型号波动管理方法与实践

汪邦军任青钺耿金凤

（1.中航工业综合技术研究所，北京 100028；2.中国合格评定国家认可中心，北京 100062；3.中国航空工业集团公司，北京 100022）

型号波动管理方法与实践

汪邦军1任青钺2耿金凤3

（1.中航工业综合技术研究所，北京 100028；2.中国合格评定国家认可中心，北京 100062；3.中国航空工业集团公司，北京 100022）

[摘要]结合企业提升武器装备质量稳定性的需求，建立波动管理模式、技术体系、评价体系、支撑平台，形成波动管理通用规范、推荐实践指南；对接企业制造执行系统（MES）开发波动管理软件，实现QFD、FMEA、DOE、SPC、MSA等质量工具集成、波动管理流程控制、统计分析及在线监控；针对XX系列飞机载机、刹车系统、螺旋桨系统的关键工序开展工程应用，显著提升制造过程质量一致性和稳定性。为解决研制向批产转移质量控制难题，提供系统完整的解决方案及技术支撑，夯实国防科技工业全面推广实施波动管理的技术基础。

[关键词]波动；关键特性；质量控制

“波动（Variation）”丰富了人们的生活，给万物带来了无限生机和活力，波动、变异和更新推动着自然界和人类社会持续向前发展。然而，在产品制造过程中，“波动是客观现实和无法回避的工业事实（Juran等)”、“波动是质量的大敌（波音公司Barker等）”。武器装备质量与性能稳定性取决于制造过程总体波动水平的高低，特别是型号研制方案固化后，制造过程质量的一致性、稳定性和受控性，成为决定型号实物质量的根本因素，因此，制造过程质量管理的任务就是要最大限度地控制和削减制造过程的质量波动。

1 型号波动管理概述

型号波动管理适用于以离散式加工装配制造为主要特点的装备生产制造行业，特别多品种、小批量的武器装备研制向批产转移制造过程的质量管理。最近20多年来，以提高航空装备制造过程稳定性需求为牵引，以波动控制和削减技术的集成应用为手段，开展对影响航空装备实物质量的各种关键特性波动源的系统分析，研究制定针对性的型号波动削减计划并采取相应的工程措施有效地削减和控制质量波动，已经成为国际航空工业领域质量管理的热点问题，由此引发了有关波动管理的大量应用研究。

1.1 美国空军发布“R&M 2000波动削减大纲”，明确提出了航空武器装备实施波动削减的4项关键任务：一是减小围绕目标值的波动以提高可靠性，降低成本；二是使设计与生产的性能趋向目标值，而不是趋向公差界限值；三是提高生产和维修工艺，以生产质量稳定、缺陷少的产品；四是可靠的产品必须且应当满足顾客要求，无波动地完成设计功能。

1.2 洛克希德•马丁公司在F-22战机上实施波动削减大纲，通过各种波动削减技术工具的集成应用，为F-22战机找出2561个产品关键特性，通过对678个过程和“零件族”特点的分析，相应地开发了126个波动削减指南。F-22波动削减大纲和系列波动削减指南的实施，修正了适合制造过程的关键特性的要求，降低了产品成本，缩短了产品交付时间，降低了返修、返工率，F-22整机的过程能力指数Cpk达到1.2，合格率达到99.9%。

1.3 波音公司在波音777飞机上实施波动控制计划。波音公司针对波音777飞机质量管理要求，制定了相应的波动削减计划和波动控制目标，以期实现在装配方式、硬件工具、软件工具、主要装配步骤、装配时间、过程能力、垫片数量等关键业绩指标与波音747飞机相比有显著改进。此外，为了系统性地控制航空装备制造过程中的质量波动，波音公司制定了有关波动控制的质量管理标准《先进质量体系（AQS）》。

1.4 诺斯罗普•格鲁门公司在F/A-18系列战机上实施过程波动削减系统，以改进和控制制造过程中的质量波动。通过PVR系统，公司跟踪过程，而不是零件。PVR系统的建立与运行有效了削减了F/A-18系列战机制造过程中的质量波动，确保研制目标的实现。

1.5 国际航空航天质量组织（IAQG）发布了AS 9103《关键特性的波动管理》标准，明确规定了关键特性的波动管理要求，要求对制造过程进行全面的评定，以便通过对关键特性的波动进行充分策划和有效管理，推动对制造过程的系统改进。

上述洛克希德•马丁、波音等国外著名航空公司通过在装备制造过程中推广实施波动管理，着力提升航空装备实物质量与可靠性水平的实践，以及美国军方、美国国防部和国际航空航天组织通过贯彻有关的政策、文件和标准，推动有关承包商在武器装备制造过程中大力推广实施波动控制的做法，代表了国际航空工业质量管理的新发展。

通过对波动削减理论的学习，我们明确了型号波动管理研究与实践的总体思路：以型号制造过程中关键特性的稳定性和受控性为切入点，开展型号制造过程波动源分析，逐步建立健全型号波动数据库，促进形成波动辩识、测评和控制机制，准确揭示典型加工过程的波动，开发适合波动管理的步骤及评估系统，修正适合制造过程的关键特性的需要，削减最终影响型号实物质量、可靠性与性能稳定性的因素，以及型号由小批量试制转入批生产阶段波动过大导致的质量问题，满足用户要求。

2 型号波动管理实施程序

型号波动管理实施流程可以概括为“四个阶段、十个步骤”，如图1所示，实际应用中这10个步骤可以适当剪裁。

图2 波动管理流程

第一步：识别关键特性。根据顾客、产品性能、功能结构、装配性、使用寿命、可制造性等要求，以及FMEA、过程能力分析、公差设计等技术确定产品的关键特性或关键过程；按照系统关键特性、组件关键特性、零件关键特性，以及过程关键特性依次分解展开，编制关键特性目录；通过因果分析识别所有的过程关键特性，如果使用了替代的关键特性，要说明替代的关键特性与顾客定义的关键特性之间的关系；标识每个关键特性的过程所有者，过程所有者负责保持和改进形成关键特性的过程业绩表现；识别每个关键特性的潜在波动源，并编制波动源清单；编制关键特性过程质量控制计划，该控制计划应包括关键特性的制造过程、测量及测量系统分析、使用的工艺规范、控制方法及工具、抽样方案及过程能力评估结果等内容。本步骤的输出：产品关键特性、过程关键特性及其相互关系；因果分析过程；替代特性与关键特性之间的关系；过程所有者的识别；潜在波动源；过程质量控制计划。

第二步，确定度量指标。针对系统关键特性、组件关键特性、零件关键特性建立关键特性的波动度量指标体系。波动度量指标包括但不限于：基于概率统计的波动度量指标，主要包括标准差、过程能力指数、西格玛水平等；基于质量工程的波动度量指标，主要包括损失函数和信噪比等；基于产品实物质量检验的波动度量指标，主要包括不合格品率、缺陷率、首次合格率、流通合格率、每百万机会缺陷率等。本步骤的输出：关键特性波动指标。

第三步，构建波动模型。建立波动模型即建立关键特性之间以及关键特性与关键参数之间的关系，这种关系可以是定量的，也可以是定性的，其应用时机如下：1）利用下一层关键特性波动评价上一层关键特性波动；2）平衡各级关键特性波动优化效果；3）关键特性波动的预测；4）指导关键特性波动优化。本步骤的输出：波动模型。

第四步，评价波动水平。依据所确定的关键特性、评价指标以及波动模型（需要时），系统调查和计算关键特性质量波动水平，为关键特性波动诊断提供基础；如果采用过程能力指数作为波动的度量指标，首先应利用控制图判明过程是否处于统计控制状态，如过程不稳定，应调查原因并采取措施；将不同产品相似的关键特性组合在同一控制图上时，这些特性应具有相似的波动性。本步骤的输出：过程能力（计算方法）；控制图；失控点纠正措施文件；数据采集计划；失控点调查结果；更新后的控制文件。

第五步，选择关键特性。在关键特性选择之前，必须先确定关键特性波动要求，根据关键特性波动要求选择需诊断的关键特性；基于波动水平评价，确定是否增加或删减关键特性。本步骤的输出：关键特性波动要求； 需诊断的关键特性；增加或删减的关键特性。

第六步，评价测量系统。关键特性波动不满足要求，首先应对测量系统进行研究。如果测量系统能力不足，则应采取纠正措施后再对关键特性波动进行评价，如果测量系统能力充足，则应对关键特性波动进行诊断。本步骤的输出：测量系统能力数据。

第七步，诊断特性波动。依据所选择的关键特性，利用统计过程诊断、试验设计、数据挖掘技术、解释结构模型、智能诊断技术、回归分析、方差分析、测量系统分析等波动诊断技术，开展质量波动诊断分析，形成关键特性波动源清单。本步骤的输出：波动源清单。

第八步，优化特性波动。针对关键特性的波动源，通过采用稳健性设计、DOE、响应曲面技术、流程优化、工装、工具、夹具优化等波动优化技术开展波动优化，并通过工程应用评价其优化效果。本步骤的输出：拟最佳参数水平；优化后的流程、工装、工具。

第九步，验证优化效果。优化效果需要通过试验等手段加以验证。本步骤的输出：波动源纠正措施文件；过程控制文件。

第十步，控制特性波动。采用统计过程控制、防差错设计、标准化、表格化操作、精细化管理等波动控制技术对优化后的关键特性进行控制，并实现波动管理闭环控制。本步骤的输出：持续监控的记录。

3 型号波动管理典型案例

目前，在XX系列飞机载机、刹车系统、螺旋桨系统波动管理工程应用与实践中，已形成飞机部装、组件、零件和特性波动管理推荐实践系列指南20项、波动管理案例19项，这里只选取其中“XX飞机载机框横梁装配过程波动管理”一例，作摘要介绍。

3.1 产品基本情况

30框是机身最主要的加强框，是机身中段受载最严重的一个框，由左右侧框及下部横梁组成，如图2所示。

图2 30框结构图

3.2 识别关键特性

3.2.1 确定单元件关键特性

要保证30框横梁承载能力，必须保证横梁组成件的连接牢固，零件XXX-0330-3- 1/- 2、环形框在高应力区不断裂，连接螺栓具有更好的机械性能等。通过分析，确定30框单位元件关键特性见表1。

3.2.2 确定关键过程及主要控制内容

为实现单元件特性要求，工艺部门根据加工难度及装配难度确定了单元件制造和装配关键过程及其主要控制内容见表2。

3.3 确定度量指标

表1 框横梁组合件单位元件关键特性表

度量指标为平面度、贴合度要求100%满足要求，壁厚尺寸西格玛水平不低于2.5。

3.4 评价波动水平；

对30框横梁装配完成后的平面度和贴合度进行分析。

平面度：取不同部位，测量螺栓孔两倍的直径范围内贴合情况即100%贴合（表3）。

表2 装配关键过程及其主要控制内容

表3 测量螺栓孔两倍的直径范围内贴合情况

壁厚（工程要求：上缘条10+0.5-0.2；下缘条10.000-0.15，工艺余量为0.5），对上缘条A处和B处上缘条壁厚见表4。

表4 上缘条A处和B处上 　（单位：mm）

计算过程能力：工程要求加上工艺余量作为上下规范限，其西格玛水平为3.03。通过数据分析间隙和贴合度均非常好的满足工程要求，壁厚西格玛水平加工艺余量为公差的西格玛水平较高，但以工程要求为公差的西格玛水平很低。

3.5 选择需要改进的关键特性

从上边过程能力计算可以看出，产品在制造过程中工艺余量的多少严重影响其产品质量水平，而且给装配过程带来很大工作量，虽然装配交付情况为间隙和贴合度均非常好的满足工程要求，但通过现场调查发现，达到该要求的前题条件是操作工人必须通过大量的刮削才能保证贴合及间隙，刮削过程中反复拆卸零件（30框横梁十几道工序），总装配工时171小时，但修合、定位安装这一道工序需要两个工人，且工时为37小时，但工人实际工作时一般都需要70～80小时反复刮削，且刮削后还不满足工程控制厚度要求，既耽误生产周期，又容易造成螺栓长度经常更改，严重影响产品的按期交付。通过分析选择需要改进的关键特性为产品装配时刮削量及产品制造时壁厚尺寸（即工艺余量的控制）。

3.6 评价测量系统

壁厚测评系统分析结果显示，测量系统的重复性、再现性、量具R&R、分辨力等指标均满足要求。

3.7 诊断波动源因

30框横梁装配过程分析：主起接头与缘条的贴合面均为变斜面，工人加工上、下缘条时，只选择最厚处C点或D点尺寸和最薄处A点或B点尺寸（图3），进行流线过渡加工，加工时只保证壁厚尺寸不小于图纸要求的最小尺寸，不考虑控制图纸要求壁厚最大尺寸，上缘条上、下公差相差0.7 mm，下缘条上、下公差相差0.15 mm，同时对此面的平面度图纸没有做出要求，是造成此问题的最大原因。

图3 上、下缘条未刮削接头示意图

产品特性传递图（图4）决定30框横梁装配贴合度及贴合间隙好坏的决定因素是主起接头的平整度和对接孔同轴度；30框横梁上、下缘条贴合面的平整度直线度、壁厚尺寸；30框横梁腹板贴合面的平整度、平面度、壁厚尺寸。

图4 产品特性传递图

从图4中可以看出，需协调完成的工作有图号为XX-0330-10-1/-2，产品为30框主起接头、图号为XX-0330-13-1/-2、XX-0330-14-1/-2，产品为30框横梁上缘条、图号为XX-0330-0-3 ，产品名称为30框横梁腹板。根据工艺路线，确定出相关单位有313厂、215厂、部件装配厂及工装设计处。

3.8 优化特性波动

部件厂装配时主起轴安装孔位置与主起轴需协调一致；中央翼安装环形框连接孔时需保证环形框连接孔位置满足环形框安装要求；主起轴安装孔与环形框连接孔之间的相对位置需满足要求。30框装配夹具按样板以及量规进行制造和安装。其中样板用来保证30框的外形（包括飞机蒙皮外形和横梁的高低位置）；量轨用来保证主起轴安装孔与环形框连接孔之间的相对位置，根据上述分析，制定了波动改进方案见表5。

表5 30框横梁装配波动管理改进方案

3.9 验证优化效果

表7 改进后的上、下缘条壁厚度尺寸　（单位：mm）

图5 过程能力分析

从图5可以看出，产品制造过程能力发生变化不大。但对部装操作工人刮削时间进行调查发现，因为余量的减少，大大减少了刮削时间，原来需要两工人70～80小时完成的工作，现在需12小时就能完成。保证了按期交付产品。

3.10 控制特性波动

将减少了的工艺余量，固化到工艺文件之中。

4 型号波动管理方法的创新点及推广价值

型号波动管理方法的创新点主要体现在以下4个方面：

以奠定工程应用技术基础为驱动，建立了波动管理指标体系、技术体系、评价体系，覆盖了从波动度量、识别、诊断、优化、控制到最终效果评估的波动管理过程的全要素。

以形成波动管理推广应用能力为导向，固化技术研究与应用成果，形成系列的波动管理通用规范，包括顶层要求类规范，波动管理工具方法类规范，波动管理作业要求类规范，以及推荐实践指南。

基于企业制造信息系统，开发网络化波动管理软件平台，嵌入了质量功能展开（QFD）、故障模式和影响分析（FMEA）、实验设计（DOE）、统计过程控制（SPC）、测量系统分析（MSA）等质量工具，实现了波动管理流程控制、统计分析及在线监控，软件通过测试并对接企业MES系统，取得软件著作权。

针对XX系列飞机载机、刹车系统、螺旋桨系统的关键工序，开展波动管理技术的工程应用，取得了实效，显著提升制造过程质量一致性和稳定性。

综上，波动管理是一种减小型号制造过程波动，提高产品实物质量的一种系统性方法。在XX系列飞机及配套产品上应用波动管理技术，制定并实施波动管理有关的大纲、程序和要求，针对关键特性和关键工序制造过程，实施波动识别、诊断、优化和控制，削减产品关键特性或关键工序制造过程的波动，系统提高型号制造过程控制水平和提升型号实物质量水平，取得了实效。波动管理技术在XX系列飞机制造过程的工程应用实践，为飞机制造企业探索研制向批产转移质量控制工作机制，提升质量管理和实物质量水平积累了经验。波动管理技术在XX系列飞机制造过程的工程应用中形成的技术方法、通用规范、软件工具、应用案例和实践指南等成果，在航空工业，乃至以离散式加工装配制造为主要特征的整个国防科技工业层面，都具有大面积推广的价值。

（编辑：雨晴）

[中图分类号]F273.2

[文献标识码]B

[文章编号]1003–6660（2015）06–0015–06

[DOI编码]10.13237/j.cnki.asq.2015.06.04

[收稿日期]2015-09-24