深入工藝流程 協(xié)同質(zhì)量控制

李國杰、羅普光 /北京航天長征飛行器研究所

航天產(chǎn)品的質(zhì)量控制貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、驗(yàn)收、裝配等各個(gè)環(huán)節(jié)中，但設(shè)計(jì)師系統(tǒng)往往會(huì)將質(zhì)量控制的重心偏向于設(shè)計(jì)和驗(yàn)收環(huán)節(jié)，將生產(chǎn)和裝配環(huán)節(jié)的重點(diǎn)放在生產(chǎn)單位進(jìn)行控制。如果生產(chǎn)和裝配環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制出現(xiàn)問題，往往面臨的是產(chǎn)品報(bào)廢的嚴(yán)重后果，進(jìn)而帶來經(jīng)濟(jì)和進(jìn)度上的雙重困境。因此，如何控制加工工藝和裝配工藝，使之與產(chǎn)品特性相吻合，提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少廢品率顯得尤為重要，筆者重點(diǎn)針對(duì)加工工藝與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法展開論述分析。

一、組合模式的提出

在以往型號(hào)產(chǎn)品研制生產(chǎn)的過程中，設(shè)計(jì)師系統(tǒng)往往關(guān)注設(shè)計(jì)方案先進(jìn)性及可行性，方案設(shè)計(jì)完成后產(chǎn)品以圖紙形式下發(fā)給生產(chǎn)單位，由生產(chǎn)單位制定工藝、模具、操作流程，完成生產(chǎn)、產(chǎn)品檢驗(yàn)，具體流程如圖1 所示。一方面，設(shè)計(jì)師系統(tǒng)只關(guān)注最后的產(chǎn)品檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的中間環(huán)節(jié)狀態(tài)并不清楚，一旦出現(xiàn)檢驗(yàn)問題，對(duì)問題出現(xiàn)的環(huán)節(jié)及原因很難精準(zhǔn)定位，不利于產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)。另一方面，設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品中間狀態(tài)及過程的不清晰，會(huì)導(dǎo)致在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中只追求產(chǎn)品理想性能的提升，忽略實(shí)際生產(chǎn)可行性及生產(chǎn)工藝復(fù)雜程度，導(dǎo)致產(chǎn)品性能與生產(chǎn)工藝不匹配等問題，造成生產(chǎn)成本顯著增加，產(chǎn)品質(zhì)量難以把控。

針對(duì)設(shè)計(jì)師系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品中間狀態(tài)把控不清晰的問題，對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)模式進(jìn)行優(yōu)化，促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工工藝的緊密結(jié)合，讓設(shè)計(jì)師參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)有更深的理解，使得設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)之初就全面考慮產(chǎn)品生產(chǎn)的全流程，充分考慮設(shè)備現(xiàn)狀及工藝復(fù)雜程度，深入工藝量化，提高工藝文件的指導(dǎo)性和可操作性，提前規(guī)避相關(guān)質(zhì)量問題的發(fā)生；同時(shí)，某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題可立即開展攻關(guān)工作，大大提高了產(chǎn)品的研制生產(chǎn)效率，進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量。改進(jìn)后的設(shè)計(jì)生產(chǎn)模式如圖2 所示，具體組合模式為：

圖1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)模式

在產(chǎn)品研制初期，設(shè)計(jì)師系統(tǒng)與產(chǎn)品生產(chǎn)單位應(yīng)采取三維數(shù)字化異地協(xié)同工作形式，充分論證產(chǎn)品工藝可行性；設(shè)計(jì)師系統(tǒng)參與到從工藝、模具、操作到裝配的整個(gè)流程中，直接指導(dǎo)工藝流程的制定和審查，提前識(shí)別生產(chǎn)過程中可能存在的問題，必要時(shí)由設(shè)計(jì)、工藝、操作人員成立攻關(guān)小組進(jìn)行攻關(guān)，保證產(chǎn)品的研制進(jìn)度；由工藝人員將生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)師系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師系統(tǒng)根據(jù)工藝問題對(duì)產(chǎn)品方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品性能與生產(chǎn)工藝的匹配適應(yīng)性，并將改進(jìn)方案落實(shí)到相關(guān)文件中，以試驗(yàn)件產(chǎn)品實(shí)物加以驗(yàn)證，確定產(chǎn)品最終狀態(tài)。

二、結(jié)合工作過程實(shí)施方法

為了確保產(chǎn)品質(zhì)量控制工作取得實(shí)效，設(shè)計(jì)方與承制方可以成立攻關(guān)小組，主要包括設(shè)計(jì)、工藝、模具及操作的相關(guān)人員，設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)產(chǎn)品主要技術(shù)狀態(tài)的把控、參與產(chǎn)品制作全程并進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)；工藝人員負(fù)責(zé)工藝文件落實(shí)、設(shè)計(jì)狀態(tài)復(fù)核反饋；模具及操作人員負(fù)責(zé)模具出圖、模具制作、產(chǎn)品成型、裝配及狀態(tài)控制。

首先，通過三維數(shù)字協(xié)同工作模式，設(shè)計(jì)師與生產(chǎn)單位對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行迭代優(yōu)化后確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，并以藍(lán)圖形式下發(fā)到承制單位；在設(shè)計(jì)方審查認(rèn)可的情況下，由工藝人員將設(shè)計(jì)方案細(xì)化到工藝文件中并下發(fā)到產(chǎn)品生產(chǎn)部門進(jìn)行模具出圖，并對(duì)生產(chǎn)過程中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行預(yù)估；在設(shè)計(jì)與工藝相關(guān)人員同時(shí)在場(chǎng)的情況下進(jìn)行關(guān)鍵產(chǎn)品的制作，對(duì)預(yù)估的工藝難題及新材料、新狀態(tài)匹配適應(yīng)性進(jìn)行充分驗(yàn)證，提前釋放風(fēng)險(xiǎn)，由設(shè)計(jì)方根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)物對(duì)模具特殊狀態(tài)及產(chǎn)品制作流程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，并由工藝記錄以完善工藝文件；進(jìn)行零部件的散態(tài)預(yù)裝配，摸索裝配工藝及裝配流程；進(jìn)行產(chǎn)品正式裝配，驗(yàn)證生產(chǎn)、裝配工藝流程；最后，根據(jù)產(chǎn)品總裝檢測(cè)情況將最優(yōu)方案落實(shí)到工藝文件當(dāng)中，明確工藝文件量化參數(shù)。

三、案例分析

以某型號(hào)產(chǎn)品為典型案例，對(duì)工藝與設(shè)計(jì)相結(jié)合的情況進(jìn)行具體分析。該型號(hào)總體對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量特性的允許偏差很小，而受質(zhì)量、空間、性能指標(biāo)的綜合制約，可調(diào)配度又十分有限，因此對(duì)產(chǎn)品實(shí)物狀態(tài)與理論設(shè)計(jì)狀態(tài)的一致性提出了較高要求。在所有零部件中，預(yù)制殼體是最難以進(jìn)行軸向質(zhì)心控制的部件之一，難點(diǎn)在于組合元素種類較多、數(shù)量大，組合元素的實(shí)際排布與理想狀態(tài)存在一定差異，而且由于質(zhì)量比重較大，其質(zhì)心偏差對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響也是最大的。另外，組合元素的粘接材料在同類產(chǎn)品中屬于首次應(yīng)用，產(chǎn)品適應(yīng)性存在未知隱患。

傳統(tǒng)的預(yù)制殼體制作僅對(duì)組合元素層片的質(zhì)量以及使用組合元素?cái)?shù)量進(jìn)行規(guī)定，并不追究工藝制作過程；工藝人員對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)未能理解認(rèn)識(shí)到位，編制過程中僅依靠自身理解及其它型號(hào)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)編制相關(guān)工藝文件，這就造成了實(shí)際生產(chǎn)中難以控制質(zhì)心偏差和最佳排布的局面，往往會(huì)造成排布間隙不合理以及過大的質(zhì)心偏差。以往型號(hào)研制中對(duì)預(yù)制殼體的質(zhì)量、質(zhì)心偏差允許范圍較大，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程也能滿足型號(hào)要求。本案例中，隨著產(chǎn)品質(zhì)量精細(xì)化控制要求的提高，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)模式已無法滿足需求，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)師系統(tǒng)，將工藝與設(shè)計(jì)相結(jié)合，改進(jìn)以往預(yù)制殼體制作模式，對(duì)工藝過程精確控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能最優(yōu)化。具體方法如下：

圖2 改進(jìn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)模式

首先，通過三維數(shù)字協(xié)同工作模式確定組合元素層片的整體分區(qū)方案，并以藍(lán)圖形式下發(fā)到承制單位，設(shè)計(jì)藍(lán)圖需對(duì)組合元素層片質(zhì)量、質(zhì)心、幾何尺寸、所選組合元素類型、數(shù)量、組合元素粘接材料類型及重量參數(shù)進(jìn)行量化，確保產(chǎn)品性能。

其次，在設(shè)計(jì)方審查認(rèn)可的情況下由工藝將層片分區(qū)方案細(xì)化到工藝文件中，并下發(fā)到層片制作部門進(jìn)行模具出圖，工藝文件主要考慮組合元素層片的實(shí)際生產(chǎn)可行性，將層片沿軸向和周向進(jìn)行劃分，形成若干塊進(jìn)行生產(chǎn)后拼接成型；劃分過程中需同時(shí)考慮各層片塊自身膨脹、收縮、公差的影響，準(zhǔn)確預(yù)估層片塊之間的間隙，確保各層片塊之間的可靠拼接安裝；充分考慮層片制作模具成本，對(duì)層片模具采用通用化設(shè)計(jì)，通過模具組合使用實(shí)現(xiàn)不同類型層片的制作。

第三，在設(shè)計(jì)與工藝同時(shí)在場(chǎng)的情況下進(jìn)行組合元素層片塊的發(fā)泡制作，制作過程需對(duì)組合元素參數(shù)（材料類型、力學(xué)性能、尺寸規(guī)格、數(shù)量、排布方式）、粘接劑參數(shù)（材料類型、規(guī)格牌號(hào)、配比、質(zhì)量）、模具姿態(tài)、模具預(yù)熱溫度、層片發(fā)泡方向、發(fā)泡溫度、發(fā)泡時(shí)間、固化時(shí)間溫度曲線、冷卻流程、退模溫度、退模方向等參數(shù)逐一進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)制作完成后的層片變形量、最終質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)。制作過程中首先驗(yàn)證新用粘接材料與組合元素的匹配適應(yīng)性，同時(shí)制作過程中設(shè)計(jì)方根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)物對(duì)制作流程及組合元素排布方案等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，組合元素層片塊通過檢驗(yàn)合格后對(duì)制作工藝流程進(jìn)行固化。進(jìn)行零部件散態(tài)預(yù)裝配，對(duì)每一個(gè)層片塊質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)組合元素層片總質(zhì)量、質(zhì)心要求，對(duì)層片組件之間的間隙進(jìn)行局部調(diào)整，將拼裝成的組合元素層片的質(zhì)心調(diào)整到理想狀態(tài)，調(diào)整確定每一個(gè)層片塊位置后在產(chǎn)品金屬殼體劃線，對(duì)每一個(gè)層片位置進(jìn)行固定。

第四，預(yù)制殼體正式裝配，金屬殼體預(yù)熱至溫度要求后，將組合元素層片塊粘接至金屬殼體固定位置，各層片塊之間縫隙采用密封膠進(jìn)行密封，粘接膠固化后對(duì)預(yù)制殼體質(zhì)量特性進(jìn)行測(cè)量、統(tǒng)計(jì)。

最后，根據(jù)預(yù)制殼體成品檢測(cè)情況對(duì)工藝參數(shù)范圍進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)整，將組合元素層片的最優(yōu)方案落實(shí)到工藝文件當(dāng)中，工藝文件需對(duì)生產(chǎn)過程中的人員、設(shè)備、材料、環(huán)境、生產(chǎn)流程、工藝參數(shù)等形成明確量化要求，以便生產(chǎn)人員有效執(zhí)行，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。

通過上述措施將設(shè)計(jì)與工藝高效結(jié)合，該型號(hào)產(chǎn)品預(yù)制殼體在質(zhì)心控制、膠料發(fā)泡缺陷控制等方面取得了顯著效果，順利解決了這一關(guān)鍵技術(shù)，提高了產(chǎn)品整體質(zhì)量特性的可控性，避免了質(zhì)心超差和發(fā)泡氣體殘留問題帶來的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。具體來講，工作啟動(dòng)前的模裝產(chǎn)品采用通用工藝方案進(jìn)行制作，模裝結(jié)果發(fā)現(xiàn)其軸向質(zhì)心超差約10mm，同時(shí)出現(xiàn)了“鼓包”現(xiàn)象，這將最終導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)心超差并出現(xiàn)安全隱患。采用工藝與設(shè)計(jì)相結(jié)合的工作方式后，有效糾正了這一偏差，試驗(yàn)件實(shí)測(cè)質(zhì)心能夠控制在理論值±1mm 范圍內(nèi)，控制精度實(shí)現(xiàn)質(zhì)的提升；另外，攻關(guān)過程中排查出了多個(gè)極隱蔽的現(xiàn)場(chǎng)問題，如層片制作時(shí)模具姿態(tài)問題、模具過熱問題、組合元素排布優(yōu)化方案問題等，通過采用設(shè)計(jì)方提出的多項(xiàng)有效解決措施，問題均得以有效解決并落實(shí)到相關(guān)工藝文件中。

四、經(jīng)驗(yàn)分享

通過該型號(hào)產(chǎn)品預(yù)制殼體制作與裝配過程中的質(zhì)量控制工作過程，可以看到以工藝與設(shè)計(jì)相結(jié)合方式來控制產(chǎn)品質(zhì)量的重要性。首先，工藝應(yīng)提前參與到設(shè)計(jì)當(dāng)中，可對(duì)生產(chǎn)過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)提前識(shí)別并開展專項(xiàng)攻關(guān)，增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性和工藝經(jīng)濟(jì)性；其次，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)全程跟蹤產(chǎn)品制作過程，了解并指導(dǎo)完善工藝文件和規(guī)范操作流程，進(jìn)一步識(shí)別出生產(chǎn)過程中的薄弱環(huán)節(jié)，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)通過合理制定工藝控制范圍，從而盡可能杜絕產(chǎn)品生產(chǎn)過程中存在或產(chǎn)生隱蔽質(zhì)量或安全隱患。該設(shè)計(jì)方法已推廣應(yīng)用至其它型號(hào)產(chǎn)品的研制生產(chǎn)，可大幅度提升產(chǎn)品的研制周期與效率，減少產(chǎn)品質(zhì)量問題的發(fā)生，滿足航天產(chǎn)品高效、精細(xì)化的發(fā)展需求。