基于FMECA方法的多尺寸制孔技术研究

基于FMECA方法的多尺寸制孔技术研究

申建

 中航西安飞机工业集团股份有限公司

 710089

【内容摘要】

本文使用FMECA方法对壁板系统通过孔制孔过程进行分析和控制，解决了高支架上单翼飞机机身顶部壁板上制孔易错的问题，为后续新研项目类似结构提供可借鉴技术支持。

关键词：FMECA   失效分析   刀具设计

0  引言

新型水陆两栖飞机为了减少飞机在海上执行任务时海浪对机翼的影响，采用了高支架的上单翼设计，机翼仅通过撑杆与中机身连接，这导致在机身顶部需要设置大量的系统通过孔，用于在翼身之间传递航电信息。根据不同传输管道的直径，壁板上设置的通过孔孔径和形状各异，在制造时容易出现错误。

FMECA由失效模式及影响分析（FMEA）和危害性分析（CA）两部分组成，是一套分析技术风险的方法，主要对产品或过程中潜在失效模式的起因、影响和危害性进行系统性和定性的分析。PFMECA分析的是制造、装配和物流过程中的潜在失效，以确保生产的产品符合设计要求。

1制定工艺方案

在中机身顶部壁板左右侧共计设置了31种孔径的84个孔，穿透蒙皮及蒙皮外侧的钛合金加强板，其中加强板上的孔为D型孔，蒙皮上的孔为圆孔（单个孔的结构见图1）。

此类型的结构装配一般有两种制孔顺序，一种是在钛板和蒙皮上分别制造处符合设计要求的通过孔，然后按照一定的基准将两项零件进行装配；另一种是在其中一个零件上制造处通过孔，两零件定位后，通过已有孔的位置和形状，完成另一个零件上的制孔工作。基于壁板的实际结构分析，蒙皮及钛板均属于大尺寸的蒙皮类钣金件，难以控制其上所制孔的绝对位置度，从而无法保证两层零件装配后孔位匹配。另外，相对蒙皮来说，钛板的尺寸更小且四周不需要留余量，更有利于在制孔过程中控制孔的位置度。

综上，该壁板系统通过孔的制孔方案制定如下：1.在钛合金加强板拉弯成形前按照展开曲面数据完成“D”型孔的制孔。2、壁板装配时，将钛合金加强板定位在蒙皮上之后，按照加强板上孔的位置及孔径对蒙皮上的通过孔进行加工。显然，该

图1 系统开孔的结构形式

2 失效模式分析及SOD评估

对工艺过程进行分析，可能产生的失效模式如下：

1）零件在钻制钛合金加强板上的“D”孔时出现错误，导致蒙皮上的孔相应出现错误

2）按钛合金加强板制蒙皮上的通过孔时，使用了错误的工具，导致孔径超差。

基于上述的失效模式，进一步对不采取任何措施的SOD值进行评估如下：

1）严酷度：该通过孔用于安装后续的航电管道，如果出现孔位超差或者孔径超差，只能按现有孔径或孔位重新制作相应的航电管道，导致原管道报废且需停工等待，故将严酷度数值定义为8。

2）发生频率：顶部壁板上总计需要制31种不同孔径的通过孔，直径从Φ19mm-Φ61mm不等，并有较多的孔孔径类似，在制孔时容易因为刀具错误或者刀具磨损导致孔径超差，所以将发生频率定义为5。

3）被检测度：当确认钛板孔径无误时，蒙皮上的孔径可以参照钛板进行目视检测，但由于部分孔径差值较小，需要通过内径千分尺进行检测，且如果钛板上的孔径错误，则在壁板装配完成后难以发现，因此将被检测度等级定义为5。

综上，RPN值高达200,需要制定相应的措施进行风险控制。

2采取的控制措施

2.1孔径的合并与优化

钛合金加强板上的“D”型孔用于对与孔配的管道进行限位和配合，蒙皮上的圆孔仅为通过使用，所以钛板上的孔孔径要求高，而蒙皮上的孔精度要求低。按现有制孔方案，钛板上的孔径由零件下料时通过展开样板进行控制，能满足精度要求。而蒙皮上的开孔孔径只要大于钛板开孔且不超过2mm即可满足结构强度的要求。基于此将蒙皮上的通过孔从31种孔径优化为12种（见表1），降低制孔超差的发生频率和可检测度等级。

表1 孔径优化

2.2合理设计打点样板

钛板零件交付至装配现场后，需要按照打点样板在零件钻制与壁板连接的紧固件孔，样板按照钛板的外形进行定位。样板设计时，在样板上增加了钛板上系统通过孔的外形。在钛板进行打点制孔时，可以对系统孔的孔径和孔位进行二次验证，降低了被检测度等级。

2.3制孔刀具的防差错

为了避免使用掏孔钻在蒙皮制孔时，误拿刀具导致孔径超差，在选择和申请掏孔钻时，通过前导和孔径的关系制定了物理防差错的措施，依照小孔径对应小前导，大孔径对应大前导的原则，将掏孔钻的前导直径从Φ4mm-Φ6.7mm递增分级为12个，分别对应优化后的12中制孔孔径。通过该措施，大孔径的掏孔钻前导无法插入小孔径的前导孔，从而避免了无法修复了错误，这种情况下即便错拿了刀具，也只会将通过孔开小，在与钛板进行装配时便能发现孔径错误，进行返修。

2.4编制制孔标识图册

完成掏孔钻申请后，按照前导孔径与目标孔径的对应关系，编制了前导孔径图册（见图2），将前导孔径通过数字的形式标识在图片中，作为输入的原零件与输出设计要求产品的中间过程控制要素，在掏孔前对前导直径进行再次核对，有效的降低系统通过孔孔径超差的发生频率。

图2 系统开孔前导直径标识图册

3控制效果评估及结论

对采取措施后的SOD值进行评估如下：

1）严酷度:通过措施3的制定，在物理防差错的作用下，产生的孔径超差应几乎均为孔径小、超下差，即便产品流转到了下游单位，也能通过对壁板进行返修从而使产品符合数模及文件要求，不会造成零件的报废。因此将严酷度数值下调为5。

2）发生频率:通过措施1的实施，减少需要制孔的孔径种类，从根本上降低了制错孔的概率；再通过其它几项措施对制孔过程的控制，将发生频率调整为2。

3）被检测度在打点样板上增加了通过孔的外形，有效的零件的制造符合性进行了二次验证。并且通过措施1的制定，将细微差别的孔径归类为同种孔径，完全可以通过目视进行检查和区分。因此将被检测度的数值调整为3。

综上，经过措施的制定和实施，RPN值下降到30。通过使用FMECA失效分析和风险控制，有效的避免了中机身顶部壁板通过孔超差，目前该型机已经按照按通过孔完成了航电管道的安装，未发现任何问题。

4结束语

在飞机的协同设计阶段开始引入FMECA方法对装配过程中可能出现质量问题的风险进行评估，能直观有效的识别出需要控制的风险并提前制定相应的措施，并且可以通过数据的形式对整个过程进行保存和复现，能为以后的新研工作提供数据支撑，