基于FTA的超硬磨具生产过程质量风险管理研究

第一章 绪论超硬磨具是以金刚石、立方氮化硼等超硬材料磨料作为主料，以树脂、陶瓷、金属等材料作为结合剂，经过物理或化学方法以及特殊工艺处理制成的复合材料磨削工具，见图 1.1。与传统磨具相比，其具有磨削效率高、加工精度高、使用寿命长等优点，在国民经济和精密加工领域起着十分重要的作用。近年来,随着我国经济和科学技术的快速发展,超硬材料磨具行业也取得了长足的进步,一些新材料、新生产工艺和新装备被引进超硬材料磨具的生产和研究中来,促进了超硬材料磨具的发展[1]。超硬磨具属于高性能复合材料制品，是国家十二五;、十三五;重点发展的新材料之一，2021 年工信部确定了 144 家国家级 2021 智能制造综合标准化与新模式应用示范项目，其中高性能超硬材料磨具智能制造新模式;被评为新模式项目。我国超硬材料产量占全世界的 90%，但是高端超硬磨具却主要依赖进口。目前，国内高端超硬磨具市场中，国产超硬磨具的市场占有率不到 23%。相比进口超硬磨具，国产超硬磨具质量和工艺稳定性差，难以满足高精度加工要求，无法完全替代进口产品。1.1选题背景2021 年，超硬磨具中的金刚石砂轮出口量为 2.1 万吨，与 2021 年相比增长 29.7%，出口单价上涨 29.2%，与 2021 年相比，出口量增长 32.3%。这些数据表明，十二五;规划期间，我国超硬材料及制品行业取得长足的进步，进一步巩固了金刚石、CBN 在世界市场的优势地位，获得了国内外市场的认可。2021 年，从我国进口超硬材料及超硬磨具的国家或地区主要有，印度、印度尼西亚、马来西亚、巴西、越南、美国、俄罗斯联邦、巴基斯坦、孟加拉国、阿拉伯联合酋长国等，出口超硬材料及超硬磨具到我国的国家或地区有，奥地利、日本、意大利、德国、台澎金马关税区、韩国、美国、印度等，进口我国超硬磨具的国家大多为工业欠发达国家或地区，对我国出口超硬磨具的国家或地区工业整体较发达，我国超硬磨具的整体性能仍处于中等偏下水平。在我国超硬材料产品占据低端市场的同时，发达国家在高端市场的垄断地位依然未变，体现在居高不下的进出口单价比。从日本市场进口生产超硬磨具用人造金刚石原料来看，2021 年中国金刚石占其进口总量的 51.0%，较 2021 年上升 68.0%，但从单价上可以直接体现出，日本市场的高端用户仍较多采用发达国家的产品，例如美国与中国的单价比为 4.4，韩国为 2.8，爱尔兰为 2.6。根据磨料磨具海关进出口的数据显示，2021年，金刚石砂轮的进口单价与出口单价的比值为 15.9，在国内企业高端产品发展持续向好的今天，产品质量、稳定性等方面与国外企业比仍有较大差距，且持续拉大。超硬材料行业想改变现状，全面振兴国产品牌，依然任重道远[2]。超硬磨具大多是单件小批量订单，设计变更快，质量把控难，生产过程质量事故也时有发生，提高超硬磨具的质量及其稳定性难度很大。如何防控超硬磨具生产过程中各种质量风险事件发生，是超硬磨具高质量顺利生产的关键，也是国产超硬磨具达到和超过进口产品质量必须要解决的问题。........1.2研究目的及意义超硬磨具的生产过程涉及材料成型、机械加工、物流转运等多个学科，超硬磨具的产品种类规格多，生产周期长短不定，质量管理具有复杂性，管理难度大，引入质量风险管理的概念，对于产品质量的提升具有现实指导意义。从企业管理者角度出发，着重生产过程的质量风险管理研究，通过寻找一种有效的质量风险管理办法和措施，保证和提高产品质量水平，增强产品市场竞争力。研究意义主要体现在以下几个方面：（1）有助于提高超硬磨具生产企业的整体质量风险管理水平质量风险管理的深入，有利于提高管理者的风险意识，建立健全超硬磨具生产过程质量风险管控的有效管理机制，保证产品质量的同时，逐步缩短与进口产品的质量差距。目前，我国超硬磨具生产企业在质量风险管理上缺乏风险管控的意识和规范化的制度。质量风险管理的系统化应用，能够使管理者特别是质量管理人员保持足够的质量风险管理意识，并能够逐步提升全员的质量风险管理意识，有利于质量管理计划的顺利推进和质量目标的顺利达成。（2）有助于提高产品质量，促使其替代进口产品，尽快满足国内外高端制造需求。长期以来，中国制造给人以低端制造的印象，超硬磨具也是如此，目前国产超硬磨具的质量甚至不能完全满足国内高端市场需求，更不要说国外高端市场。要走出去，首先要自强，通过对超硬磨具质量风险管理的研究，找出制造过程中的薄弱点，花大力气持续改进，逐步提高产品质量，为产品走出去打下坚实基础，让中国制造的超硬磨具助力高端制造快速发展。（3）凭借同等性能、较低价格，有助于国产超硬磨具出口创汇，助力终端客户降低生产成本。2021 年海关统计到的金刚石及其制品进出口总额达到 13.2 亿美元，其中出口 10.7亿美元，和 2021 年进出口的总额基本持平，进口 2.5 亿美元，出口是进口的四倍多，出进口比值较 2021 年的 3.9 倍又有增长，远高于我国总出、进口额的 1.2 比值，贸易顺差为8.2亿美元，增长明显。随着国产超硬磨具的整体性能逐步追赶并接近进口产品，凭借良好的质量和高性价比，国产超硬磨具的国内外市场需求会快速增长，行业也会快速发展。..........第二章 质量风险管理概述质量风险管理是将风险管理引入质量管理中，最终目的是实现超硬磨具生产过程质量目标。质量管理先后经历了质量检查阶段、统计质量管理阶段和全面质量管理阶段三个阶段。质量检查阶段主要发生在 20 世纪 40 年代以前，特点是专人制造和专人检验，只对产出品进行质量等级划分和报废判别，不注重生产过程预防。统计质量管理阶段发生在二战时期，特点是在质量管理过程中引入统计方法对质量事故进行预测。20 世纪50 年代开始全面质量管理阶段，主要目的是保证产品质量与工作质量，主要特点是全员参与，并具有多指标、全过程、多环节和综合性的特性[3]。质量风险管理是在全面质量管理的基础上引用风险管理的理论，能够有效促进超硬磨具生产过程质量风险管控。目前，超硬磨具企业主要执行 ISO 9001 质量管理体系，企业在主要财务和环境评估方面引入风险管理，在质量管理方面引入较少。一般地，风险管理的过程包括风险识别、风险因素分析与评估和风险应对与控制，现阶段文献的主要研究重点在风险识别和评估方面，对风险应对与控制研究较少[4]。考虑到对超硬磨具的质量风险管理研究在国内外没有丰富的经验和历史数据可以借鉴，本文结合专家知识，使用故障树分析来研究超硬磨具生产过程的质量风险。2.1质量风险管理的主要内容质量风险管理属于风险管理的一部分，历史文献研究中已经将风险的定义、管理内容和管理过程描述的很清晰，Robert Charette 定义 风险是未来要发生的事情，能通过改变今天的行为，降低或消除风险的不良，风险本身具有不确定性;。风险管理作为质量管理的一部分需遵循以下两个原则[5]:（1）风险调查必须基于科学基础和重点客户保护（2）投入水平和文档数量必须与风险水平相对应论文的目的是在超硬磨具的生产管理引入质量风险管理。质量风险管理应该处理现有以及潜在的风险,以防止不良品或废品产生。由于不良品或废品处理周期会导致交货期的延迟以及常规生产订单的耽误，因此大大降低了生产效率。不良品或废品造成的损失不但包括原材料、工时、交期等损失，更有可能会导致客户对产品的不信任。众所周知,解决质量差的产品(不合格品)过程是昂贵的,也是无效的，每一个制造企业都应该寻找新的管控工具来保证产品质量稳定性，并不断改善产品质量。在企业内部，可以从质量数据的可追溯性、质量风险的有效预防等方面加强管理，且需要从小到大持续改进[6]。企业要不断提高质量管理水平，通过有效的管理手段，对质量方针、质量目标的数据进行分析，有针对性的采取纠正和预防措施，并将持续改进作为企业文化的一部分[7,8]，才能不断进步，将产品做大做强。质量风险管理是质量管理的重要组成部分，不准确评估风险会导致产品质量变差、成本增加、客户满意度降低和企业声誉受损。因此，有必要加强质量风险管理过程,将其作为一种方法论在企业内部实施，有效管控风险，同时帮助管理者识别潜在的风险[9]。.........2.2故障树分析（FTA）理论故障树分析（Fault Tree Analysis，FTA）是 20 世纪 60 年发表展起来的用于系统可靠性、安全性分析和风险评价的一种方法[16]。故障树分析(FTA)是一种强大的工具,用于全面风险因素识别和衡量风险大小，利用一定方法找出顶事件的所有直接原因,直到发现基本事件,并可以对基本事件的风险程度进行量化[17]。上世纪 60 年代初，FTA 在航空业中得到应用，1965 年的一次系统安全研讨会上，由华盛顿大学和赞助商波音公司提出了几篇论文,阐述了故障树的分析，报告引起科技人员的重视和应用，推动了 FTA 研究的发展[18]。1974 年，美国麻省理工学院的科研小组发表了著名的核电站压水堆事故风险评估报告，该报告利用的分析技术是事件树分析与故障树分析，它能够分析出当时核电站可能发生的全部潜在事故，这标志故障树分析（FTA）理论已逐步成熟稳重[19]。目前，故障树分析（FTA）已被广泛应用于核能工业、航空航天、机械电子等领域。我国于1987 年颁布了故障树分析程序国家标准（GB/T 7829-1987），并于2009 年由全国统计方法应用标准化技术委员会组织编写了故障树名词术语和符号（GB/T4888-2009）。我国的故障树分析（FTA）技术引进较晚，于1980年首次介绍该技术,目前已在航天航空、核能工业、电子化工等领域被引用。清华大学核能技术研究所研制的多功能故障树,航空航天部研究所将的程序消化移植到微机上,便于推广应用。考虑故障事件之间的依赖关系的故障树分析，杜根提议动态故障树(DFA)[20]。天津大学的陈金水教授提出了用矩阵进行故障树分析的新方法,为故障树的发展开辟了新途径[21]。超硬磨具制造过程包括材料成型和机械加工，在机械领域中，故障树分析（FTA）是机械设备故障分析与诊断的常用工具,使用故障树分析可以直观反映机械故障系统内部的逻辑关系。在系统设计过程中，通过对系统故障的潜在因素进行分析，画出故障树，通过各基本事件的发生概率，计算系统故障概率以及各基本事件的重要度，最后有针对性的采取措施，提高系统可靠性[22]。翁楠曾经对普通磨具的生产制造过程进行质量控制系统研究[23]，开发出树脂磨具设计制造过程计算机辅助质量控制系统，对质量信息进行管理，可以实现设计与加工过程的质量异常诊断。............第三章 超硬磨具生产过程质量风险因素识别....163.1 问卷设计.........173.2 问卷调查人员信息数据统计.............173.3 超硬磨具生产过程中的主要质量问题.....193.4 超硬磨具生产过程中的主要质量风险因素...........21第四章 超硬磨具生产过程质量风险评价........264.1 质量风险故障树（FTA）的建立..........264.1.1 结构函数分析...........264.1.2 故障树的制作...........264.2 质量风险故障树（FTA）的定性分析......354.3 质量风险故障树（FTA）的定量分析......38第五章 超硬磨具生产过程质量风险管理措施....435.1 质量风险应对的基本思路.....435.2 人员类质量风险因素的控制.............435.3 方法类质量风险因素的控制.............45第五章 超硬磨具生产过程质量风险管理措施通过故障树分析，得出超硬磨具生产过程质量事故的基本原因以及各基本事件对顶事件发生的重要度，可针对上述结果进行重点关注、分析，制度出合理的质量风险管控措施。5.1质量风险应对的基本思路质量风险管理的基本思路是，建立质量控制模型，对日常产生的不良品或废品数量和间隔时间等内容进行分析，当一定时间内出现的质量事故数量达到一个安全值时，着重对相关因素进行有针对性的把控，不同程度对应不同程度的管理。经过对超硬磨具生产过程进行故障树分析，得出加工时磕碰、加工时摔坏、装卸磕碰、转运磕碰、看错图纸、上压头与模环间隙大等六种质量风险因素排名前六名，需要重点对待。这六种质量事故的处理主要涉及人员类和方法类质量风险因素的管理，下面特别针对这两类质量风险提管理方案。人在质量管理过程中发挥了重要的作用，质量管理方案需要有专人制定，车间质量管理工作需要由质量管理人员推行，产生质量事故也是操作人员主动上报，如何正确处理人员类质量风险因素是质量管理成功与否的关键。下面着重对车间质量管理人员做能力需求分析，提出针对质量管理人员的质量风险控制方案。车间质量管理员接到事故报告的主要任务是将损失降到最小，如果质量事故没有处理，问题产品继续流转，有可能导致后续加工工序均为无用功。如果后续工序均没有发现和处理该问题，问题产品有可能发给客户，造成更加恶劣的影响，损坏公司名誉。因此，质量事故处理的越及时，原因越早分析出，越早对症下药，造成的损失会越小，但随之对质量管理员的处置能力和专业素质要求更高，在质量管理上的成本投入也越大，因此需要综台考虑质量事故损失和质量管理员能力以及成本投入之间的关系，以保证最小的投入实现最小损失。损失费通常正比于质量事故的严重程度。而质量事故的严重程度与处理是否及时关于，处理是否及时又取决于质量管理员的处置能力和专业素质，质量事故造成的损失最小既与质量管理员的能力关于，由于处置时间是否及时关于，记质量事故发生时刻为 t=0，开始处理时刻为 t=t1，处理完成时刻为 t=t2：设在时刻 t 质量事故质量事故的严重程度为 B(t)，则造成损失的质量事故质量事故的严重程度为 B(t2)，建模时会对函数 B(t)的形式作合理假设。

...........结 论使用故障树分析（FTA）方法对超硬磨具生产过程的质量风险进行研究，能够有效促进了超硬磨具企业质量管理水平的提升。论文通过专家讨论调查问卷和生产现场实际质量事故数据，得出质量风险因素列表和发生概率，利用故障树分析（FTA），对超硬磨具生产过程中人、机、料、法、环等环节中的质量风险因素进行定性分析和定量分析，最终得出加工时磕碰、加工时摔坏、装卸磕碰、转运磕碰、看错图纸、上压头与模环间隙大等质量风险因素需重点关注，并有针对性的提出质量管理思路。在超硬磨具生产过程中，使用故障树分析（FTA）方法对质量风险进行管理研究是一种有益的尝试，体现了在质量管理过程中不断创新、持续改进的管理思路，希望该研究方法能在我国超硬磨具行业质量管理中推广并得到有效应用。本文经过统计实际生产中质量事故的记录，结合问卷调查结果和专家知识对质量风险因素进行识别，由于调查对象的经验和认知参差不齐，识别出的风险因素不会很全面，确定的基本事件概率不太精确，因此，期待在今后的研究中进一步完善问卷设计以便获得更多的准确数据，对比更多的实际质量事故统计数据进一步修订基本事件概率，为故障树分析（FTA）提供更全面的基础数据，使故障树分析更适宜超硬磨具生产过程质量管控要求，有效保障超硬磨具的生产质量。..........参考文献（略）