基于PFMEA技术的气缸盖工艺设计及应用

王连宏 叶锐 张雪冬 李峥 李晓霞 贺林

（1 山西柴油机工业有限责任公司，山西 大同，037036 2 中国万宝工程有限公司，北京，100053）

0 引言

气缸盖是发动机中结构较为复杂的薄壁零件。因工作过程中气缸盖一方面承受螺栓安装时预紧力所产生的安装应力，及缸内周期性变化的气体压力产生的高频脉动机械应力；另一方面气缸盖底面还要受到高温燃气的剧烈加热和腐蚀，致使气缸盖在发动机中的工作条件十分恶劣。因此，对气缸盖铸件结构高承载、高集成、高紧凑和高可靠性提出了高的要求，如何通过改进工艺，解决铸件材料性能提升、微观缺陷严重、表面残余应力离散等问题，已成当务之急。目前产品FMEA作为设计工具之一，在产品开发设计中已应用广泛，而工艺FMEA研究还很欠缺。本文以某型号气缸盖铸造工艺为例，通过采用工艺故障模式影响分析技术，对铸造过程中产生的质量问题进行分析，找出影响气缸盖可靠性的主要铸造工艺过程因素，对传统的铸造工艺做出改进，提高了气缸盖铸造件的合格率及使用可靠性，具有重要的工程实用价值。

1 工艺的功能与要求

建立气缸盖铸造工艺流程表，见表1，以确定有关工艺的功能和要求；在此基础上建立铸件—工艺关系矩阵，见表2，以分析铸件特性与相关工艺功能和要求的关系。

2 故障原因分析

（1）人：型芯制作、材料熔化与浇注及热处理等操作人员均为经过正规安全、操作、工艺等技能培训，具备专业的操作证、资格证等各类上岗证件，因此人员不是造成故障的主要原因。

（2）机：型芯制作、材料熔化与浇注及热处理等涉及的工艺装备运转正常，精度稳定可靠，具有装备合格证，因此工艺装备不是造成故障的主要原因。

（3）料：原材料具有成分、性能等合格证明，且抽样检测均符合要求，因此故障原因与材料无关。

（4）法：型芯制作、材料熔化与浇注及热处理等工艺不尽合理，主要体现在工艺参数和浇注系统不合理，因此工艺方法是造成故障的主要原因。

表1 气缸盖铸造工艺流程表

表2 铸件—工艺关系矩阵

表3 故障模式—工艺关系矩阵

（5）环：型芯制作、材料熔化与浇注及热处理等生产现场的防火、技安、卫生和环境保护等均符合国家法规、法令、标准及有关文件的规定，因此故障原因与生产环境无关。

（6）测：除局部力学性能偏低无法检测外，其余工艺过程均处于受检状态，因此测量不是造成故障的主要原因。

具体故障原因分析见表4。

3 故障影响分析

根据以上分析，建立工艺故障模式相对应的工艺缺陷对下道工序和组件及装备的影响，见表5。

4 风险优先数（RPN）分析

根据生产实际及铸造工艺特点，综合分析的风险优先数见表6。

5 工艺FMEA的实施与验证

对于RPN值高的故障模式，制定了工艺改进措施，目的是为了降低工艺故障模式的严重度（S）、发生概率等级（O）和提高检测度等级（D），使风险降低到可接受的水平。通过基于FMEA的工艺设计，并在试验验证基础上，重新对工艺故障模式的严重度（S）、发生概率等级（O）和检测度等级（D）的变化情况进行分析和评价。PFMEA工作表见表7，从表7可知，改进措施后的工艺故障模式的发生概率等级（O）降低显著，说明达到了降低RPN值的目的。

表4 具体故障原因分析

表5 故障影响

6 实施PFMEA前后效果对比

根据表7可以看出，气缸盖铸造工艺在应用PFMEA前后的发生概率等级（O）下降幅度较大，这就使得产品的可靠性得到了大大提高。实施效果对比如图1所示。

表6 风险优先数（RPN）

图1 实施效果对比示意图

表EA工作FM 7 P表N RP 98 21 21 14 14 N值D RP 7 3 3 2 2后进改O 2 1 1 1 1 S 7 7 7 7 7施况效效效效进行措情有 有 有 有改执 行执 行执 行执执行3 3 3 5责任部门化车熔间10 10 10 10施化优间时为改砂砂膜硅措型盖分气 板进覆通改 成料 除长 铸上铁冷普激替材延将N RP 4 29 5 10 84 70 70用代N值D RP 7 3 3 2 2前进改O 6 5 4 5 5 S 7 7 7 7 7备渗靠渗靠装、可差 、可裂、性开漏裂、开漏响能能能能影件差 性性 性 性障 性件件件 件故组 靠可 铸低铸 铸 铸降 低降 低降 低降序工道无无无无无下7 14 7 3 7 5 10芯制砂膜覆5 24 7 5 7差性差性靠可无因配短短、差、差原 分合理 间 间度速 热力热力障 成 时 时温凝料不 注固慢 导能导能故材比化化率芯冷芯冷净净浇、低 型激型激式模学低度疏学低障 力 孔标渣 、松 力偏故 部能局性针超 夹 缩松松 疏 部能局性功求序要纯液得铝形型件成芯工能 获净 铸状得型获称化名配芯艺净注 砂、化浇制工熔芯制

7 结语

本文通过应用PFMEA技术，及时解决了气缸盖质量故障，使产品的可靠性大大提高。PFMEA技术今后还将更多地用于新产品的试验阶段或生产工艺发生变更时对潜在失效模式及其影响的分析，以达到提高制造品质和产品可靠性的目的。

随着新产品研发，发动机制造过程中越来越多新工艺的出现，工艺可靠性工作也逐渐突显出其重要性，因此，工艺FMEA作为工艺可靠性保证技术，在型号研制过程中如能得到认真应用，则对其装备性能保障和可靠性提升起到极大改善。