深入工藝流程 協同質量控制

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、裝配等各個環節中，但設計師系統往往會將質量控制的重心偏向于設計和驗收環節，將生產和裝配環節的重點放在生產單位進行控制。如果生產和裝配環節的質量控制出現問題，往往面臨的是產品報廢的嚴重后果，進而帶來經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，設計師系統只關注最后的產品檢驗環節，對產品生產的中間環節狀態并不清楚，一旦出現檢驗問題，對問題出現的環節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。

針對設計師系統對產品中間狀態把控不清晰的問題，對傳統設計生產模式進行優化，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、生產的每一個環節，對實際生產狀態有更深的理解，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，提前規避相關質量問題的發生；同時，某一環節出現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 傳統設計生產模式

在產品研制初期，設計師系統與產品生產單位應采取三維數字化異地協同工作形式，充分論證產品工藝可行性；設計師系統參與到從工藝、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的問題及時反饋給設計師系統，設計師系統根據工藝問題對產品方案進行優化設計，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。

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、裝配及狀態控制。

首先，通過三維數字協同工作模式，設計師與生產單位對產品狀態進行迭代優化后確定產品設計方案，并以藍圖形式下發到承制單位；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到產品生產部門進行模具出圖，并對生產過程中的薄弱環節進行預估；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、新狀態匹配適應性進行充分驗證，提前釋放風險，由設計方根據現場和實物對模具特殊狀態及產品制作流程進行現場指導，并由工藝記錄以完善工藝文件；進行零部件的散態預裝配，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，根據產品總裝檢測情況將最優方案落實到工藝文件當中，明確工藝文件量化參數。

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與理論設計狀態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、數量大，組合元素的實際排布與理想狀態存在一定差異，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量進行規定，并不追究工藝制作過程；工藝人員對產品狀態未能理解認識到位，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，傳統的設計生產模式已無法滿足需求，通過改進設計師系統，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，實現產品性能最優化。具體方法如下：

圖2 改進設計生產模式

首先，通過三維數字協同工作模式確定組合元素層片的整體分區方案，并以藍圖形式下發到承制單位，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、數量、組合元素粘接材料類型及重量參數進行量化，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方案細化到工藝文件中，并下發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泡制作，制作過程需對組合元素參數（材料類型、力學性能、尺寸規格、數量、排布方式）、粘接劑參數（材料類型、規格牌號、配比、質量）、模具姿態、模具預熱溫度、層片發泡方向、發泡溫度、發泡時間、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現場和實物對制作流程及組合元素排布方案等進行現場指導，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。進行零部件散態預裝配，對每一個層片塊質量進行統計，根據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，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、統計。

最后，根據預制殼體成品檢測情況對工藝參數范圍進行嚴格調整，將組合元素層片的最優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、環境、生產流程、工藝參數等形成明確量化要求，以便生產人員有效執行，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泡氣體殘留問題帶來的經濟損失和安全隱患。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，模裝結果發現其軸向質心超差約10mm，同時出現了“鼓包”現象，這將最終導致整個產品質心超差并出現安全隱患。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，控制精度實現質的提升；另外，攻關過程中排查出了多個極隱蔽的現場問題，如層片制作時模具姿態問題、模具過熱問題、組合元素排布優化方案問題等，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性和工藝經濟性；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范操作流程，進一步識別出生產過程中的薄弱環節，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生，滿足航天產品高效、精細化的發展需求。