李國杰、羅普光 /北京航天長征飛行器研究所

航天產品的質量控制貫穿于設計、生產、驗收、裝配等各個環(huán)節(jié)中，但設計師系統(tǒng)往往會將質量控制的重心偏向于設計和驗收環(huán)節(jié)，將生產和裝配環(huán)節(jié)的重點放在生產單位進行控制。如果生產和裝配環(huán)節(jié)的質量控制出現(xiàn)問題，往往面臨的是產品報廢的嚴重后果，進而帶來經(jīng)濟和進度上的雙重困境。因此，如何控制加工工藝和裝配工藝，使之與產品特性相吻合，提高產品質量、減少廢品率顯得尤為重要，筆者重點針對加工工藝與產品設計相結合的方法展開論述分析。

一、組合模式的提出

在以往型號產品研制生產的過程中，設計師系統(tǒng)往往關注設計方案先進性及可行性，方案設計完成后產品以圖紙形式下發(fā)給生產單位，由生產單位制定工藝、模具、操作流程，完成生產、產品檢驗，具體流程如圖1 所示。一方面，設計師系統(tǒng)只關注最后的產品檢驗環(huán)節(jié)，對產品生產的中間環(huán)節(jié)狀態(tài)并不清楚，一旦出現(xiàn)檢驗問題，對問題出現(xiàn)的環(huán)節(jié)及原因很難精準定位，不利于產品的改進設計。另一方面，設計師對產品中間狀態(tài)及過程的不清晰，會導致在產品設計過程中只追求產品理想性能的提升，忽略實際生產可行性及生產工藝復雜程度，導致產品性能與生產工藝不匹配等問題，造成生產成本顯著增加，產品質量難以把控。

針對設計師系統(tǒng)對產品中間狀態(tài)把控不清晰的問題，對傳統(tǒng)設計生產模式進行優(yōu)化，促進產品設計與加工工藝的緊密結合，讓設計師參與產品設計、生產的每一個環(huán)節(jié)，對實際生產狀態(tài)有更深的理解，使得設計師在設計之初就全面考慮產品生產的全流程，充分考慮設備現(xiàn)狀及工藝復雜程度，深入工藝量化，提高工藝文件的指導性和可操作性，提前規(guī)避相關質量問題的發(fā)生；同時，某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題可立即開展攻關工作，大大提高了產品的研制生產效率，進而提高產品質量。改進后的設計生產模式如圖2 所示，具體組合模式為：

圖1 傳統(tǒng)設計生產模式

在產品研制初期，設計師系統(tǒng)與產品生產單位應采取三維數(shù)字化異地協(xié)同工作形式，充分論證產品工藝可行性；設計師系統(tǒng)參與到從工藝、模具、操作到裝配的整個流程中，直接指導工藝流程的制定和審查，提前識別生產過程中可能存在的問題，必要時由設計、工藝、操作人員成立攻關小組進行攻關，保證產品的研制進度；由工藝人員將生產中出現(xiàn)的問題及時反饋給設計師系統(tǒng)，設計師系統(tǒng)根據(jù)工藝問題對產品方案進行優(yōu)化設計，提高產品性能與生產工藝的匹配適應性，并將改進方案落實到相關文件中，以試驗件產品實物加以驗證，確定產品最終狀態(tài)。

二、結合工作過程實施方法

為了確保產品質量控制工作取得實效，設計方與承制方可以成立攻關小組，主要包括設計、工藝、模具及操作的相關人員，設計人員負責產品主要技術狀態(tài)的把控、參與產品制作全程并進行技術指導；工藝人員負責工藝文件落實、設計狀態(tài)復核反饋；模具及操作人員負責模具出圖、模具制作、產品成型、裝配及狀態(tài)控制。

首先，通過三維數(shù)字協(xié)同工作模式，設計師與生產單位對產品狀態(tài)進行迭代優(yōu)化后確定產品設計方案，并以藍圖形式下發(fā)到承制單位；在設計方審查認可的情況下，由工藝人員將設計方案細化到工藝文件中并下發(fā)到產品生產部門進行模具出圖，并對生產過程中的薄弱環(huán)節(jié)進行預估；在設計與工藝相關人員同時在場的情況下進行關鍵產品的制作，對預估的工藝難題及新材料、新狀態(tài)匹配適應性進行充分驗證，提前釋放風險，由設計方根據(jù)現(xiàn)場和實物對模具特殊狀態(tài)及產品制作流程進行現(xiàn)場指導，并由工藝記錄以完善工藝文件；進行零部件的散態(tài)預裝配，摸索裝配工藝及裝配流程；進行產品正式裝配，驗證生產、裝配工藝流程；最后，根據(jù)產品總裝檢測情況將最優(yōu)方案落實到工藝文件當中，明確工藝文件量化參數(shù)。

三、案例分析

以某型號產品為典型案例，對工藝與設計相結合的情況進行具體分析。該型號總體對產品質量特性的允許偏差很小，而受質量、空間、性能指標的綜合制約，可調配度又十分有限，因此對產品實物狀態(tài)與理論設計狀態(tài)的一致性提出了較高要求。在所有零部件中，預制殼體是最難以進行軸向質心控制的部件之一，難點在于組合元素種類較多、數(shù)量大，組合元素的實際排布與理想狀態(tài)存在一定差異，而且由于質量比重較大，其質心偏差對整個系統(tǒng)的影響也是最大的。另外，組合元素的粘接材料在同類產品中屬于首次應用，產品適應性存在未知隱患。

傳統(tǒng)的預制殼體制作僅對組合元素層片的質量以及使用組合元素數(shù)量進行規(guī)定，并不追究工藝制作過程；工藝人員對產品狀態(tài)未能理解認識到位，編制過程中僅依靠自身理解及其它型號的生產經(jīng)驗編制相關工藝文件，這就造成了實際生產中難以控制質心偏差和最佳排布的局面，往往會造成排布間隙不合理以及過大的質心偏差。以往型號研制中對預制殼體的質量、質心偏差允許范圍較大，傳統(tǒng)的設計生產流程也能滿足型號要求。本案例中，隨著產品質量精細化控制要求的提高，傳統(tǒng)的設計生產模式已無法滿足需求，通過改進設計師系統(tǒng)，將工藝與設計相結合，改進以往預制殼體制作模式，對工藝過程精確控制，實現(xiàn)產品性能最優(yōu)化。具體方法如下：

圖2 改進設計生產模式

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，并以藍圖形式下發(fā)到承制單位，設計藍圖需對組合元素層片質量、質心、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)進行量化，確保產品性能。

其次，在設計方審查認可的情況下由工藝將層片分區(qū)方案細化到工藝文件中，并下發(fā)到層片制作部門進行模具出圖，工藝文件主要考慮組合元素層片的實際生產可行性，將層片沿軸向和周向進行劃分，形成若干塊進行生產后拼接成型；劃分過程中需同時考慮各層片塊自身膨脹、收縮、公差的影響，準確預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，對層片模具采用通用化設計，通過模具組合使用實現(xiàn)不同類型層片的制作。

第三，在設計與工藝同時在場的情況下進行組合元素層片塊的發(fā)泡制作，制作過程需對組合元素參數(shù)（材料類型、力學性能、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、配比、質量）、模具姿態(tài)、模具預熱溫度、層片發(fā)泡方向、發(fā)泡溫度、發(fā)泡時間、固化時間溫度曲線、冷卻流程、退模溫度、退模方向等參數(shù)逐一進行確認，對制作完成后的層片變形量、最終質量進行測量統(tǒng)計。制作過程中首先驗證新用粘接材料與組合元素的匹配適應性，同時制作過程中設計方根據(jù)現(xiàn)場和實物對制作流程及組合元素排布方案等進行現(xiàn)場指導，組合元素層片塊通過檢驗合格后對制作工藝流程進行固化。進行零部件散態(tài)預裝配，對每一個層片塊質量進行統(tǒng)計，根據(jù)組合元素層片總質量、質心要求，對層片組件之間的間隙進行局部調整，將拼裝成的組合元素層片的質心調整到理想狀態(tài)，調整確定每一個層片塊位置后在產品金屬殼體劃線，對每一個層片位置進行固定。

第四，預制殼體正式裝配，金屬殼體預熱至溫度要求后，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行密封，粘接膠固化后對預制殼體質量特性進行測量、統(tǒng)計。

最后，根據(jù)預制殼體成品檢測情況對工藝參數(shù)范圍進行嚴格調整，將組合元素層片的最優(yōu)方案落實到工藝文件當中，工藝文件需對生產過程中的人員、設備、材料、環(huán)境、生產流程、工藝參數(shù)等形成明確量化要求，以便生產人員有效執(zhí)行，提高產品的生產質量。

通過上述措施將設計與工藝高效結合，該型號產品預制殼體在質心控制、膠料發(fā)泡缺陷控制等方面取得了顯著效果，順利解決了這一關鍵技術，提高了產品整體質量特性的可控性，避免了質心超差和發(fā)泡氣體殘留問題帶來的經(jīng)濟損失和安全隱患。具體來講，工作啟動前的模裝產品采用通用工藝方案進行制作，模裝結果發(fā)現(xiàn)其軸向質心超差約10mm，同時出現(xiàn)了“鼓包”現(xiàn)象，這將最終導致整個產品質心超差并出現(xiàn)安全隱患。采用工藝與設計相結合的工作方式后，有效糾正了這一偏差，試驗件實測質心能夠控制在理論值±1mm 范圍內，控制精度實現(xiàn)質的提升；另外，攻關過程中排查出了多個極隱蔽的現(xiàn)場問題，如層片制作時模具姿態(tài)問題、模具過熱問題、組合元素排布優(yōu)化方案問題等，通過采用設計方提出的多項有效解決措施，問題均得以有效解決并落實到相關工藝文件中。

四、經(jīng)驗分享

通過該型號產品預制殼體制作與裝配過程中的質量控制工作過程，可以看到以工藝與設計相結合方式來控制產品質量的重要性。首先，工藝應提前參與到設計當中，可對生產過程中存在的風險提前識別并開展專項攻關，增加產品設計的可實現(xiàn)性和工藝經(jīng)濟性；其次，設計人員應當全程跟蹤產品制作過程，了解并指導完善工藝文件和規(guī)范操作流程，進一步識別出生產過程中的薄弱環(huán)節(jié)，在工藝設計時通過合理制定工藝控制范圍，從而盡可能杜絕產品生產過程中存在或產生隱蔽質量或安全隱患。該設計方法已推廣應用至其它型號產品的研制生產，可大幅度提升產品的研制周期與效率，減少產品質量問題的發(fā)生，滿足航天產品高效、精細化的發(fā)展需求。