过程控制在生产过程中的应用

【摘 要】商用飞机对航空材料的市场需求极为巨大。国产金属材料必须抓住这个机会，实现突破性发展。但目前国产航空金属材料存在材料研制基础薄弱等问题，有必要通过过程控制技术，对供应商建立SPC控制体系；借助过程能力指数评价和控制图的实际应用，对其生产过程进行合理有效监控，从而提高材料的生产过程稳定性，减少波动，降低生产和使用各环节成本。

【关键词】CPK 过程控制 生产过程 Kc

未来20年，全球预计将有13000架以上的单通道喷气客机交付运营。商用飞机对航空材料的市场需求极为巨大。国产材料必须抓住这个机会，实现突破性发展。但是目前国内金属材料存在的主要差距体现在以下方面：

（1）材料研制基础弱：缺乏相关航空材料研制与应用经验。有的目前还缺乏生产条件；有的尽管在设备条件上已具备能力，但关键技术尚待突破；

（2）应用研究不充分：拟采用的国内新研材料，由于工程化研究不足，材料的技术成熟度不高，性能不稳定，没有批量生产和型号使用经验，需要通过大量的工程化研究与验证才可能成功用于C919飞机；

（3）适航认证经验少：由于受到研究经费力度的制约，材料研究工作的覆盖面较窄，可供应的原材料品种规格有限，耐久性损伤容限设计用性能数据和适航审查所需的材料力学性能数据统计值缺乏，缺少对国产材料的适航审定工作经验。

为解决以上问题，有必要通过应用相应的统计分析手段，首先从产品角度解决对产品性能水平和质量稳定性水平的分析、评定；其次从供应商角度，通过要求其建立SPC控制体系，对其生产过程进行合理有效的监控，督促并指导其对产品性能水平和质量稳定性水平进行改进。

例如，波音公司在1996年编发了旨在减少关键特性波动的生产过程持续质量改进方法――D1-9000A“先进质量体系”（Advanced Quality System，AQS）。AQS吸收了国际标准ISO9000的基本质量要求和统计过程控制方法、手段。该体系不断完善，于2000年进行修订，并将其主要内容纳入到公开文件《波音对供应商质量管理体系要求》中。该体系分6方面对关键特性及其波动管理提出了相应的纲领性要求，强调保持产品性能和生产过程稳定的、持续的改进是波音公司战略发展的基础。

以波音的AQS体系为例，关键特性波动控制是AQS持续改进最核心的内容。AQS对关键特性的控制主要分为三步：

（1）对过程和产品进行分析，识别其中的关键特性；

（2）对关键特性和关键国产参数进行评估、控制；

（3）减少波动。

1过程能力指数的应用

目前世界上对材料类产品关键特性的过程能力评估通常采用CPK（Complex Process Capability index）的概念，用来确定流程是否将在可容忍的波动范围内生产。指进入批量生产后，为保证批量生产下的产品品质状况不至于下降，所进行的生产能力分析。由表1可以看出，CPK值越大表示品质越好。而且这里所说的品质好不是单个产品的概念，而是统计上的概念，以CPK=1.67为例，统计上每百万件产品都不出现一件不合格品，对于这样的产品，很显然可以采取比CPK=1.0的产品更为宽松的入厂抽样检验方案，甚至于视情况免检，从而极大提高效率，降低成本。CPK计算公式如下：

不同供应商同一产品的同一关键特性很有可能属于不同分布形式，为了进行有效对比可以采用组内/组间法对关键特性进行CPK计算。该方法对数据分布形式没有要求，适用于对不同供应商数据分析对比，通过与国内外公司相关技术人员的交流，确定以上方法确实可行。组内/组间法计算CPK具有以下优点：

（1）该方法通过将数据分为若干小组，分别计算分组内部的数据变异和分组间（即样本总体）的数据变异，可以有效得到数据的总体稳定性水平；

（2）不同供应商同一材料的性能数据即使不为同一分布形式，也可通过组内/组间法获得可对比的CPK值，从而有效指导对供应商的评级工作；

（3）以金属材料为例，在分组时若按照材料熔炼炉批次分组，则通过其分组内部计算结果可以得到该供应商不同炉批次材料的性能稳定性，结合其生产时间，甚至可以得到该供应商在不同时刻的生产稳定性水平；

（4）使用组内/组间法与使用相应分布的计算方法既可以得到该性能的过程能力水平，还可以通过统计的方法预估该过程在现有生产工艺下可能达到的最高过程能力水平（PPK）。

2控制图的应用

但CPK统计分析只能反映过程的稳定性能力，即只能反映生产过程的结果，并不能有效反映导致过程波动的因素。为对生产过程进行监控，指导其有目的采取改进措施，有必要引入控制图的概念。

常见控制图分两类：计量型控制图和计数型控制图（主要用于供应商生产成本控制），为满足对国产材料质量要求应选择计量型控制图，该类型控制图可以有效监控加工工序。常见的计量型控制图一般要求数据呈正态分布，理想状态下，供应商一直用固定设备、固定生产工艺、固定人员进行同一订单的持续生产（持续时间较长），由加工工序直接反映的性能应为正态分布。但实际情况是，供应商同时接受多个订单，供应商在订单生产完一批材料，很可能需要对设备参数进行调试，以便按其它订单生产。因此即使供应商生产COMAC材料所用设备、人员等一直不变，实际上我们所得到的材料性能数据也很难保证是正态分布。

针对以上问题，可以采用图1：I-MR-R/S控制图（组内/组间单值-移动极差控制图）。该控制图通过组内及组间变异生成控制图，可以反映过程能力等级、组内变异和组间变异，适用于过程变异来源于子组变异和随机错误的情况且对原始数据的分布形式没有要求。

控制图的作用能及时发现异常和缓慢变异，预防不合格品的发生，从而降低消耗；有效低定量判断工序的质量稳定性，从而降低检测费用，是免检的依据；为真正地制定工序目标和规格界限，改进不符合实际能力或经济原则的规格标准提供依据；使工序的质量和成本成为可预测的，并能以较快的速度和准确性测量出系统误差的影响程度，从而提高产品质量。

参考文献：

[1]MMPDS，Metallic Materials PropertiesDevelopment and Standardization

作者简介：张韧（1972―），女，安徽山人，女，本科学历，现任上海飞机设计研究院标准材料设计研究部高级工程师，主要工作方向为金属材料设计用选材。