運載火箭制造工藝裝備的現狀與發展趨勢

王德志，白景彬，戴 欽，王佐友，高可攀

（1.首都航天機械有限公司，北京100076；2.北京長征火箭裝備科技有限公司，北京 100076）

0 引言

工藝裝備簡稱工裝，是在產品生產制造、裝配測試過程中保證其位置、方向、精度以及實現特定功能的機床輔助設備，要求其具有功能和使用協調性、基準傳遞的統一性、主要幾何模型的隨行性、工程信息的繼承性[1]。工裝的使用可以保證產品質量、提高生產效率、減少操作失誤和缺陷、減少生產制造的工藝難度，降低了生產成本。由于運載火箭產品零件數量多、形狀結構復雜、材料不易加工、定位可靠性差、精度等級高、測量穩定性低等特點，使得在生產制造過程中需要的工藝裝備數目巨大。近年來隨著我國北斗導航、探月工程等航天科技重大專項的實施，運載火箭的需求量在逐年增加，由“十二五”期間的13～16發/年增加到目前的25～30發/年。運載火箭型號也由常規的長征二號、長征三號等到新研制服役的長征五號、長征十一號，以及在研的重型運載火箭。工藝裝備的需求也在不斷增加，特別是柔性化、通用化工裝，以及新技術、新工藝的裝備需求在大幅提升。

1 發展現狀

我國火箭工裝最早沿襲前蘇聯的設計制造方法，零件基于相互聯系原則制造，從零部件生產到裝配、測試，各個環節之間是依次利用和依靠的關系，整個生產過程主要采用串行模式，采用各類工裝作為制造和協調依據。火箭制造工藝裝備種類較多，包括機床夾具、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、配氣試驗臺、包裝箱、組合夾具等。不同工裝根據類別還可以細分，如鉚接型架有筒狀結構鉚接型架、異型非對稱裝配型架、薄壁端框鉚接型架等；焊接工裝有貯箱環縱縫自動焊接系統、法蘭盤自動焊接系統、大噴管自動焊接系統等；模具包括拉伸、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；模線樣板包括各類切鉆、劃線、化銑、檢驗樣板等，涵蓋內外形樣板、檢驗模樣板、展開樣板、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；機床夾具則包括車、銑、刨、磨、鉆等各類夾具，特別是大型壁板類零件的車銑夾具，刀量具、鉗工工具等。

大部分火箭零部件的生產都需要一套專用工裝，自身還要具有強度好、剛度高，能夠控制產品在加工過程中精確定位的特點[2]，因此即便是結構類似的產品，由于不同型號使用，工裝也需單獨設計。有的工裝結構復雜，從設計完成到工藝定型期間需要經歷多次更改和試制。由于生產加工的批量小，或者產品在不同的階段使用，有些工裝隨著產品使用的結束就完成了其歷史使命。有些工裝是因為使用車間自成體系，相關信息無法有效共享，造成工裝的重復設計使用；有些工裝兩次使用間隔幾年甚至十幾年。面對這種模式，工裝的使用陷入了一種惡性循環中，工裝的數量越來越多，據不完全統計，211廠（我國最大的火箭制造總裝企業）目前具有工裝6000多種近十萬件，這造成火箭的生產準備周期長，工裝制造成本高。并且多年來，工裝一直被看成生產系統中的配角，未引起足夠重視，也未形成一個系統，一直跟在產品后邊處于被動狀態。隨著火箭型號的逐漸增多，尤其是新型三維數字化火箭的成功發射，使得傳統的工裝已經不能滿足生產的需要。快速響應的標準化、通用化工裝，可重復配制、可調整的柔性工裝，以及機器人數控工裝、真空吸盤輔助工裝等新技術工裝日益被提上轉型日程。同時，工裝管理系統的水平和質量也需要不斷提高，實施工裝全生命周期管控，合理利用現有閑置工裝，推進工裝預警機制，促進企業發展[3]。

2 發展趨勢

2011年中國航天白皮書指出，為滿足空間站工程、載人航天、月球探測等航天工程的需要，開展“無毒、無污染、低成本、高可靠、適應性強、安全性好”的新一代運載火箭研制，滿足我國未來30年空間技術發展的需要。這促使了火箭研制型號在不斷增加的同時向兩極化發展，一方面要求火箭可靠性高、成本低、快速響應；另一方面火箭運載能力不斷提升。隨著并行工程、CAD/CAM/CAE、先進制造技術的發展，大量數字化設計制造軟件以及先進的數控設備、定位測試儀器的廣泛應用，也使工裝朝著通用化、標準化、柔性化、數字化和智能化的方向發展；而隨著航天“工業4.0”的不斷加碼，一大批數字化車間、工業機器人、增材制造技術、先進測試技術等不斷應用升級，需要開發高端工藝裝備用來解決其存在的制造技術問題。面對著產品可靠性提高、制造技術的革新、產品生命周期的縮短、單位成本降低和交付使用時間的提前，必須加速火箭制造工藝裝備的設計與制造技術進行革命性的改變。

2.1 工裝的標準化發展

火箭工裝的標準化主要包括模塊化、系列化、通用化，可以減少其重復設計制造，降低研制成本、縮短研制周期、提高設計質量，并能滿足產品的可靠性、維修性等方面的要求[4]。工裝的標準化設計需要對處于不同狀態的工裝進行階段性的評估和量化，即通過工裝成熟度的動態變化進程來描述其相關設計活動[5]。標準化設計首先要進行局部組件主參數和系列形狀確定，將其稱之為設計族。選擇相應設計族為研究對象，根據航天工藝裝備模塊化工作基礎，確保適用產品多樣性，并追求在滿足使用要求的同時使工裝的性能更穩定、質量更可靠、結構更簡單、成本更低。

在火箭的吊裝領域，其技術的標準化基礎非常好，在所用標準件、結構形式、起吊方案上積累了很多數據和經驗。在吊具設計時根據起吊類型、起吊載荷、被吊產品尺寸選用合適的模塊，并對一些關鍵尺寸進行修改，完成其模塊化設計。這不僅能縮短工裝設計開發周期，還能縮短其生產準備周期。架車的情況與吊具類似，架車按結構形式主要分為水平架車、垂直架車、對接架車，主要使用對象是火箭殼體、貯箱、部段，用于不同廠房、不同工位中的轉運和對接。以車身、接口、承重、外形參數等進行標準化設計，一方面可對現有架車主體件進行壓縮，將不同尺寸的架車整合為通用性架車，另一方面可以組建參數化元件庫，實現快速虛擬設計，并以此為指導加快工裝拼裝過程，還方便設計變更，尤其在應用Pro/E軟件進行系列化設計方面具有良好的優勢。模具標準化發展要求一方面對市場上現有的模具標準產品進行通用和互換，如模具所需要的模架、與機床連接用的各種模柄、專用螺釘、彈簧等。另一方面對現有的一些模具匯編成企業標準，如《落料模匯編》《缺口沖模匯編》《拉伸模匯編》《拉彎模匯編》。通過標準可以使相關人員快速地了模具成形工藝，設計人員可以從中查到已有零件在新產品中的應用，盡量考慮型號設計的繼承性，提高利用率，縮短設研制周期。

工裝標準化實施后，通用的工裝占有比例將大幅度提高，專用工裝的標準化程度也將提高，工裝中使用的通用結構件和標準件的比例也會增加；多數工裝可以通過對已有工裝的修改和調整來完成，最終以一套工裝或少量幾套工裝滿足該系列全規格產品的研制，實現火箭零部件生產與所需工裝由1對1向N對1轉變。

2.2 工裝的柔性化發展

柔性工裝是指基于非剛性可調定位技術實現產品零部件的加工和裝配，并在信息化支持下，將柔性化單元作為基礎，借助控制手段來滿足多種生產所需要的工藝裝備技術。柔性工裝結構開放，便于與先進自動化設備連接，克服了剛性工裝的缺點，能夠降低工裝制造成本、縮減準備周期、提高生產效率。柔性工裝順應了精益制造理念的潮流，促使火箭工裝分級別發展、向著先進性以及成熟性發展[6]。

柔性工裝的關鍵技術是柔性定位，通過可調的定位技術控制產品的位置并釋放應力，通過對位置、結構、孔徑、基準面的綜合控制，提升其定位水平[7]。火箭柔性工裝主要是通過數字量協調系統完成柔性模塊的自動化重組，這種形式節省了專業的型架、夾具、輔助工具等，解決了傳統工裝重復利用率低、周期長、費用高、投產工作量大等問題，為公司應對市場的高效、快速、低成本提供了強有力的技術和質量保證。例如，在火箭貯箱焊接工裝正朝著高效率、高精度方向發展，精密組合焊接工裝系統將成為未來發展的重點[8]。自適應裝配也是一種柔性工裝，其在機械結構上是一種模塊化單元結構[9]，在空間內具有比較大范圍的運動調整能力，還具有小范圍的精確運動調整能力。真空吸盤式裝配工裝是一種新興的柔性裝配加工技術，具備強大的可重組性，能減少大量的工裝使用，裝配效率及質量隨之大幅提高。在提高工作效率的同時兼顧了加工精度、加工質量及工具損耗等，具有常規單一加工技術無法比擬的優勢[10]。一些先進的測量技術，如激光跟蹤儀、紅外感應翼、光柵尺、5G傳輸技術等應該被用在在柔性工裝中，以達到生產要求的測量和定位精度。將現代工裝與各輔助測量系統、控制系統、定位系統緊密集成，將各項關鍵技術有機集成起來，形成綜合系統，柔性化工裝能得到更好的實施應用。總的來說，柔性工裝關鍵技術的突破將給火箭制造業的發展帶來巨大的機遇，通過生產過程中的數字化全流通縮短產品研制周期，逐漸取代了靠模擬量傳遞的剛性工裝，是未來火箭制造工藝裝備的一個重要發展方向。

2.3 工裝的數字化、智能化發展

隨著科技的進步，數字化、智能化技術不斷被應用于工業生產中，利用計算機和信息網絡可以完成很多傳統生產中比較復雜及困難的工序。工裝的數字化包括數字化設計、數字化制造和數字化檢測。在三維環境下，用制圖軟件進行工裝零部件設計建模，將產品數模在工裝上進行預裝配，進行定位和干涉檢查并不斷進行結構優化。然后利用數控加工設備對工裝模型的關鍵特征型面、互換協調交點等進行模擬加工，同時利用數字化檢測設備完成工裝檢測[11]。采用數字化工裝替代傳統的實物樣件模擬，可以減少標準樣件、模線樣板等工裝數量，實現零部件的設計、制造、檢驗同步進行，能夠更好地實現制造裝配過程中的協調性和一致性，保證其精度，提高火箭生產制造的效率。例如，在神州五號艙外航天服研制過程中，第一次全數字化設計了航天服軀干殼體和通風管路系統的成型模具，為我國載人航天做出了重要貢獻。

“工業4.0”在全球工業領域掀起一場風暴，它描繪了制造業的未來愿景，將現代信息技術與傳統工業生產相結合，也就是是智能化和物聯網的結合。在火箭研制過程中，氫氧發動機噴管延伸段均由數百根GH3600高溫合金變截面薄壁螺旋方管焊接而成，現有的制造工藝需要10余臺專用工裝以及高技能焊接人員，并且合格率不高，時間節點無法保證，未來開發火箭發動機噴管管束智能生產線，滿足我國運載火箭的高強密度發射需求。而對于閥門類產品屬于運載火箭飛行過程中有動作類的產品，屬于單點失效影響全局的部件，對于閥門的裝配精度、可靠性要求很高。目前每年生產的閥類產品300多種約6 000件，具有“多品種、小批量"的特點。隨著批產任務的增多，迫切需求尋找一種自動化、智能化的生產方式來滿足生產的需要，因此開發發動機閥門柔性裝配生產線勢在必行。同樣，火箭泵類產品由于裝配精度高、結構復雜，工作環境惡劣，工作介質特殊等因素，對于多余物控制要求十分嚴格，零件裝配前均需進行超精密清洗和多余物檢查。工人勞動強度大，所需工裝多，效率很低，清洗效果受人員影響很大。因此開發以自動裝夾、五軸聯動變位機器人、工藝參數精確控制、多余物在線檢測的全自動化綠色清洗設備，替代傳統工藝，滿足運載火箭氫氧發動機大型泵、閥機械加工金屬零件精密、超精密清洗能力。

2.4 工裝的新技術替代升級

近年來我國航天業發展十分迅速，航天專用制造工藝裝備在航天制造領域發揮了不可或缺的作用，其專用性、特殊性為航天制造的整個過程提供了有力保障，尤其在鉚接、焊接、實驗、總裝等領域，更顯出其獨特性。隨著裝備研制技術的迅速發展，自動化、智能化、數字化技術在新型號研制中展示了很好的應用前景。例如，開發運載火箭整流罩自動鉚接裝備，突破產品鉚接的自動識別技術、自動選釘送釘技術、雙機器人鉆鉚技術、產品柔性定位裝夾技術，打造綠色制造和快速制造的箭體鉚接技術及裝備。當前，機器人的安全性、應用性和功能性都在不斷提高，尤其對制造業的發展影響很大[12]。因此采用機器人噴涂裝備實現壁板化銑網格保護膠膜的噴涂及刻型，一方面發揮機器人夾具的優勢作用，減少常規起吊、夾緊定位、轉運等工裝設施；另一方面縮短化銑壁板生產周期，大大提高生產效率。采用攪拌摩擦焊接技術及設備替代熔焊工藝，實現火箭貯箱“銑切”與“焊接”一體化。開展增材制造（3D打印）設備研制，滿足運載火箭前艙前段組合體金屬骨架、融合體、多星支撐結構、捆綁支座等大尺寸復雜金屬結構件的快速研制和高質量制造。開發集彎頭矯形機器人成型、同位矯形、在線測量技術為一體的大直徑薄壁高溫合金推彎成型裝備，實現彎頭熱推彎成型數字化制造，滿足重型運載火箭220t發動機和箭體增壓輸送系統管路的研制和生產需求。針對型號中某些高強度鋼鐵材料電鍍鋅具有氫脆隱患、有些復雜零件電沉積鋅難度大等問題，開發磁控濺射表面鍍鋅工藝裝備，將金屬鋅作為靶材，在真空環境下用電子轟擊靶材激發出等離子體，沉積在需要鍍鋅的產品表面上，實現零部件的物理氣象沉積。

此外，要加大技術進步投入力度，開展新技術新方法的預研，加快形成自主知識產權、標準和品牌；加強技術交流，及時了解相關產品的前沿技術，在新項目、新產品的開發過程中，獲得技術支持與合作；加強校企聯合研發，積累工程應用實踐經驗，保持長久創新動力，提升技術實力，保持技術領先，實現我國火箭制造工藝裝備的新突破。

3 結論

運載火箭生產制造企業作為軍工企業其發展關系著國家戰略需求和國防建設能力，在當前背景下，其工藝裝備的標準化、柔性化、數字化、智能化發展，以及新材料、新技術、新方法的應用，對提高工藝的穩定程度，降低勞動工作強度很有幫助，可以不斷推進航天制造企業精益生產和敏捷制造等先進技術的發展。但目前尚處在初級階段，只是局部、小范圍的初步實踐和運用，需要加大資金與技術支持，進一步開展工藝規劃、系統研究、原型設計。同時，作為火箭制造企業應該立足于技術進步，強化火箭制造工藝裝備的關鍵技術，在提升火箭制造水平的同時，將其工藝裝備的發展推向一個新的高度，起到對制造和生產深層次地促進與發展作用。