精益工藝設計平臺的構建與應用

牛帥帥、杜建國、秦俊、駱新營、常軍 /山西航天清華裝備有限責任公司

隨著工業(yè)制造4.0、中國制造2025 的穩(wěn)步推進，數(shù)字化制造已成為制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。在黨的十九大報告中，習近平總書記首次提出了“數(shù)字中國”的概念，并在主持中央政治局就國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略進行的第二次集體學習時強調“加快建設數(shù)字中國”“構建以數(shù)據(jù)為關鍵要素的數(shù)字經濟”；航天科技集團第七次工作會做出“形成數(shù)字航天框架，發(fā)展效率和效益大幅提升，初步建成世界一流航天企業(yè)集團”戰(zhàn)略部署，提出了“建設數(shù)字航天，推動航天數(shù)字化產品、數(shù)字化研制、數(shù)字化管理和數(shù)字化產業(yè)協(xié)同發(fā)展”，將“到2020 年全面完成‘十三五’規(guī)劃目標，形成數(shù)字航天框架，到2030 年，基本實現(xiàn)數(shù)字航天”作為戰(zhàn)略安排；在“數(shù)字一院1.0”總體方案報告中也提出了“數(shù)字一院”的戰(zhàn)略部署，實現(xiàn)“經營管控信息化、科研生產數(shù)字化、信息基礎平臺化”建設目標。

山西航天清華裝備有限責任公司作為航天制造企業(yè)，是我國制造業(yè)的排頭兵，必然向著數(shù)字化制造方向邁進。在“科研生產數(shù)字化”目標建設中，數(shù)字化精益工藝設計是數(shù)字化制造的基礎，面對數(shù)字化航天制造的需求，公司已在前期進行了精細化工藝及通用工藝設計，為數(shù)字化精益工藝設計奠定了基礎，實現(xiàn)了在精益工藝設計上的零突破。

精益工藝設計必須依托數(shù)字化設計平臺來實現(xiàn)，雖然公司目前已具備了基于TC 的數(shù)字化系統(tǒng)，但該系統(tǒng)僅僅解決了精益工藝設計及數(shù)字化制造工具有無的問題，還缺乏重要及核心的工藝技術知識積累，因此，著手搭建數(shù)字化精益工藝設計平臺并實現(xiàn)一定的數(shù)字化精益工藝設計能力就顯得尤為重要。

工藝人員頻繁更替，原則上一名新進工藝人員至少需要6 個月至1 年的時間才能對產品有所了解并進行簡單產品的工藝設計，而產品的生產周期也僅有1 年，實際情況是新進工藝人員往往在能力不足的情況下即開始進行產品的工藝設計，因此，在工藝設計時，不僅設計效率低，漏項或錯項現(xiàn)象也頻繁發(fā)生，對校對和審核人員造成了過重的負擔，最終效果是事倍功半；同時，各類質量問題頻繁出現(xiàn)，且質量問題發(fā)生后，只有當事人最清楚事情原委，廠內對質量問題舉一反三不足，其余人員則知悉程度不夠，且隨著時間的推移而遺忘，在新產品工藝設計時，質量問題無法得到很好的舉一反三。

一、工作與實踐

1.現(xiàn)狀調查

公司自2017 年以來，承擔的產品種類及數(shù)量成數(shù)倍增長，但交付周期卻越來越緊，從下發(fā)任務分工到產成品交付，周期最長也僅有1 年左右，每次生產任務下發(fā)后，整車數(shù)千個零部件給工藝人員進行工藝設計的時間也僅有1 個月，而BOM 搭建和數(shù)據(jù)處理工作就要占據(jù)工藝設計時間的1/3，工藝人員進行工藝設計的時間僅剩20 天。

工藝人員頻繁更替，原則上一名新進工藝人員至少需要6 個月至1 年的時間才能對產品有所了解并進行簡單產品的工藝設計，而產品的生產周期也僅有1 年，實際情況是新進工藝人員往往在能力不足的情況下即開始進行產品的工藝設計，因此，在工藝設計時，不僅設計效率低，漏項或錯項現(xiàn)象也頻繁發(fā)生，對校對和審核人員造成了過重的負擔，最終效果是事倍功半；同時，各類質量問題頻繁 出 現(xiàn)， 且質量問題發(fā)生后，只有當事人最清楚事情原委，廠內對質量問題舉一反三不足，其余人員則知悉程度不夠，且隨著時間的推移而遺忘，在新產品工藝設計時，質量問題無法得到很好的舉一反三。

經統(tǒng)計，僅2019 年，工藝人員編制各類報告多達230 余項，報告數(shù)量多，每次給工藝人員編制報告的時間非常有限，一般不超過1 周，有的報告編制甚至只有半天至1 天的時間，再加上工藝報告種類多，有20 余種，報告編制人員對每個報告的理解不盡相同，報告編制時難免出現(xiàn)漏項、多項或錯項的現(xiàn)象，給參會專家留下了不好的印象。

工藝人員在進行新產品工藝設計時，要求工藝人員有非常廣的知識面，包括原材料、金屬切削及成型、鈑金加工、金屬聯(lián)接等九大技術專業(yè)，同時對每個專業(yè)相關的知識都有一定程度的了解，如圖1 所示。目前現(xiàn)狀是崗位需求和人員配套之間非常不平衡，尤其是對于關重產品，更需要工藝人員過硬的技術水平，同時關重產品往往還需要進行大量工藝試驗才能摸索出加工參數(shù)等，試驗周期長，對交付周期造成一定影響，各類問題的占比情況如圖2 所示。

圖1 機械加工工藝技術專業(yè)結構樹

圖2 各類問題占比圖

2.對策實施

（1）開展典型工藝梳理，實現(xiàn)工藝標準化、規(guī)范化設計

經過t檢驗，兩組治療前單項癥狀評分比較無顯著性差異（P＞0.05），具有可比性，治療后單項癥狀評分比較，P＜0.05，說明中藥治療組療效優(yōu)于西藥治療組（見表2）。

對制造工藝按專業(yè)及產品類別進行細分，一方面設定標準工藝模板，脫離具體產品，以相似的加工方法、加工特征，按照專業(yè)劃分提煉出可以直接選用的一系列基礎工藝，以便在進行精細化工藝設計時直接選用；另一方面進行模塊化工藝設計，將數(shù)控加工、焊接、熱表處理、裝配等工藝設計過程與典型工藝庫、典型工序或術語庫、工藝參數(shù)庫、工藝知識庫、工藝仿真等活動集成起來，實現(xiàn)快速、智能的模塊化工藝設計。

（2）建立工藝結構化設計準則，推進工藝數(shù)據(jù)庫、知識庫建設

通過分析工藝文件編制、工藝文件使用的相關需求，從工藝文件架構結構化和工藝要素的結構化兩方面，研究提出典型專業(yè)、典型產品工藝文件結構化設計準則及格式模板，同時積極推進工藝數(shù)據(jù)庫、知識庫的建設，實現(xiàn)快速工藝設計，提高工藝設計效率、正確率及工藝文件設計的一致性。

（3）編制各類報告模板，提高報告編制的效率及質量

通過查閱標準及上級文件，對常用報告模板進行編制并統(tǒng)一格式，對模板中報告編制事項進行規(guī)范化，報告編制內容進行細化，在報告編制時實現(xiàn)模塊化，對通用內容進行刪減即可，對專用內容分類填寫，提高報告編制效率和質量。

（4）建立工藝仿真規(guī)范，形成虛擬驗證能力

工藝仿真是提升工藝設計水平，降低工藝過程風險，節(jié)約生產制造資源的有效手段，通過梳理我公司應用相對較多、效果相對較好的典型制造專業(yè)，進行以數(shù)控加工、焊接、熱處理及裝配為主的工藝仿真工作，形成工藝仿真規(guī)范和數(shù)據(jù)庫，對實施工藝仿真的時機、對象、流程、方式方法、邊界條件等進行規(guī)范，形成工藝仿真標準，最終實現(xiàn)關重產品的仿真覆蓋。

（5）搭建數(shù)字化精益工藝設計平臺，初步實現(xiàn)數(shù)字化精益工藝設計能力

典型工藝設計：公司內現(xiàn)涉及機加、裝配、焊接、噴漆、發(fā)泡等典型工藝，涉及車削、銑削、表面處理等典型工序，通過梳理初步完成涵蓋各類試料、軸類、盤類零件機加，裝配、焊接、熱處理等典型工藝439 項，針對熱處理典型工藝，分別按常用材料進行細化進一步提高工藝設計效率，同時，完成涵蓋銑削、拋光、表面處理等典型工序12 項。

二、實踐效果

1.標準工藝、典型工藝設計

典型工藝設計：公司內現(xiàn)涉及機加、裝配、焊接、噴漆、發(fā)泡等典型工藝， 涉 及 車削、銑削、表面處理等典型工序，通過梳理初步完成涵蓋各類試料、軸類、盤類零件機加，裝配、焊接、熱處理等典型工藝439 項，針對熱處理典型工藝，分別按常用材料進行細化進一步提高工藝設計效率，同時，完成涵蓋銑削、拋光、表面處理等典型工序12 項。

公司典型工步（術語庫）涉及裝配、機加、熱處理、表面處理、噴漆等，已初步完成裝配、機加、熱處理等典型工步內容的編制，共計296 項。

2.工藝知識庫的建立

初步建成了涵蓋工藝工作管理要求、日常工作指導書、通用參考資料、工藝常用標準、典型培訓資料、舉一反三知識庫、典型質量案例、工藝參數(shù)庫等20 余項內容的工藝知識庫。

完成機加（如各切削參數(shù)、刀具參數(shù)等）、焊接（如焊接參數(shù)）等常用加工工藝參數(shù)的整理和上傳，TC 設置工藝參數(shù)庫，目前焊接通用工藝編制40 項，機加通用工藝編制34 項，包括焊接方法、焊接類別、焊接參數(shù)、機加參數(shù)、刀具類型等常用參數(shù)內容，方便車間操作者選用。

初步建成由各類歸零報告、技術分析報告等組成的故障案例庫，共計40 余項，并按《產品歸零項目舉一反三要點》模板進行知識點的提煉、匯總及上傳，方便工藝人員隨時查閱，預防類似問題的發(fā)生。

3.工藝仿真能力建設

公司針對機加、焊接、熱處理仿真內容，舉辦了2 次仿真大賽，包括熱處理仿真溫度應力變化、復雜零部件的車銑加工、產品總裝模擬、各類接頭焊接過程仿真等，使工藝人員對仿真軟件初步得到了熟悉，為后續(xù)工藝仿真的時機、對象、流程、方式方法、邊界條件等進一步規(guī)范奠定了基礎，同時完成了機加仿真標準、應力仿真標準、焊接仿真標準、模裝仿真標準、熱處理仿真標準的制定，在進行工藝仿真的同時，結合產品工藝特點，形成相關標準規(guī)范，進一步提高公司仿真能力建設。

4.報告模板編制

為實現(xiàn)各類工藝報告模板的固化，形成格式化內容，保證報告的完整性和一致性，提升報告編制效率和質量，將單據(jù)和報告進行模塊嵌入，通過新建各類報告模板，將相關名稱、文件編號、階段標記等各項內容填寫完整，通過電子流程，完成相關簽署，目前已完成所有工藝報告25 項模板的編制，見表1。

表1 報告模板完成情況匯總

5.搭建數(shù)字化精益工藝設計平臺，初步實現(xiàn)數(shù)字化精益工藝設計能力

在進行新產品工藝設計時，針對典型零部件可通過選擇典型工藝進行創(chuàng)建，創(chuàng)建完成后只須對典型工藝內容進行修改即可，保證工藝的一致性，同時可快速提供工藝編制效率。

將機加、焊接、熱表處理、總裝等工藝設計過程與典型工藝庫、典型工序或術語庫、工藝參數(shù)庫、材料特性庫、工藝知識庫、基礎制造資源庫、工藝仿真等活動集成起來，實現(xiàn)快速、智能的模塊化工藝設計，將模塊化工藝設計落實在產品中，以熱處理工藝為突破口，通過熱處理方式、材質、工件形狀、熱處理爐等要素分類、選用及工藝處理，達到自動生成熱處理工藝的目的，目前已完成公司內常用材料熱處理方法的參數(shù)收集和整理。

三、后續(xù)思路

企業(yè)發(fā)展追求的是利益最大化，一個企業(yè)的工藝設計水平決定了企業(yè)未來發(fā)展的高度，只有工藝設計精益化，才能實現(xiàn)生產精益化，因此推行精益工藝設計工作對于企業(yè)發(fā)展而言至關重要。

公司在精益工藝設計工作上，充分結合產品特點，提高工藝設計的科學性、有效性和設計效率。利用精益工藝設計平臺，新進廠工藝人員在進行工藝設計時，通過對工藝知識庫中定型問題的學習，可以盡快地融入新的工作崗位，最大限度地選用典型工藝、典型工步，引用典型術語庫，引用報告模板，通過精益工藝設計，提高工藝設計效率，降低典型零部件的工藝設計差錯率，提高報告編制效率，節(jié)省新人培訓時間。

雖然目前公司在精益工藝設計工作上取得了一定的成績，但是，與國外先進生產制造工藝相比還存在非常大的差距，后續(xù)還要在數(shù)字化精益工藝設計上繼續(xù)開展工作，進一步推進工藝設計的數(shù)字化、智能化，提高工藝設計效率和質量，滿足產品高質量、高效率的交付需求。