電液伺服機構基礎零件標準化研究

吉秋平 馮愛彬 劉炳軍

（南京晨光集團，南京，210006）

1 研究背景

電液伺服機構使用了許多緊固件、密封件、管道接頭等基礎零件，具有結構復雜、形式多樣、連接部位多、組成元件多、密封要求高等特點。在產品研制過程中，由于受到使用環(huán)境、力學性能、結構形式、材料、外形等限制，對于許多外形結構相近、基本功能相同、性能要求相似、在同類產品中重復使用且使用概率高的簡單結構件 （簡稱 “基礎零件”），細節(jié)特征、使用材料、熱處理要求、表面處理等要求不完全一致。設計人員無法直接選取到適用的標準外購件，只能設計為自制件以滿足產品配套需求。需要為其制定對應的投產計劃、工藝路線、工藝規(guī)程、資源配備要求、生產流轉計劃、交驗與管理要求并確保落實，占用了較多工藝設計和生產制造資源，給生產線帶來了不可忽視的巨大壓力。

在機加制造過程中，為保證生產質量，對于種類多、批次多、單批次數(shù)量少的基礎零件也必須嚴格按照工藝工序執(zhí)行、流轉和建卡，單件連續(xù)生產時間短、準備成本高，流轉、交驗及管理的單件成本相對較高。以螺釘為例，與標準件專業(yè)生產廠家的標準工藝/工序、流水線自動化生產模式相比，在產出同一個螺釘時，普通研制制造單位付出的設計、生產成本要高出好幾倍。在某型伺服機構中，其零件總數(shù)量約為940個，自制螺釘數(shù)量約為160個、種類約為35種，約占整機專用零件總數(shù)量的17%，約占整機全部零件種類的10%，在小型化、集成度高的伺服機構上此比例更高。

近年來，隨著產品任務大幅增長，基礎零件加工任務更加繁重，雖然加工難度不高，但對生產資源的大量占用，大大影響了整機產品的齊套周期和整體生產任務的完成。因此，從設計源頭重新考慮基礎零件的設計及選用問題，通過 “三化”手段壓縮基礎零件的種類與規(guī)格，通過系列化、規(guī)范化設計和統(tǒng)籌生產組織的方式，降低生產成本、緩解生產壓力。

2 研究目標

采用 “三化”方法，研究電液伺服機構產品的基礎零件標準化的轉化辦法，制定基礎零件技術標準和選用制度，滿足電液伺服機構產品應用要求；研究基礎零件的批量自制或外協(xié)、外購模式，制定相應的生產、管理制度，降低基礎零件的生產成本，縮短產出周期，提高配套效率；通過將伺服機構基礎零件向系列化標準件的轉換，增加標準件數(shù)量，提高伺服機構的標準化率。

3 研究對象

根據(jù)具體工作原理、結構方案差異，可將電液伺服機構分為 “電池-電機-油泵 （蓄能器）”式、 “燃氣-渦輪-泵”式和 “冷氣擠壓-增壓油箱”式3種類型，本文主要對應用相對較多的“電池-電機-油泵”式和 “燃氣-渦輪-泵”式電液伺服機構及其配套部組件 （渦輪、油泵、伺服閥、反饋電位器等自研產品）的自制結構件進行分析。經梳理，電液伺服機構的常用零件一般包含連接緊固件、傳動件、支撐端蓋、彈性件、液壓密封件、閥門結構件、液壓殼體件、液壓接頭、管道及其它結構件共9個大類 （內含31個零件小類）。

對照基礎零件的定義范圍及特點，對9大類零件進行歸納分析，梳理出14個零件小類可以列為基礎零件進行系列化及標準化分析，見表1。

表1 電液伺服機構的基礎零件分類

4 標準化研究策略

4.1 應用情況分析

對梳理出的14類基礎零件在 “電池-電機-油泵”式和 “燃氣-渦輪-泵”式電液伺服機構中應用情況進行分析如下。

4.1.1 “單通道-電池-電機-油泵”式電液伺服機構 （簡稱第一類）

第一類單套整機共使用零件30種、共964件，其中基礎零件14種、共481件，占比情況如圖1～圖4所示，其中以螺釘類、密封圈類、螺母類、墊圈類、堵頭類基礎零件的使用最多。

圖2 第一類零件數(shù)量占比

圖3 第一類基礎零件的件數(shù)比

圖4 第一類基礎零件的規(guī)格數(shù)量比

4.1.2 “雙通道-電池-電機-油泵”式電液伺服機構 （簡稱第二類）

第二類單套整機共使用零件30種、共1212件，其中基礎零件14種、共547件，如圖5～圖8所示，其中螺釘類、密封圈類、螺母類、螺柱類、墊圈類、鉚釘類、管道類基礎零件的用量相對較多。

圖5 第二類零件種類占比

圖6 第二類零件數(shù)量占比

圖7 第二類基礎零件的件數(shù)比

圖8 第二類基礎零件的規(guī)格數(shù)量比

4.1.3 “四通道-燃氣-渦輪-泵”式電液伺服機構 （簡稱第三類）

第三類單套整機共使用零件共有31種、共2615件，其中基礎零件14種、共1159件，占比情況如圖9～圖12所示，其中螺釘類、密封圈類、墊圈類、螺栓類、螺母類、堵頭類、螺柱類、鉚釘類基礎零件的使用相對較多。

圖9 第三類零件種類占比

圖10 第三類零件數(shù)量占比

圖11 第三類基礎零件的件數(shù)比

圖12 第三類基礎零件的規(guī)格數(shù)量比

根據(jù)統(tǒng)計結果，在三種典型電液伺服機構中均用到了14種基礎零件，基礎零件的規(guī)格種類比達45%以上，數(shù)量比為43.63%～49.90%；在重用度上，伺服機構的集成度越高，則基礎零件的使用數(shù)量和占比越高。

4.2 對應策略

考慮到每種基礎零件的實際使用規(guī)格數(shù)、借用概率，對基礎零件在其配套整機上的件類比（平均每種規(guī)格的使用件數(shù)）進行統(tǒng)計、排序，將14種基礎零件按照可以進行標準化的優(yōu)先級分為4類，對應的標準化轉化策略如下。

●A類基礎零件。螺釘、螺柱、螺栓、鉚釘類零件的件類比較高，在每臺伺服機構中的使用率高、使用數(shù)量大，在不同產品之間的重復借用率也相對較高，其結構固定、尺寸規(guī)格已形成系列化，是最適合也較容易實現(xiàn)標準化的基礎零件。

●B類基礎零件。鍵銷、手動閥門、濾網類零件在單臺伺服機構中雖然總的使用數(shù)量不多，但其尺寸規(guī)格少，在不同產品上基本為原樣借用，故可以將其直接轉化為固定結構與尺寸的特殊標準件。

●C類基礎零件。螺母、密封圈、堵頭類零件在不同產品上的使用規(guī)格出現(xiàn)較多重復，但在單臺伺服機構中的使用規(guī)格數(shù)多、每個規(guī)格的件數(shù)少，件類比不高。這類基礎零件雖然結構形式固定、材料基本確定，但具體尺寸參數(shù)受到的結構限制多，因此需要先對其尺寸規(guī)格方面進行系列化規(guī)劃，再可轉化為通用系列化的標準零件。

●D類基礎零件。墊圈、密封墊、管道、卡箍類零件在每臺伺服機構中的件類比均較低，接近于每種規(guī)格1件～2件，在整機中使用的總數(shù)量較低。雖然其材料固定、結構形式固定，但尺寸差異大，多為根據(jù)特定接口定制。考慮此類零件的標準化時，需先統(tǒng)一規(guī)劃其安裝接口，繼而才能對相應接口上墊圈、密封墊、卡箍的厚度、外部尺寸、內部尺寸進行統(tǒng)一或系列化。管道類零件的標準化，可先考慮柱形接頭、管子等直通管道在外徑、壁厚、長度、兩端接口尺寸上的規(guī)格統(tǒng)一或系列化的可行性，同時需考慮與管道配合的三通管接頭等多向接頭的長度調整的可行性，以及管道焊接所需長度余量的焊接工藝性，必須確保在開展管道零件標準化的同時，不降低管道所在的接頭部件各方面的使用要求。

5 標準化實施方法

由于基礎零件中有較大一部分為類似于標準緊固件和通用形式密封件，故可以充分借鑒國家標準和國家軍用標準開展標準化研究，基本的實施步驟如下。

a）基礎零件的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。按照應用范圍、分類和標準化策略，對在用的基礎零件按結構形式、規(guī)格、使用數(shù)量等進行匯總，分析零件特點及具體要求差異，從材料、性能、尺寸、結構要素等方面進行歸納總結，梳理出其通用型式、通用特性要求及常用材料、規(guī)格范圍，確定基礎零件進行標準化的分布實施規(guī)劃。

b）按優(yōu)先級進行首批基礎零件標準化的轉化研究。按照標準化策略的優(yōu)先級，將產品上相對使用較多、對生產影響較顯著的典型基礎零件作為首批標準化研究對象，進行統(tǒng)計分析和標準化方案研究，盡量向國標、國軍標或行標靠攏，確定零件材料、性能、規(guī)格、交驗等方面的要求，及推薦的優(yōu)選參數(shù)及優(yōu)選系列，初步確定基礎零件轉化為系列化基礎標準件后的對象型式、規(guī)格系列與材料范圍。

c）編制基礎標準件的技術標準與規(guī)范。根據(jù)確定的基礎標準件的各方面要求，參照國家標準、國家軍用標準或相關行業(yè)標準的編制方式，編寫出我廠基礎標準件的技術標準與規(guī)范，明確具體的規(guī)格范圍、結構外形、材料、尺寸、熱處理、表面處理、標記方法、倒角、收尾、公差、重量、驗收、標志與包裝等方面要求，考慮優(yōu)選范圍、優(yōu)選參數(shù)的體現(xiàn)方式。

d）研究基礎標準件的定制生產與外協(xié)、外購的實現(xiàn)方法。與物資部門合作，對處于合格供應商名單內、與我廠有良好合作關系的標準件專業(yè)生產廠家情況進行調研，對需要的基礎標準件進行生產實現(xiàn)評估與詢價，與現(xiàn)有的自制緊固件從備料狀態(tài)、批量管理、加工方式、工藝工序、交驗管理、質量一致性、單件平均工時、產出周期及單件平均成本等方面進行綜合比較，最終確定基礎標準件最優(yōu)化的批量生產方式與合作廠家。

e）基礎標準件的試制與驗證。按照編制的技術標準與確定的生產方式，進行基礎標準件的試制生產，對實際的生產實現(xiàn)過程進行驗證，并選取一定數(shù)量的試制件與對應的原伺服機構基礎零件 （技術要求完全相同）進行各項性能測試與對比，確保按照轉化后的基礎標準件技術標準生產的實物能夠完全滿足使用要求，且不低于原基礎零件的各項技術指標、可以對其進行替代使用。

f）研究基礎標準件的選用落實辦法。根據(jù)實際產品使用需求，研究制定在伺服機構類產品上優(yōu)先選擇基礎標準件的選用落實要求及管理制度，確定基礎標準件從設計選用、計劃投產、啟動定制、物料采購、生產管理、入廠復驗及質量管控等環(huán)節(jié)的主管單位、職責分工、實現(xiàn)方式等具體要求，并形成相應的管理制度文件。

g）基礎標準件的推廣與總結。分析在新研、在研及已定型產品中推行落實基礎標準件的不同方法及具體流程，考慮通過培訓、專題匯報等形式推進各方對基礎標準件的了解與認識，通過標準、制度促進基礎標準件的廣泛應用。對本項目中基礎零件的標準化工作進行總結，為后續(xù)其它零件的標準化積累經驗、奠定基礎。

6 過程管理要求

6.1 設計管理

基礎零件標準化的最終結果是將自制、專用的基礎零件轉化為相關技術標準中標準件，這就要求轉化后的技術標準應覆蓋原基礎零件的所有方面的設計要求，按技術標準生產出的標準零件應盡量做到對原零件的原位替換，并在技術標準的尺寸規(guī)格范圍中充分體現(xiàn)推薦的優(yōu)選規(guī)格和潛在需求規(guī)格。

因此，在進行基礎零件標準化的技術標準的設計與編寫時，需要對現(xiàn)有在用基礎零件的信息充分整合和歸類整理，詳細了解基礎零件的使用環(huán)境與工況、可靠性、壽命等要求，充分參研與該類零件相近的通用標準，在保持滿足基礎零件的所有使用要求的基礎上，對現(xiàn)有基礎零件的規(guī)格系列、細節(jié)特征、常用處理要求等進行合理規(guī)劃和規(guī)范統(tǒng)一。

技術標準編寫完成后，應提交產品設計、機加工藝、熱處理/表面處理工藝、裝配工藝、質量、檢驗、標準化等專業(yè)的專家審核，對標準中對原使用要求的滿足性、對潛在需求考慮的完整性、標準內容的正確性和完整性、標準條目內容的合理性和可實施性、標準格式的規(guī)范性等方面全面把關，在溝通及協(xié)調后對標準內容及時進行完善。另外，考慮到基礎零件標準化后可能委托外部專業(yè)廠家批量生產，故也需要將技術標準的全部內容與外部生產專業(yè)廠家充分溝通確認，避免出現(xiàn)與實際工藝結果相差大、不利于采用優(yōu)化工藝、交驗管理要求不易實現(xiàn)等情況。

基礎零件標準化的技術標準必須通過專項評審后才可申請發(fā)布，而后可以開展產品設計時的選用與生產。每一類基礎零件標準化 （簡稱基礎標準件）后，建議先進行生產試制，對基礎標準件的生產工藝、生產流程、實物性能和使用可靠性進行驗證，再進行推廣選用。

6.2 選用管理

為促進基礎零件標準化在實際產品上的落實，在基礎標準件的技術標準發(fā)布后，產品設計人員應對標準進行詳細學習，了解已經過標準化的基礎零件的類型和規(guī)格范圍，在產品更新?lián)Q代和新研任務中，優(yōu)先從技術標準中選用符合要求的基礎標準件，或通過微調局部結構來實現(xiàn)對已有的基礎標準件的優(yōu)先選用，盡量減少出現(xiàn)與基礎標準件相似的新結構件。

在產品設計選用時，應充分考慮對基礎標準件的強度、剛度、環(huán)境、螺紋、重量、表面防護、工作溫度、有害污染物等方面的詳細要求，優(yōu)先選用標準中推薦的優(yōu)選范圍內的產品，其次考慮優(yōu)選范圍外的產品，盡量不要選用 “不建議選用范圍”內的非常用規(guī)格。當產品研制所需要的基礎標準件的尺寸規(guī)格未包含在技術標準范圍中，建議通過提請補充修訂的方式，由標準編制組充分審查研究后，對基礎標準件的標準內容進行完善與修正。

6.3 生產管理

基礎標準件作為一類特殊的配套零件，必須通過明確合理的生產管理流程落實在產品上。按照一般零件的研制生產過程，在設計選用后，生產部門會編制工藝路線指導零件的投料、熱處理、機加工、表面處理和交驗入庫，基礎標準件亦可參照此基本流程，先期明確基礎標準件的外協(xié)/自制方式，確定其生產計劃制定、投料、機加工、熱/表面處理、生產交驗/復驗、入庫保管的具體負責單位和流轉要求，具體每個環(huán)節(jié)內部的操作與普通結構件相同。作為專業(yè)外協(xié)件，則應明確外協(xié)任務提出單位、基礎標準件的入廠復驗單位與職責要求，并按照外購外協(xié)件的通用質量控制程序執(zhí)行對基礎標準件的外部生產管控，建議通過專用管理文件明確基礎標準件的外協(xié)管理相關具體要求。

綜上所述，電液伺服機構的基礎零件由于結構簡單、種類繁多、在同類產品上的使用概率高，給現(xiàn)有的設計、生產工作帶來較大壓力和資源耗費。本文從三化研究的角度，給出基礎零件的標準化研究方案，但考慮到具體實施的難度和工作量，建議分步、分類開展相關工作。