新時期運(yùn)載火箭工藝裝備管理面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展分析

王曉雙 李特

天津航天長征火箭制造有限公司 天津 300462

引言

藝裝備作為一種機(jī)床輔助設(shè)備，其主要作用是確保產(chǎn)品生產(chǎn)制造與裝配過程中實(shí)現(xiàn)位置、精度與方向的準(zhǔn)確，并保證相關(guān)特定功能實(shí)現(xiàn)，要求功能與使用保持協(xié)調(diào)，統(tǒng)一傳遞基準(zhǔn)，保持主要幾何模型的隨行性，相關(guān)工程信息能夠繼承。使用工藝裝備能夠更好地提升產(chǎn)品質(zhì)量，獲得更高的生產(chǎn)效率，有效防范由于位置誤差等因素造成的操作失誤與缺陷，降低制造難度，控制生產(chǎn)成本。由于運(yùn)載火箭的生產(chǎn)制造中需要用非常多的零件，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、定位難、精確度要求高，測量時穩(wěn)定性不高，實(shí)際生產(chǎn)過程中需要使用大量的工藝裝備。近年來，隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，對于工裝的需求逐漸增大，對于工裝的管理也提出了更高的要求。

1 我國運(yùn)載火箭工藝裝備管理面臨的挑戰(zhàn)

我國火箭工裝發(fā)展的前期主要是學(xué)習(xí)借鑒蘇聯(lián)設(shè)計制造方法，實(shí)行串行模式生產(chǎn)，生產(chǎn)裝配和產(chǎn)品調(diào)試環(huán)環(huán)相扣，制造與協(xié)調(diào)基于工裝。在火箭制造中涉及機(jī)床夾具、刀量具、模具、吊索具、架車、托架、焊接夾具、鉚接夾具、裝配夾具、樣板、測試系統(tǒng)、配氣試驗臺、包裝箱、組合夾具等多種工藝裝備[1]。每一個火箭制造工藝裝備還能根據(jù)種類進(jìn)行細(xì)分，比如在鉚接型架中就可以細(xì)分為筒狀結(jié)構(gòu)鉚接型架、異型非對稱裝配型架、薄壁端框鉚接型架等不同類型；在焊接工裝中又可以細(xì)分為貯箱環(huán)縱縫自動焊接系統(tǒng)、法蘭盤自動焊接系統(tǒng)、大噴管自動焊接系統(tǒng)等種類；模具也可以根據(jù)具體用處細(xì)分為拉伸、凸孔、拉彎、蠕變成形、旋壓成形、非金屬材料的熱成形、磁脈沖成形等模具種類；模線樣板可以細(xì)分為各類切鉆、畫線、化銑、檢驗樣板等，其中又可以涵蓋內(nèi)外形樣板、檢驗?zāi)影濉⒄归_樣板、毛料樣板、骨架樣板、切割鉆孔樣板、切面樣板、夾具樣板、化銑樣板、陽極化樣板、裝配樣板等更細(xì)的類別；機(jī)床夾具又可以細(xì)分為車、銑、刨、磨、鉆等各類夾具。

工藝裝備種類繁多，涉及管理的內(nèi)容也十分復(fù)雜，主要分為設(shè)計及制造、保管、使用與維護(hù)、維修與報廢等四大部分，簡單概括如下[2]：①工裝設(shè)計及制造：工藝裝備根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計圖樣、工藝規(guī)程、有關(guān)工藝設(shè)備設(shè)計的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計制造，確保滿足產(chǎn)品的形位公差和尺寸公差要求，保證具有較好的加工工藝性和裝配工藝性，進(jìn)一步保證加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量；②工裝保管：通過建立工藝裝備保管臺賬進(jìn)行管理，確保工藝裝備合格證上的圖號、編號等證物相符、數(shù)量正確，定位或定庫存放。定期檢查工裝質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。對于庫存半年以上的工藝裝備重新投入使用時需進(jìn)行檢驗，合格后方可使用；③工裝使用與維護(hù)：操作人員應(yīng)正確使用工裝，保持工藝裝備的完好，進(jìn)行定期清潔檢查，一般在每班工裝使用后對工裝進(jìn)行清掃，檢查易損件使用情況，發(fā)現(xiàn)易損件有損壞的情況及時更換，檢查潤滑油使用情況，按規(guī)定定量定時添加潤滑油；④工裝維修與報廢：對于修理和定期校驗過程中發(fā)現(xiàn)的不合格工裝由技術(shù)人員提出處置要求。涉及工裝損壞需要維修，維修后的工藝裝備需要進(jìn)行檢驗，合格后才能投入使用。需要報廢的工藝裝備，經(jīng)審批后辦理報廢手續(xù)，報廢工裝隔離存放，并做出紅色標(biāo)識以免誤用。

隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，航天研制的工藝裝備在航天領(lǐng)域所發(fā)揮的作用也越來越明顯，當(dāng)前火箭的研制型號和發(fā)射需求不斷增多，工藝裝備數(shù)量隨之大量增加，傳統(tǒng)的工裝已經(jīng)無法適應(yīng)發(fā)展的需要?，F(xiàn)在我國運(yùn)載火箭工藝裝備管理面臨的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下幾方面[3]：①工裝設(shè)計通用性差：大部分火箭的零部件生產(chǎn)都是建立在專用的工裝基礎(chǔ)之上的，不僅要求自身的強(qiáng)度與剛度達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，還要能夠?qū)Ξa(chǎn)品加工完成精準(zhǔn)定位，因此，結(jié)構(gòu)相類似的產(chǎn)品如果應(yīng)用的型號不一樣，也要單獨(dú)完成工裝的設(shè)計。②工裝使用柔性差。對于比較復(fù)雜的工裝結(jié)構(gòu)，無論是設(shè)計還是工藝的定型，在整個過程中都需要進(jìn)行不斷地修改與調(diào)試，而產(chǎn)品狀態(tài)一旦發(fā)生變化，工裝結(jié)構(gòu)也需要隨之調(diào)整。③工裝缺乏系統(tǒng)化管理。部分工裝由于應(yīng)用到獨(dú)立體系的車間中，信息不能及時進(jìn)行共享，因此會出現(xiàn)大量工裝的重復(fù)設(shè)計與重復(fù)使用，有些工裝可能會在十幾年后再度運(yùn)用。在這樣的使用環(huán)境下，工裝出現(xiàn)的數(shù)量不斷增加，這意味著生產(chǎn)制造一發(fā)火箭需要大量的時間成本和經(jīng)濟(jì)成本。

2 我國運(yùn)載火箭工藝裝備管理的發(fā)展趨勢

針對傳統(tǒng)的工裝管理模式面臨的發(fā)展困境，需要研制具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)化工裝，才能夠滿足火箭生產(chǎn)制造的快適應(yīng)需求，避免重復(fù)配置；建立柔性工裝設(shè)計體制，根據(jù)實(shí)際情況工裝能夠進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整；建立工裝系統(tǒng)化管理機(jī)制，對工裝設(shè)計及制造、保管、使用與維護(hù)、維修與報廢全流程進(jìn)行系統(tǒng)化管理，全面管控工裝的生命周期，將限制工裝利用起來；引進(jìn)新技術(shù)，引導(dǎo)工裝向自動化、信息化、智能化方向發(fā)展，提高生產(chǎn)效率，提升工裝整體質(zhì)量水平。

2.1 工裝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

運(yùn)載火箭工裝標(biāo)準(zhǔn)化主要指的是通用化、模塊化等特點(diǎn)，能夠有效減少不必要的重復(fù)設(shè)計，不管是產(chǎn)品的研制成本，還是產(chǎn)品需要的研制周期都得到有效的削減，整體設(shè)計質(zhì)量大大提升，并且產(chǎn)品更加可靠。標(biāo)準(zhǔn)化工裝在評估過程中會涉及不同狀態(tài)中不同階段的工裝技術(shù)，做好量化，在明確參數(shù)后根據(jù)已有的模塊化工裝技術(shù)基礎(chǔ)，生產(chǎn)多樣的產(chǎn)品，不僅能夠滿足運(yùn)載火箭的制造需求，還可以保持使用性能的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的簡單與低成本[4]。以吊裝和架車為例，目前我國火箭制造領(lǐng)域中成熟的吊裝，無論是零件還是結(jié)構(gòu)形式，或者是設(shè)計的起吊方案，都在實(shí)踐中形成了大量經(jīng)驗，只需要在設(shè)計釣具過程中根據(jù)需要起吊的內(nèi)容選擇模塊，修改尺寸，就能做好模塊化設(shè)計，大大縮短設(shè)計與生產(chǎn)的周期。同理，在對架車進(jìn)行設(shè)計時，也需要考慮應(yīng)用的場所的不同，對各個零部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，在壓縮現(xiàn)有架車主體件的同時搭建參數(shù)化的元件庫，指導(dǎo)工裝拼裝過程，促進(jìn)架車標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。

2.2 工裝設(shè)計柔性化發(fā)展

柔性工裝憑借的是非剛性可調(diào)定位技術(shù)，能夠?qū)α悴考M(jìn)行再加工與裝配。柔性工裝具有更為開放的結(jié)構(gòu)，能夠更好地連接更先進(jìn)的自動化設(shè)備，彌補(bǔ)了存在于傳統(tǒng)工裝中的剛性缺陷，有效降低了生產(chǎn)成本，使零件的生產(chǎn)周期進(jìn)一步縮短，整體生產(chǎn)效率得到明顯提升。柔性工裝中最重要的是如何進(jìn)行柔性定位，只有把握好定位才能更好地把控產(chǎn)品位置，確保產(chǎn)品應(yīng)力，獲得更高水平的定位。

利用數(shù)字化協(xié)調(diào)系統(tǒng)自動充足模塊的柔性，不需要借助更加專業(yè)的工具輔助裝配，可避免出現(xiàn)傳統(tǒng)工裝重復(fù)利用、需要更高費(fèi)用、周期更長等問題。自適應(yīng)柔性工裝，其在結(jié)構(gòu)上具體表現(xiàn)出模塊化，在空間上則表現(xiàn)出更大范圍的運(yùn)動調(diào)整空間，能夠?qū)崿F(xiàn)小范圍精確調(diào)整。真空吸盤式裝配也是柔性工裝領(lǐng)域中比較新穎的技術(shù)，具有很強(qiáng)的充足性，削減了不必要的工裝數(shù)量，裝配效率與質(zhì)量得到顯著提升。柔性工裝在保證整體產(chǎn)品加工質(zhì)量的同時，減少了工具損耗，提升了裝配效率，裝配精度也得到了提升，與常規(guī)裝配工藝相比優(yōu)勢更加明顯。

2.3 工裝系統(tǒng)化管理機(jī)制

傳統(tǒng)工裝使用及維護(hù)過程依托工藝裝備保管臺賬進(jìn)行管理，而大型工廠在制造過程中往往采用多個空間獨(dú)立的車間，甚至包含跨地域廠區(qū)合作制造的情況，部分工裝由于應(yīng)用到獨(dú)立體系的車間中，信息不能及時進(jìn)行共享，會出現(xiàn)工裝的重復(fù)設(shè)計與重復(fù)使用的情況。在這樣的使用環(huán)境下，工裝出現(xiàn)的數(shù)量不斷增加，增加了火箭制造的時間成本和經(jīng)濟(jì)成本[5]。工裝系統(tǒng)化管理機(jī)制即通過建立工裝管理系統(tǒng)進(jìn)行工裝線上管理，實(shí)時查詢工裝數(shù)量、位置、狀態(tài)等信息，各車間資源統(tǒng)一配置。工裝管理系統(tǒng)對于工裝設(shè)計及制造、保管、使用與維護(hù)、維修與報廢全流程狀態(tài)進(jìn)行管理，管理內(nèi)容應(yīng)包括設(shè)計階段性進(jìn)展、制造或采購進(jìn)度、工裝位置、是否在用、定期檢查結(jié)果、有無損壞、損壞狀態(tài)評估、申請維修、維修進(jìn)度、申請報廢、報廢進(jìn)度等。系統(tǒng)底層對工裝進(jìn)行不同類型的樹狀分類，根據(jù)工裝用途的不同分為鉚接工裝、焊接工裝、總裝測試工裝等；根據(jù)工裝的尺寸分為大型、中型、小型工裝；根據(jù)工裝位置分為不同廠房內(nèi)的工裝等等，并以此分類依據(jù)對工藝裝備進(jìn)行標(biāo)簽制定，后續(xù)工作人員進(jìn)行查找時可直接通過關(guān)鍵詞進(jìn)行分類查找，并通過樹狀結(jié)構(gòu)鎖定具體工裝位置，實(shí)現(xiàn)工藝裝備的高效響應(yīng)。

2.4 企業(yè)工裝技術(shù)的自動化、信息化、智能化發(fā)展

工藝裝備管理的最終目的是提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，除了采用工藝裝備設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、柔性化，提升工裝使用及維護(hù)過程中管理手段之外，工藝裝備自身的性能提升也十分重要。高效便捷的工裝可以有效提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，因此，促進(jìn)企業(yè)工裝技術(shù)的自動化、信息化、智能化發(fā)展十分必要。

隨著我國火箭裝備研制水平的不斷提高，自動化、智能化等新技術(shù)在火箭新型號中得到了大量應(yīng)用，比如在運(yùn)載火箭整流罩中實(shí)現(xiàn)裝備自動鉚接，其中就涉及了自動識別、自動選送釘、雙機(jī)器人鉆鉚、產(chǎn)品柔性定位裝夾等新技術(shù)，箭體鉚接已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了綠色發(fā)展；噴涂裝備機(jī)器人應(yīng)用，在壁板化銑網(wǎng)格表面完成膠膜的噴涂，并進(jìn)行刻型，可以有效減少了常規(guī)工藝中涉及的起吊、定位、轉(zhuǎn)運(yùn)等作業(yè)程序，在很大程度上減少了銑壁板在生產(chǎn)時間，生產(chǎn)效率得到明顯提升提升了生產(chǎn)過程的自動化水平和機(jī)械功能性，并保障了生產(chǎn)安全；攪拌摩擦焊接技術(shù)及設(shè)備的應(yīng)用，讓火箭貯箱的工藝裝備上實(shí)現(xiàn)了“銑切”與“焊接”一體化；研發(fā)3D打印技術(shù)，能夠更好地滿足火箭制造需要用到的各種復(fù)雜金屬構(gòu)建的快速高效使用[6]。新技術(shù)研發(fā)與投入不斷提升著我國火箭制造工藝裝備的水平，工藝裝備自身實(shí)力的提高和擴(kuò)大的產(chǎn)品包容性也為其管理提供了便利。

進(jìn)入信息化社會后，在過去生產(chǎn)中存在的比較復(fù)雜的工序都能夠借助現(xiàn)代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來完成。在工藝裝備中所涉及的數(shù)字化技術(shù)主要覆蓋設(shè)計、制造與檢測三個環(huán)節(jié)，在三維環(huán)境中，可以借助制圖軟件對零件完成設(shè)計建模，在模型上完成裝配，在不斷的定位與檢查中優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，再借助數(shù)控加工設(shè)備完成模型的模擬加工，基于數(shù)字化監(jiān)測設(shè)備與技術(shù)進(jìn)行工裝檢測。數(shù)字化工裝能夠在一定程度上取代傳統(tǒng)的實(shí)物模擬工裝，不需要生產(chǎn)過多的標(biāo)準(zhǔn)樣件，工裝數(shù)量可以減少，并且能夠同時開展零件的設(shè)計制造與檢驗工作，保持工藝裝備的一致性與協(xié)調(diào)性，提升火箭生產(chǎn)制造的精確度，使生產(chǎn)效率明顯提升。

3 結(jié)束語

當(dāng)前，我國運(yùn)載火箭的工藝裝備管理正朝著標(biāo)準(zhǔn)化、柔性化、系統(tǒng)化、數(shù)字化與智能化的方向進(jìn)步和發(fā)展。管理升級對于運(yùn)載火箭工藝裝備的提升至關(guān)重要。同時，對企業(yè)來說工藝裝備管理的進(jìn)步也意味著能夠進(jìn)一步降低生產(chǎn)中涉及的勞動工作強(qiáng)度及成本。火箭制造企業(yè)有必要在大力發(fā)展火箭制造工藝、提高工裝核心技術(shù)水平的基礎(chǔ)上不斷完善工藝裝備的管理制度，促進(jìn)我國航天制造業(yè)的發(fā)展。