故障模式影響及危害性分析(Failure Mode Effects and Criticality Analysis,簡稱FMECA)方法起源于美國,目前在航天航空、兵器、艦船、電子、機械和汽車等工業領域得到了廣泛的應用。在許多重要領域,FMECA成為設計人員必須掌握的技術。
FMECA是一種可靠性定性分析技術,針對產品所有可能的故障,根據對故障模式的分析,確定每種故障模式對產品工作的影響,找出故障原因,并按故障模式的嚴重程度和發生概率確定其危害性。在產品生命周期的不同階段,FMECA應用的目的和方法也不盡相同。
1 工藝FMECA步驟的主要內容
1.1 系統定義
與功能及硬件FMECA一樣,工藝FMECA首先對分析對象進行定義。其內容可概括為功能分析、繪制“工藝流程表”及“零部件-工藝關系矩陣”。
a) 功能分析:對被分析工藝的目的、功能、作用及有關要求等進行分析。
b) 繪制“工藝流程表”及“零部件-工藝關系矩陣”。
1) 繪制“工藝流程表”(見表1)。它表示各工序相關的工藝特性和結果。它是工藝FMECA的準備工作。
2) 繪制“零部件-工藝關系矩陣”(見表2)。它表示零件特性與工藝操作各工序間的關系。
“工藝流程表”、“零部件-工藝關系矩陣”均應作為工藝FMECA報告的一部分。
表1 工藝流程表
零部件名稱: 生產工藝:
零部件號: 部門名稱: 審核: 第 頁?共 頁
型號名稱: 分析人員: 批準: 填表日期
工藝流程 | 輸入 | 輸出結果 |
工序1 | ||
工序2 | ||
…… |
表2 零部件-工藝關系矩陣
零部件名稱: 生產工藝:
零部件號: 部門名稱: 審核: 第 頁?共 頁
型號名稱: 分析人員: 批準: 填表日期
零部件特性 | 工藝操作 | |||
工序1 | 工序2 | 工序3 | …… | |
特性1 | ||||
特性2 | ||||
…… |
1.2 工藝故障模式分析
工藝故障模式是指不能滿足工藝要求和/或設計意圖的缺陷。它可能是引起下一道(下游)工序的故障模式的原因,也可能是上一道(上游)工序故障模式的后果。一般情況下,在工藝FMECA中,是假定提供的零件/材料是合格的。典型的工藝故障模式示例(不局限于)見表3:
表3 典型的工藝故障模式示例(不局限于)
序號 | 故障模式 | 序號 | 故障模式 | 序號 | 故障模式 |
1 | 彎曲 | 7 | 尺寸超差 | 13 | 光滑度超差 |
2 | 變形 | 8 | 位置超差 | 14 | 未貼標簽 |
3 | 裂紋 | 9 | 形狀超差 | 15 | 錯貼標簽 |
4 | 斷裂 | 10 | (電的)開路 | 16 | 搬運損壞 |
5 | 毛刺 | 11 | (電的)短路 | 17 | 表面污染 |
6 | 漏孔 | 12 | 粗糙度超差 | 18 | 遺留多余物 |
1.3 工藝故障原因分析
工藝故障原因是指故障為何發生。典型的工藝故障原因示例(不局限于)見表4:
表4 典型的工藝故障原因示例(不局限于)
序號 | 故障原因 | 序號 | 故障原因 |
1 | 扭矩過大、過小 | 11 | 工具磨損 |
2 | 焊接電流、時間、電壓不正確 | 12 | 零件漏裝 |
3 | 虛焊 | 13 | 零件錯裝 |
4 | 鑄造澆口/通氣口不正確 | 14 | 安裝不當 |
5 | 粘接不牢 | 15 | 定位器磨損 |
6 | 熱處理時間、溫度、介質不正確 | 16 | 定位器上有碎屑 |
7 | 量具不精確 | 17 | 破孔 |
8 | 潤滑不當 | 18 | 機器設置不正確 |
9 | 工件內應力過大 | 19 | 程序設計不正確 |
10 | 無潤滑 | 20 | 工裝或夾具不正確 |
1.4 工藝故障影響分析
工藝故障影響是指故障模式對“顧客”的影響。“顧客”是指下道工序/后續的工序,和/或最終使用者。故障影響可分為下道工序、組件和裝備。
a) 對下道工序/后續工序而言:工藝故障影響應該用工藝/工序特性進行描述,見表5(不局限于):
表5 典型的工藝故障影響示例(對下道工序/后續工序而言)
序號 | 故障影響 | 序號 | 故障影響 |
1 | 無法取出 | 6 | 無法配合 |
2 | 無法鉆孔/攻絲 | 7 | 無法加工表面 |
3 | 不匹配 | 8 | 導致工具工藝磨損 |
4 | 無法安裝 | 9 | 損壞設備 |
5 | 無法連接 | 10 | 危害操作者 |
b) 對最終使用者而言:工藝故障影響應該用型號的特性進行描述,見表6(不局限于):
表6 典型的工藝故障影響示例(對最終使用者而言)
序號 | 故障影響 | 序號 | 故障影響 |
1 | 噪音過大 | 9 | 工作性能不穩定 |
2 | 振動過大 | 10 | 損耗過大 |
3 | 阻力過大 | 11 | 漏水 |
4 | 操作費力 | 12 | 漏油 |
5 | 散發異常的氣味 | 13 | 表面缺陷 |
6 | 作業不正常 | 14 | 尺寸、位置、形狀超差 |
7 | 間歇性作業 | 15 | 非計劃維修 |
8 | 不工作 | 16 | 廢棄 |
1.5 風險優先數(RPN)分析
風險優先數(RPN)是故障模式嚴酷度(簡稱嚴酷度S)、故障模式發生概率(簡稱發生概率O)和故障模式探測度(簡稱探測D)的乘積,即
RPN=S*O*D
RPN是對潛在故障模式風險等級的評價,它反映了對故障模式發生的可能性及其后果嚴重性的綜合度量。RPN值越大,即該故障模式的危害性越大。
a) 工藝故障模式嚴酷度(S):是指工藝中的某個工藝故障模式的最嚴重影響程度。其等級的評分準則見表7:
表7 工藝故障模式嚴酷度(S)等級的評分準則
影響程度 | 工藝故障模式的最終影響 | 工藝故障模式的最終影響 | 嚴酷度等級 |
災難性的 | 產品毀壞或功能喪失 | 人員死亡/嚴重危及作業人員安全及重大環境損害 | 10、9 |
致命性的 | 產品功能基本喪失而無法運行/能運行但性能下降/最終使用者非常不滿意 | 危及作業人員安全、100%產品可能廢棄/產品需在專門修理廠進行修理及嚴重環境損害 | 8、7 |
中等的 | 產品能運行,但運行性能下降/最終使用者不滿意,大多數情況(>75%)發現產品有缺陷 | 可能有部分(<100%)產品不經篩選而被廢棄/產品在專門部門或下生產線進行修理及中等程度的環境損害 | 6、5、4 |
輕度的 | 有25~50%的最終使用者可發現產品有缺陷、或沒有可識別的影響 | 導致產品非計劃維修或修理 | 3、2、1 |
b) 工藝故障模式發生概率(O):是指某個工藝故障模式發生的可能性。發生概率(O)級別數在PFMECA范圍中是一個相對比較的等級,不代表工藝故障模式真實的發生概率。其評分準則見表8:
表8 工藝故障模式發生概率(O)評分準則
工藝故障模式發生的可能性 | 可能的工藝故障模式概率(Po) | 級別 |
很高(持續發生的故障) | Po≥ 10-1 | 10 |
5×10-2≤ Po <10-1 | 9 | |
高(經常發生的故障) | 2×10-2 ≤ Po < 5×10-1 | 8 |
1×10-2 ≤ Po < 2×10-2 | 7 | |
中等(偶爾發生的故障) | 5×10-3 ≤ Po < 1×10-2 | 6 |
2×10-3 ≤ Po < 5×10-3 | 5 | |
1×10-3 ≤ Po < 2×10-3 | 4 | |
低(很少發生的故障) | 5×10-4 ≤ Po < 1×10-3 | 3 |
1×10-4 ≤ Po < 5×10-4 | 2 | |
極低(不大可能發生故障) | Po< 1×10-4 | 1 |
c) 工藝故障模式探測度(D):是描述在工藝控制中工藝故障模式被探測出的可能性。探測度(D)也是一個相對比較的等級。為了得到較低的探測度數值,型號加工、裝備工藝控制需要不斷地改進。其評分準則見表9:
表9 工藝故障模式探測度(D)的評分準則
探測度 | 評分準則 | 檢查方式* | 推薦的探測度分級方法 | 級別 | ||
A | B | C | ||||
幾乎不可能 | 無法探測 | √ | 無法探測或無法檢查 | 10 | ||
很微小 | 現行探測方法幾乎不可能探測出 | √ | 以間接的檢查進行探測 | 9 | ||
微小 | 現行探測方法只有微小的機會去探測出 | √ | 以目視檢查來進行探測 | 8 | ||
很小 | 現行探測方法只有很小的機會去探測出 | √ | 以雙重的目視檢查進行探測 | 7 | ||
小 | 現行探測方法可以探測 | √ | √ | 以圖表方法進行探測 | 6 | |
中等 | 現行探測方法基本上可以探測出 | √ | 在零件離開工位之后以量具進行探測 | 5 | ||
中上 | 現行探測方法有較多機會可以探測出 | √ | √ | 在后續的工序中實行誤差檢測,或進行工序前測定檢查,進行探測 | 4 | |
高 | 現行探測方法很可能探測出 | √ | √ | 在當場可以測錯,或在后續工序中探測(如庫存、挑選、設置、驗證)。不接受缺陷零件 | 3 | |
很高 | 現行探測方法幾乎肯定可以探測出 | √ | √ | 當場探測(有自動停止功能的自動化量具)。缺陷零件不能通過 | 2 | |
肯定 | 現行探測方法肯定可以探測出 | √ | 工藝/產品設計了防錯措施,不會生產出有缺陷的零件 | 1 | ||
*注:檢查類型:A-采用防錯措施;B-使用量具測量;C-人工檢查。 |
1.6 改進措施
改進措施是指以減少工藝故障模式的嚴酷度(S)、發生概率(O)和探測度(D)的級別為出發點的任何工藝設計改進措施和使用補償措施。一般不論RPN的大小如何,對嚴酷度(S)等級為9或10的項目應通過工藝設計上的改進措施或使用補償措施等手段,以滿足降低該風險的要求。在所有的狀況下,當一個工藝故障模式的后果可能對制造/組裝人員產生危害時,應該采取預防/改進措施,以排除、減輕、控制或避免該工藝故障模式的發生。對某工藝故障模式確無改進措施,則應在工藝FMECA表相應欄中填寫“無”。
1.7 RPN值的預測或跟蹤
制定改進措施后,應進行預測或跟蹤改進措施的落實結果、實施的有效性,對工藝故障模式嚴酷度(S)、工藝故障模式發生概率(O)和工藝故障模式探測度(D)級別的變化情況進行分析,計算相應的RPN值是否符合要求。當不滿足要求,尚需進一步改進,并按上述步驟重復進行,直到RPN值滿足最低可接受水平為止。
1.8 工藝FMECA報告
將工藝FMECA的結果進行歸納、整理成技術報告。其主要內容包括:概述、工藝的描述、系統定義、工藝FMECA表格的填寫、結論及建議、附表(如“工藝流程表”、“零部件-工藝關系矩陣”)等。
1.9 工藝FMECA的實施
實施PFMECA的主要工作是填寫工藝FMECA表格(見表10)。應用時,可根據實際情況對表格的內容進行增、刪。
表10 工藝FMECA表格
產品名稱(標識)① 生產工藝③ 審核 第頁?共頁
所屬裝備/型號② 分析人員 批準 填表日期
工序 | 工序功能要求 | 工藝故障 | 工藝故障 | 工藝故障影響 | 改進前的風險優先數 | 改進措施 | 責任部門 | 改進措施 | 改進措施執行后的(RPN) | 備注 | ||||||||
下道工序影響 | 組件影響 | 裝備影響 | 嚴酷度S | 發生概率O | 探測度D | RPN | 嚴酷度S | 發生概率O | 探測度D | RPN | ||||||||
④ | ⑤ | ⑥ | ⑦ | ⑧ | ⑨ | ⑩ | ? | ? | ? | ? |
表10中各標號的填寫說明如下:
① 型號名稱(標識):是指被分析的型號名稱與標識(如型號代號、工程圖號等);
② 所屬裝備/型號:是指被分析的型號安裝在哪一種裝備/型號上,如果該型號被多個裝備/型號選用,則一一列出;
③ 生產工藝:是指被分析型號生產工藝的名稱(如××加工、××裝配);
④ 工序名稱:是指被分析生產工藝的工藝步驟名稱,該名稱應與工藝流程表中的各步驟名稱相一致;
⑤ 工藝功能/要求:是指被分析的工藝或工序的功能(如車、銑、鉆、攻絲、焊接、裝配等),并記錄被分析型號的相關工藝/工序編號。如果工藝包括很多不同故障模式的工序(例如裝配),則可以把這些工序以獨立項目逐一列出;
⑥ 故障模式:按照本指南1.2條的要求填寫。
⑦ 故障原因:按照本指南1.3條的要求填寫。
⑧ 故障影響:按照本指南1.4條的要求填寫。
⑨ 改進前風險優先數PRN:按照本指南1.5條的要求填寫。
⑩ 改進措施:按照本指南1.6條的要求填寫。
? 責任部門:是指負責改進措施實施的部門和個人,以及預計完成的日期。
? 改進措施執行情況:是指實施改進措施后,簡要記錄其執行情況。
? 改進措施執行后的RPN:按照本指南1.7條的要求填寫。
? 備注:是指對各欄的注釋和補充。
2 注意事項
主要包括:
a) 掌握PFMECA的的時機與適用范圍:在型號工藝可行性分析、生產工裝準備之前,從零部件到系統均應進行工藝FMECA工作。PFMECA主要是考慮型號試制生產工藝的分析,也可能包括包裝、貯存、運輸等其他工藝的PFMECA;
b) 明確PFMECA與設計的關系:PFMECA中的缺陷不能靠更改型號設計來克服,應堅持“誰工藝設計、誰分析”的原則。但工藝FMECA也應充分考慮型號設計特性,根據需要,邀請型號設計人員參與分析工作,并促進不同部門之間充分交換意見,以最大限度地確保型號滿足“顧客”的需求;
c) 掌握PFMECA是一個迭代的過程:PFMECA是對工藝故障模式的風險優先數(RPN)值的大小進行排序,并對關鍵工藝采取有效地改進措施,進而對改進后的RPN進行跟蹤,直到RPN值滿足可接受水平為止。PFMECA是一個動態的、反復迭代分析的工藝;
d) 積累經驗、注重工藝信息。與設計FMECA一樣,工藝FMECA亦應從相似試制生產工藝或工序中,積累有關工藝故障模式、與原因、故障模式嚴酷度(S)、故障模式發生概率(O)和故障模式探測度(D)等信息,并相應建立數據庫,為有效開展PFMECA提供支持。