。团队应该为受评估的过程/子过程列出这些特征和特性。针对过程的典型的特性矩阵或装配指导可能有助于确定特征/特性。团队还须参阅典型图纸和相关的工程规格。例如在CNC机床上执行的钻孔过程将会创建以下的特征/特性——孔位置、孔径、孔深度、孔圆度和表面光洁度等。

标准PFMEA的结构，应该可以让团队从创建一个零件特定PFMEA的过程/子过程选择特定特征。需要在进入下一步之前定义全部特征/特性。

2.2.3 第三步：为每个特性定义典型失效模式

因为采用模块化、标准化的方法，所以不需要考虑生产方式和设计尺寸特性，总会有一些通用的潜在失效模式。团队可从这些通用失效模式着手，通过集思广益来开始定义标准FMEA数据库。作者在表1给出了一些通用的失效模式实例。

表1 失效模式实例

团队必须为每个在“第二步”列出的特征和特性定义相关的潜在失效模式。如果不能给出相应的潜在失效模式，就需要考虑列出的特征和特性是不是特定过程的特征和特性，应在标准PFMEA中将其剔除。

此外，图纸或相关规格上还可能有团队也需考虑的虽然不直接与特征相关，但评估完工零件时会涉及的普遍潜在失效模式，例如损坏、异物损坏、表面光洁度要求、清洁度。

2.2.4 第四步：按过程类型确定失效潜在起因

每个失效模式的潜在起因将取决于被用来创建特征/特性的过程。例如钻制一个直径为10 mm ± 1 mm的孔时，失效模式将会是一样，即过大或过小。但在 CNC 机床产生的“孔径过大”的潜在起因，会不同于例如使用激光钻出的孔的。因此标准 FMEA 必需特定于一个过程类型。

在这个实例中，笔者考虑的是在 CNC 机床上进行的“钻孔”。团队将需要决定CNC钻孔生产是个通用的标准PFMEA 还是由于 CNC 机床类型的独立性，每台机床都需要建立一个单独的标准PFMEA。

在做这个决定时，可以根据潜在起因的清单。如每台机床的潜在起因的清单都类似，则应该力求使用一个通用的标准PFMEA；如显著不同（例如因为设备的机械性质），则应创建独立的标准PFMEA。团队应考虑所有可能形成产品失效模式的直接起因。这些是应纳入标准 PFMEA 中的典型数据列。当在整个公司内存在预防和探测的通用过程或者公司希望强制使用一些特定的预防和控制方法，笔者也可以考虑将预防列和探测控制列也加入标准PFMEA中来。即便不是这些情况，公司也可能希望纳入“典型控制方法”，用作供团队开发工艺的指导性过程 FMEA 并允许他们进行编辑。

2.2.5 第五步：在标准 PFMEA 中确定与已确定的潜在起因相关的预防控制方法

团队应在这一步识别预防控制方法，用来预防已确定的潜在起因形成。再次， 应该保证这些预防控制方法可行。

由于实际上预防控制方法可能是一个特定的生产厂或场地所特有的，因此审核零件特定 PFMEA 时要非常谨慎，以确认是被列为“真正的实践”而不仅 是“另一个业务最佳实践”的记载。然而让团队有一份供审核的“入门清单”并有机会挑战最佳实践的应用是很有效用的。

2.2.6 第六步：标准 PFMEA 中失效模式确定典型的探测度控制方法

与预防控制方法相同，典型的探测度控制方法通常是特定于一个制造厂/场地或业务，需要谨慎地进行审核，来确认它们能反映实际应用的情况（零件号特定PFMEA）。

公司的流程专家可能对一些探测度控制方法有最低限度的要求，必须遵守这些要求。例如已有需要特定测量仪器来测量腔内表面光洁度的标准方法。应在数据列中用注解来确定这一方法必须强制实行。如果零件特定PFMEA识别出流程中缺乏有效的探测度控制方法，可以将其确定为PFMEA中的一个改进措施。

3 标准PFMEA的应用

在成熟的条件下，企业需要拥有一个数据库，它包含了其使用的工艺过程所需的全部标准 PFMEA。数据库将代表每个工艺过程的“最佳实践”，也是记录每个“最佳实践”论证过程的知识管理中心。

每逢得知新的信息，就要更新标准 PFMEA 数据库，以便在整个公司范围内分享。这是持续改进活动的一个关键部分。由于标准PFMEA中不含有产品特定细节，因此可提供给外部供应链使用。同时还可利用外部供应链内以及企业内部含有的经验和知识来更新知识管理中心，进一步加强其效用。为了确保容易访问并找出适当的元素，设计标准 PFMEA 时需要谨慎。典型的结构层次可分为4个，如图2所示。

图2 标准PFMEA数据库结构实例

3.1 第一层：过程组

这是通常由设备或过程定义的过程的公用名称。例如CNC机加工、接合、表面处理。

3.2 第二层：过程类型

旨在使过程更特定，并会考虑所使用的设备的形式或更详尽的过程描述。例如CNC磨削、CNC钻孔、CNC车削、电子束焊接、利用惯性焊接进行接合、利用喷砂进行表面处理等。

3.3 第三层：过程描述

如有不同的方法或设备变异能影响过程起因的共性度，则需要使过程类型更特定（例如在 Mazak CNC上进行磨削的一套潜在起因，与在Viking卧式磨机上进行的会不同）。在该情况下，必须针对CNC磨削准备2个独立的标准PFMEA，1个针对Mazak磨机、1个针对Viking设备。

3.4 第四层：过程特性/特征

标准PFMEA现在需要确定过程/设备设计来创建的典型特征/特性。就是说，使Mazak磨机进行CNC磨削时可能涉及以下等项目：大小（长度、高度等）、半径、角度、表面光洁度等。

在为特定的零件号或总成填写PFMEA时，需要含有全部的流程步骤以及全部特征，因为特征是创建来符合设计意图的。而这个“特定PFMEA”，可以看做“标准PFMEA”的限定排列组合，以实现模块化组合。通常来说，团队需要以下项目来创建零件特定PFMEA：1）零件/总成图纸。2）在图纸上引述的相关规格。3）详细说明制作方法的流程图。4）指定在每个流程步骤创建的特征的产品特性矩阵。5）装配指导。

在开始PFMEA前需要对这些文件进行重新回顾，确保这些文件都是完成的，并更新到了反映真实工作现状的版本（完整性检查），这样才能使完成的PFMEA有意义。这些文件将被用于针对使用适当的标准PFMEA的特定零件号来创建模板PFMEA，图作者以“外壳”部件号PFMEA为例，简单给出了“标准PFMEA数据库”，“部件特定设计和过程文件”和“特定PFMEA”的逻辑关系，如图3所示。

图3 创建一个零件特定PFMEA的逻辑关系

4 结语

质量、成本、时间是项目管理的三要素，但在航空制造企业，质量程序要求数不胜数，质量的地位明显远远高于成本和时间。从全面质量管理，到产品质量先期策划，几十年的时间里，我们探寻的是如何用最效率的方式保证工程信息的完整传递，其实也是在压缩成本，提升速度。笔者的“标准PFMEA”期望可以提供一种“模块化”的思路减少航空APQP中的重复工作内容。但是，航空制造的周期冗长，工艺复杂，如何将这种“模块化”的数据库做得高屋建瓴而不是“空中花园”，这背后需要更深远的思考和更精细的实践。