產(chǎn)品研制環(huán)節(jié)對機(jī)械裝備品質(zhì)的影響研究

冀 海， 張金豹， 胡 錚， 桂 鵬， 鄒天剛， 張金鑫

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

對于機(jī)械產(chǎn)品(以下簡稱：產(chǎn)品)研制，工程師會(huì)從設(shè)計(jì)技術(shù)、工藝、材料等一些方面開展工作，但是很少把研制過程所有相關(guān)的方面綜合考慮，并且把與品質(zhì)相關(guān)的各環(huán)節(jié)都進(jìn)行充分的研究，這樣往往會(huì)事倍功半，難于研制出優(yōu)良品質(zhì)的產(chǎn)品[1].現(xiàn)階段提出的數(shù)字孿生，能夠從全壽命周期內(nèi)對復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行研制，綜合考慮和產(chǎn)品品質(zhì)相關(guān)的各個(gè)階段環(huán)節(jié)，并且參與或控制各個(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)，不遺漏可能引起品質(zhì)的因素，才可以最終研制出優(yōu)良的產(chǎn)品[2].尤其在軍事領(lǐng)域內(nèi)，機(jī)械裝備需要高可靠性、高機(jī)動(dòng)性以及高環(huán)境適應(yīng)性.雖然目前投入了大量的人力物力，各類問題也得到緩解，但問題依舊層出不窮.究其原因，就是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過程中沒有形成有效的產(chǎn)品研發(fā)策略，研發(fā)初期專業(yè)知識(shí)積累不足[3].因此本文對產(chǎn)品研發(fā)策略進(jìn)行梳理和討論，為機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)提供有效支持.

1 方案與詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

1.1 方案與設(shè)計(jì)內(nèi)容

產(chǎn)品的研制過程在明確了任務(wù)要求和技術(shù)要求后，即開始進(jìn)入方案與詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，其中，方案與詳細(xì)設(shè)計(jì)階段是整個(gè)研制過程的靈魂部分.方案與詳細(xì)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品研制過程的成敗，此部分也是造成同類產(chǎn)品不同性能和可靠性水平的關(guān)鍵，但是落后的研制方式對其重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠.

落后的研制方式一般都是因?yàn)榉桨负驮O(shè)計(jì)階段時(shí)間短、任務(wù)緊，工程師待遇低、門檻低且不受到重視，有經(jīng)驗(yàn)的工程師很多都不愿繼續(xù)做設(shè)計(jì)工作，轉(zhuǎn)型為待遇更好的管理人員、銷售或者其他崗位；部分在職的工程師也不能全身心地投入到設(shè)計(jì)研制過程中，甚至是應(yīng)付的態(tài)度.所以，傳統(tǒng)落后的研制方案和設(shè)計(jì)一般都做得較差，而且在一個(gè)項(xiàng)目完成后，沒有對該產(chǎn)品或者其系列產(chǎn)品沒有持續(xù)的優(yōu)化，后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量和發(fā)展都很容易出現(xiàn)問題.

國外先進(jìn)團(tuán)隊(duì)與落后團(tuán)隊(duì)的產(chǎn)品研制周期比例有較大區(qū)別，研制周期的趨勢對比如圖1所示，先進(jìn)團(tuán)隊(duì)研制方案和設(shè)計(jì)階段時(shí)間很長，基本可以占到產(chǎn)品研制的一半左右，目的是做到完美接近苛刻的設(shè)計(jì)，效果是使得后續(xù)的過程尤其是維修階段變得簡單，并且會(huì)大幅降低成本.而落后的產(chǎn)品研制方式，設(shè)計(jì)階段很快，后續(xù)過程則非常長，直接導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量差，甚至研制失敗，不能制造出正常功能和可靠性的產(chǎn)品.或者，產(chǎn)品研制成型，但需要不斷地維修改造，維修階段的時(shí)間就會(huì)超過正常的研制周期，最終成本將會(huì)大幅增加.當(dāng)然，設(shè)計(jì)理念和思路也會(huì)隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，逐步發(fā)生變化，可以逐步對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化[4].比如在很多時(shí)候，工程師因?yàn)楦鞣N原因被迫在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)工作，根本不可能全面詳細(xì)地考慮各個(gè)環(huán)節(jié)，沒有充分的時(shí)間反復(fù)推敲和比較方案的細(xì)節(jié)，往往在短時(shí)間內(nèi)匆匆完成方案設(shè)計(jì)，形成巨大的隱患.

總之，設(shè)計(jì)階段在產(chǎn)品研制過程中具有重要地位，需要特別重視，減少產(chǎn)品研制后期出現(xiàn)問題的風(fēng)險(xiǎn)，使得產(chǎn)品研制向著高端可靠的目標(biāo)出發(fā).

1.2 輔助設(shè)計(jì)工具

計(jì)算分析是產(chǎn)品研制過程的必要步驟，根據(jù)經(jīng)典的公式完成零部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、齒輪修形、強(qiáng)度和壽命計(jì)算等等，有的也可以通過先進(jìn)的計(jì)算軟件來開展計(jì)算，非常方便而且準(zhǔn)確[5].

仿真軟件是計(jì)算分析軟件的一種，近些年相當(dāng)盛行，無論是高校還是科研單位都非常重視，甚至把仿真軟件的使用作為考核指標(biāo).仿真軟件是產(chǎn)品研制的一種先進(jìn)工具，其種類繁多，有的可以分析零部件所受的應(yīng)力和強(qiáng)度等，有的可以模擬計(jì)算流體的流動(dòng)，甚至流體的氣穴現(xiàn)象.這些軟件可以把產(chǎn)品的計(jì)算結(jié)果直觀化，給產(chǎn)品研制帶來了很多便利，如圖2所示.但是，由于近年積極推進(jìn)仿真軟件國產(chǎn)化，導(dǎo)致國內(nèi)各類軟件層出不窮，計(jì)算精度、計(jì)算時(shí)間和適用范圍差別極大，往往與產(chǎn)品的試驗(yàn)結(jié)果相去較遠(yuǎn).所以，工程師需要在掌握扎實(shí)專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，充分利用好適合本專業(yè)的仿真軟件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì).

1.3 技術(shù)文件

產(chǎn)品研制中的過程技術(shù)文件準(zhǔn)備及梳理是產(chǎn)品研制過程的重要部分，如圖3所示[6-7].各類研制過程中的文件記錄，會(huì)幫助工程師分析和研究整個(gè)設(shè)計(jì)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括技術(shù)要求書、技術(shù)說明書、會(huì)議紀(jì)要與總結(jié)、圖紙更改說明、技術(shù)總結(jié)、研制歷程、計(jì)算書和各類大綱報(bào)告等.這些技術(shù)文件通過及時(shí)整理，使得研制過程文件系統(tǒng)化，形成知識(shí)積累，幫助工程師記憶和分析研制過程，并方便查閱過往的工作內(nèi)容，為數(shù)據(jù)庫的建立和數(shù)字孿生奠定基礎(chǔ).另外，大部分文件是伴隨整個(gè)研制過程的，將指導(dǎo)研制過程并不斷優(yōu)化和完善.并且隨著產(chǎn)品的不斷更新優(yōu)化，文件也要一直更新下去.

此外，關(guān)于工作內(nèi)容總結(jié)報(bào)告的編寫也非常重要.無論是一個(gè)零件的計(jì)算，還是一個(gè)試驗(yàn)的開展，大多數(shù)的工作內(nèi)容都需要進(jìn)行報(bào)告的編寫，是部分內(nèi)容的記錄和總結(jié)，方便以后的查閱和研究使用.報(bào)告作為工作任務(wù)的階段性文件，需要簡單、清晰、明了，說明情況即可，切不可為了應(yīng)付上級檢查或者其他原因而拖沓冗長，這樣反而會(huì)使得別人很難理解且完整地讀下去，并且還會(huì)造成長時(shí)間后自己也不能清晰地理解當(dāng)初的內(nèi)容，這點(diǎn)在研制過程中非常重要.

對于設(shè)計(jì)工程師而言，平時(shí)應(yīng)該注意對于產(chǎn)品資料和知識(shí)的收集和總結(jié)，這樣在開始研制產(chǎn)品時(shí)，就不會(huì)是從零開始.沒有知識(shí)的積累和總結(jié)，產(chǎn)品的研制在開始時(shí)會(huì)非常艱難，并且會(huì)影響產(chǎn)品的研制進(jìn)程和結(jié)果.平時(shí)收集感興趣的知識(shí)材料，并及時(shí)進(jìn)行整理和總結(jié)，這項(xiàng)內(nèi)容不僅有助于研制產(chǎn)品，甚至對工程師工作和學(xué)習(xí)，都會(huì)非常有幫助.這項(xiàng)內(nèi)容也是工程師應(yīng)該具備的基本能力.

2 加工階段

2.1 產(chǎn)品零件加工

產(chǎn)品研制過程在完成階段性設(shè)計(jì)工作后，會(huì)轉(zhuǎn)入加工試制階段.加工試制階段是整個(gè)研制過程的關(guān)鍵部分，此過程由加工單位負(fù)責(zé)，但是需要設(shè)計(jì)工程師參與進(jìn)去，經(jīng)過不斷的溝通和討論，確定加工工藝方案，設(shè)計(jì)人員還要考慮裝配工裝、計(jì)量工裝和加工工裝的設(shè)計(jì)工作.現(xiàn)在很多單位，設(shè)計(jì)人員缺乏與生產(chǎn)廠家工藝人員的溝通，對冷加工、熱加工、表面處理等工藝?yán)斫庥邢?，很少或懶于和工藝人員學(xué)習(xí)、了解和討論，認(rèn)為不是自己的責(zé)任范圍，這樣產(chǎn)品加工工藝編制往往會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)楣に嚾藛T對產(chǎn)品一般是不能準(zhǔn)確理解的，導(dǎo)致產(chǎn)品最終性能和可靠性出現(xiàn)問題.

設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)入工廠，與工藝人員討論自己產(chǎn)品(圖紙)和加工過程，討論工藝的難度和必要性，并及時(shí)地優(yōu)化圖紙，而不是送出圖紙就萬事大吉，工藝和加工和自己沒有關(guān)系.而工藝人員又不得不遵照錯(cuò)誤或者不合理的圖紙，去制定不夠合理的工藝，最終導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量差或者報(bào)廢.因此，在產(chǎn)品和工藝之間需要進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，形成反饋，以便及時(shí)修正，節(jié)約出廠時(shí)間和返修成本[7].

另外，工廠的質(zhì)量管理是生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的保證，也是產(chǎn)品研制需要特別關(guān)注的部分.很多工廠質(zhì)量體系不完善，或者質(zhì)量部門不能很好地行使權(quán)利，使得產(chǎn)品的質(zhì)量管控出現(xiàn)很多漏洞，這對產(chǎn)品的研制是非常致命的，不管其他的步驟做的多么出色，產(chǎn)品都很難研制成功.所以，無論工廠規(guī)模大小或者性質(zhì)如何，應(yīng)該配備專門的技術(shù)人員，監(jiān)管每一個(gè)生產(chǎn)的環(huán)節(jié)，例如：零件尺寸的檢測、部件裝配的控制、零件的熱處理和零部件的外包，保證生產(chǎn)的產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)的要求，或者經(jīng)過設(shè)計(jì)工程師認(rèn)可的超差結(jié)果.工廠的質(zhì)量控制是產(chǎn)品研制的必要途徑.

2.2 裝配

對于裝配過程，有些設(shè)計(jì)單位往往對產(chǎn)品的裝配過程重視程度有限，只是提出裝配要求，設(shè)計(jì)工程師不會(huì)親自參與產(chǎn)品的裝配.實(shí)際上，產(chǎn)品的裝配過程是整個(gè)研制過程的重要部分，是制造過程中的重要環(huán)節(jié)，裝配過程的優(yōu)劣會(huì)直接影響到產(chǎn)品的性能和可靠性.

首先，產(chǎn)品的裝配需要有裝配大綱，這是最基本的文件，工藝方面還需要裝配工藝文件.其次，設(shè)計(jì)人員還需要根據(jù)裝配過程配合工藝人員，準(zhǔn)備裝配工裝，這點(diǎn)傳統(tǒng)上設(shè)計(jì)人員很少參與，一般由工藝人員完成，可工藝人員往往對產(chǎn)品的要求不夠明確，對產(chǎn)品的特點(diǎn)不夠了解，一般不能很好地理解科學(xué)的裝配過程，可能會(huì)因?yàn)檠b配過程出現(xiàn)質(zhì)量問題，例如高壓管路的裝配，非專業(yè)的管路工藝工程師非常匱乏其裝配知識(shí).所以設(shè)計(jì)人員應(yīng)該負(fù)責(zé)并控制產(chǎn)品的裝配過程，根據(jù)工藝人員的建議設(shè)計(jì)裝配工裝，掌握裝配過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，尤其是裝配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，例如油封的裝配，齒輪的裝配等.此外，裝配的過程應(yīng)盡量避免暴力裝配，暴力裝配通常會(huì)影響產(chǎn)品的性能和壽命，如圖4所示，例如軸承的裝配可以通過加熱或者冷卻的方法裝配；油封的裝配可以通過設(shè)計(jì)專用工裝進(jìn)行裝配.

2.3 計(jì)量檢測

產(chǎn)品的研制過程中，零部件的計(jì)量檢測是產(chǎn)品研制的中間環(huán)節(jié)和重要步驟，是檢驗(yàn)加工制造和設(shè)計(jì)要求的對應(yīng)關(guān)系的手段.如果計(jì)量檢測出現(xiàn)了差錯(cuò)，把不合格的零部件檢測為合格，將很可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)故障，并且很難追溯到失敗的源頭.計(jì)量檢測一般包括尺寸計(jì)量、形位公差計(jì)量、粗糙度計(jì)量、硬度計(jì)量和金相檢驗(yàn)等，按類別可以分為加工計(jì)量、熱處理結(jié)果檢測和材料檢測[9].工欲善其事必先利其器，計(jì)量檢測需要有專業(yè)精密的設(shè)備和技術(shù)人員來完成.

計(jì)量檢測的過程是容易出現(xiàn)差錯(cuò)的步驟，因?yàn)闄z測技術(shù)人員對新產(chǎn)品的研制不熟悉，雖然有具體的檢測要求，但是在檢測過程中還是會(huì)把一些主觀的思路帶到檢測過程中，導(dǎo)致檢測的結(jié)果出現(xiàn)偏差，如圖5所示.因此，檢測過程最好有工藝文件，并且經(jīng)過與設(shè)計(jì)人員的討論決定，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員最了解新研制產(chǎn)品的工況，知道各個(gè)檢測單元細(xì)節(jié)的不同要求.此外，設(shè)計(jì)人員最好參與產(chǎn)品的檢測過程，觀摩整個(gè)檢測過程，甚至在過程中提出自己的疑問和見解，討論后完成檢測過程.對于關(guān)重零部件的檢測，更要嚴(yán)格把關(guān)不能出現(xiàn)紕漏.總之，設(shè)計(jì)工程師要控制產(chǎn)品研制過程的每一個(gè)細(xì)節(jié)，把正確的設(shè)計(jì)完整地體現(xiàn)到產(chǎn)品中.

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)驗(yàn)證是產(chǎn)品研制的檢驗(yàn)過程，可以充分暴露研制過程中存在的問題，可以檢驗(yàn)產(chǎn)品的性能和可靠性，最終決定產(chǎn)品研制的成敗.根據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證過程中出現(xiàn)的問題反向分析，找出故障的原因并改正優(yōu)化.另外，試驗(yàn)驗(yàn)證可以對產(chǎn)品是否合格給出結(jié)論，如果達(dá)到性能與可靠性要求，即可完成產(chǎn)品研制過程，轉(zhuǎn)入生產(chǎn)階段開始創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益.試驗(yàn)后的拆檢是產(chǎn)品試驗(yàn)過程的必要環(huán)節(jié)，有些試驗(yàn)故障是可以通過目視檢查發(fā)現(xiàn)的，有些只能通過計(jì)量檢測的方法，發(fā)現(xiàn)零部件的異常損傷并得到具體的量值，然后分析產(chǎn)生的原因并反饋指導(dǎo)研制過程.

產(chǎn)品的試驗(yàn)需要進(jìn)行詳細(xì)的策劃和準(zhǔn)備，需要有試驗(yàn)方案和試驗(yàn)大綱.并且試驗(yàn)臺(tái)架的建設(shè)也非常重要，需要考慮產(chǎn)品試驗(yàn)的各項(xiàng)要求，比如：試驗(yàn)箱、輸入轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、慣量和電網(wǎng)等，另外，液壓液力產(chǎn)品還需要液壓油源的需求.

性能試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品的兩項(xiàng)基本內(nèi)容[10].其中性能試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品的性能指標(biāo)，如果性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，則需要進(jìn)一步對產(chǎn)品的耐久性開展可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，反之則需要反向追溯研制過程中出現(xiàn)的問題，并尋求解決辦法.傳統(tǒng)上，性能試驗(yàn)一般執(zhí)行的比較科學(xué)完整，對可靠性試驗(yàn)往往不受重視，因?yàn)榭煽啃栽囼?yàn)需要投入大量的人力、物力和時(shí)間，消耗往往非常巨大，而且沒有即時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益，所以很多產(chǎn)品很難完成完整苛刻的可靠性試驗(yàn).結(jié)果不能完全暴露產(chǎn)品研制過程中的問題，最終在產(chǎn)品批量生產(chǎn)和使用過程中出現(xiàn)普遍問題，甚至?xí)霈F(xiàn)致命的故障，造成難以估量的損失，甚至毀掉一個(gè)企業(yè).

所以，可靠性試驗(yàn)必須開展而且需要加嚴(yán)考核，目的是保證產(chǎn)品的耐久性質(zhì)量.但是，可靠性試驗(yàn)的時(shí)間往往很長，要解決這個(gè)問題，可以通過試驗(yàn)方法的理論研究，得到等效的試驗(yàn)方法，縮短試驗(yàn)的總時(shí)間.即不一樣的試驗(yàn)過程能達(dá)到一樣的試驗(yàn)效果.例如：提高試驗(yàn)的強(qiáng)度，減少試驗(yàn)的總時(shí)間，就會(huì)大幅減少時(shí)間成本，并且達(dá)到可靠性試驗(yàn)的目的.

3 維修階段

保養(yǎng)是產(chǎn)品使用過程中正常的維護(hù)和整理，維修是產(chǎn)品不能正常工作進(jìn)行的修復(fù)和故障排除.產(chǎn)品除了正常的保養(yǎng)，很多時(shí)候是因?yàn)楣收隙M(jìn)行的維修.產(chǎn)品產(chǎn)生故障的原因有很多，沒有被正常執(zhí)行保養(yǎng)要求會(huì)容易引發(fā)故障，產(chǎn)品使用時(shí)間達(dá)到或者接近壽命故障會(huì)增多，材料缺陷和加工過程也是會(huì)引發(fā)產(chǎn)品故障等等.其中，設(shè)計(jì)不合理是造成故障的特殊類型，由于設(shè)計(jì)缺陷造成的產(chǎn)品工作異常往往是致命的，而且廣泛存在.由于設(shè)計(jì)的缺陷，會(huì)給維修造成極大的困難，有的產(chǎn)品甚至無法進(jìn)行修復(fù)，或者需要花費(fèi)大量的費(fèi)用和時(shí)間.比如汽車行業(yè)，我們經(jīng)常會(huì)看到汽車召回的信息，有很多是因?yàn)樵O(shè)計(jì)缺陷造成的.由此可見設(shè)計(jì)階段的重要性，后期的維護(hù)保養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)也可以反饋設(shè)計(jì)過程，使得產(chǎn)品研制向著正確的方向發(fā)展.

總之，工程師設(shè)計(jì)(一般是項(xiàng)目負(fù)責(zé)人)應(yīng)該是產(chǎn)品研制的責(zé)任人，應(yīng)該控制整個(gè)研制過程.出現(xiàn)任何故障都應(yīng)該是設(shè)計(jì)工程師牽頭解決，需要和各個(gè)過程環(huán)節(jié)的工程師進(jìn)行溝通，把握每一個(gè)研制過程的細(xì)節(jié)，微小的細(xì)節(jié)錯(cuò)誤都可能會(huì)影響產(chǎn)品研制的成敗.

4 結(jié)束語

產(chǎn)品研制包含方案設(shè)計(jì)、加工試制、裝配和試驗(yàn)等具體工作，這些環(huán)節(jié)對產(chǎn)品的研制有舉足輕重的作用.設(shè)計(jì)人才隊(duì)伍的結(jié)構(gòu)構(gòu)成是產(chǎn)品研制的根本，團(tuán)隊(duì)的管理是人才使用和任務(wù)分配的重要內(nèi)容，也是產(chǎn)品研制的關(guān)鍵.如果沒有合適的團(tuán)隊(duì)人員和管理方法，會(huì)使得團(tuán)隊(duì)分工不清晰和責(zé)任不明確，造成不必要的重復(fù)，將會(huì)影響產(chǎn)品研制的進(jìn)度甚至成敗.因此研制優(yōu)良品質(zhì)的機(jī)械產(chǎn)品，工程師需要付出艱辛的努力、持續(xù)有效的溝通以及不停的迭代更新.