航天產品合格率提升與穩定性控制方法及實踐

楊雙進、劉明全、黃迅 /中國航天科技集團有限公司

為提高航天產品的質量一致性和生產穩定性，確保型號任務圓滿成功，中國航天科技集團有限公司開展了航天產品合格率提升與穩定性控制方法研究工作，旨在建設一流產品體系，支撐航天裝備科研生產能力的全面提升。產品合格率是反映產品生產質量控制能力的重要參數，直接體現了生產廠所滿足產品質量要求的能力；穩定性是反映產品制造過程質量一致性和產品性能波動的重要參數，直接體現了生產廠所對產品質量特性波動的控制能力。為保證開展產品合格率提升與穩定性控制工作的科學性、系統性和規范性，本文重點介紹了產品合格率提升與穩定性控制工作模型和實施途徑及實踐應用效果，旨在為航天產品質量創新管理提供思路和借鑒。

一、合格率提升與穩定性控制現狀分析

產品合格率提升與穩定性控制工作的基礎之一是產品實現過程和最終產品的實際數據及歷史樣本數據。由于航天產品大多具有品種多、批量小的特點，產品樣本數量少、數據積累不足，即使近年來航天產品的生產批量有所增加，但相對工業化產品仍然屬于小子樣范疇，在產品問題識別、合格率與穩定性統計分析上存在一定的困難，這也使得產品合格率提升與穩定性水平未能達到理想水平。例如，2018 年，關鍵單機類典型產品的平均合格率僅為78%，而部分工序的合格率波動度卻達5%以上，與國際一流軍工企業相比，我國軍工企業一些產品的工藝保證能力仍顯不足，仍然存在產品過程控制特性辨識不充分、工藝窗口試驗不充分、過程控制要求不細化和不量化等現象，導致產品合格率水平低或產品性能穩定性差，亟需深入、系統地推進產品過程質量管理，以產品合格率提升與穩定性控制為抓手，逐步形成科學規范的產品質量保證流程方法，建設與新形勢、新任務相匹配的航天質量保證能力。

通過對歷年出現的質量問題進行統計分析不難發現，當前出現的質量問題大多不是沒有涉及或不能攻克的技術難題，而是更多地表現為過程質量控制不全面、不深入、有效性低等問題，說明當前高質量保證成功的能力仍有所欠缺，產品質量管理的系統性、協調性和有效性仍需進一步提升。部分產品在發生質量問題后，歸零過程消耗了大量人力、物力，產品的返修和再生產也給責任單位造成了較大的成本壓力，一定程度上影響了單位的經濟效益。因此，要全面實現高質量、高效率、高效益的發展目標，必然要求技術與產品、人員與管理、方法與手段的統籌融合，通過全員、全過程、全要素、全數據支撐，提升質量管理工作的系統性，從而實現全局最優。

二、合格率提升與穩定性控制工作模型

合格率提升與穩定性控制兩者相輔相成、循環迭代，共同促進打造高質量航天產品。就具體產品而言，根據產品的不同特點，可選取不同的工作模型開展提升工作：對于一次交檢合格率偏低、超差/報廢嚴重、長期讓步使用、嚴重影響顧客滿意度的產品，適合優先開展產品合格率提升工作；對于合格率相對較高、具有一定生產批量、產品關鍵質量特性波動大、影響型號質量可靠性水平的產品，適合優先開展穩定性控制工作；對于雖然產品合格率水平尚可、質量數據一致性較穩定，但對標精益生產過程與卓越產品標桿，產品合格率與穩定性仍存在差距，需在研制生產過程中開展合格率提升與穩定性控制迭代提升工作。相關工作模型如下。

1.合格率提升模型

產品合格率提升按照“兩展開、六步驟”的模式開展，其提升模型如圖1 所示。

圖1 產品合格率提升模型圖

“兩展開”即結構展開和工序展開，其中結構展開是指按照產品結構樹，從單機產品到部件、組件、零件逐級展開；工序展開是指按照產品制造流程，從工藝層面對產品各工序或工步逐一展開。“兩展開”是對產品的全方位分解，是“六步驟”提升的工作基礎；“六步驟”即建立產品清單、明確評價指標、識別關鍵因素、提出改進措施、建立控制基線、開展科學評估，六步之間環環相扣、相輔相成，共同構成逐級遞進的串聯式合格率提升工作模型。面向產品生產全過程，分析確定影響合格率的關鍵因素，通過改進制造流程、優化工藝參數、完善工具設備、強化過程管控等手段，制定有效措施，提高產品合格率。結合3 個面向，建立長效工作機制，以提升產品的核心競爭力。

2.合格率穩定性控制模型

產品合格率穩定性控制按照“一建立、二識別、三控制”的順序開展，其控制模型如圖2所示。

（1）建立。建立合格率穩定性控制典型產品清單，按照結構和工序進行“兩展開”，分解形成產品結構樹和工序樹，逐級識別影響合格率波動的質量特性指標，建立過程控制指標體系。

（2）識別。以產品生產過程的歷史數據為基礎，運用統計過程控制（SPC）、故障樹分析、過程失效模式與影響分析（PFMEA）等工具方法，統計分析產品質量特性指標波動情況，選取對產品合格率和穩定性產生較大影響的關鍵因素，并形成關鍵因素清單。

圖2 產品合格率穩定性控制工作模型圖

（3）控制。按照過程控制指標體系，面向產品制造全流程，從人、機、料、法、環、測等方面開展全方位控制，保證過程的穩定性和過程實現能力。控制措施包括人員控制、優化工藝流程、細化工藝參數、引入自動化加工與檢測設備、工裝保證、不可檢不可測過程控制、標準化作業及防差錯控制等，通過制造過程的有效控制實現產品合格率穩定性控制的目標。

3.合格率提升與穩定性控制的迭代模型

合格率提升與穩定性控制迭代模型如圖3 所示。在每一批產品生產前，需預先設定產品目標合格率，并根據目標合格率計算材料利用率、合格品成本率、合格品工時率等質量效益指標；在每一批次產品生產結束后，按照批次對目標合格率的波動情況進行評估分析，包括評估分析過程控制措施的有效性，查找過程控制指標體系和過程控制的薄弱點，通過控制措施的持續迭代優化，使目標合格率控制在穩定范圍。同時通過波動分析發現薄弱環節，并進行過程改進，以實現合格率的持續提升。計算材料利用率、合格品成本率、合格品工時率等質量效益指標的目的是通過持續改進來實現效益提升的量化評價，并將增值效益投入持續改進工作，以實現合格率提升與穩定性控制的良性迭代。

三、合格率提升與穩定性控制實施方法

1.確定產品對象

面向關鍵單機、精密機構產品和復雜結構件產品，制定梳理原則，選取典型產品，全面梳理產品合格率及穩定性現狀，重點面向上天產品與地面關鍵設備，全面梳理合格率及穩定性現狀，重點識別裝配調試困難、僅靠人工技能保證、合格率長期處于較低水平、返修率高、質量數據波動大的典型產品，并針對產品特點和問題性質確定合格率提升與穩定性控制工作模型。

2.建立指標體系

基于確定的典型產品對象，按照結構和工序“雙展開”對產品進行分解，其中結構展開分解至零件級，工序展開分解至工步。結合產品歷史質量數據，逐級分析產品關鍵質量特性指標超差或波動情況，梳理影響產品合格率提升與穩定性控制的重要指標，分析產品關重特性與問題指標的內在關聯，建立問題指標管控標準，形成典型產品合格率與穩定性評價指標（主要包括性能指標、工藝控制指標和穩定性指標等）。

3.制定實施方案

圖3 產品合格率提升與穩定性控制迭代模型圖

按照合格率提升與穩定性控制工作模型，對識別出的影響產品質量特性的關鍵指標進行針對性改進。改進措施主要分為技術類和管理類。其中技術類改進措施主要包括設計和工藝方案優化，自動化、數字化生產設備引入，生產數據統計分析方法應用，特殊過程檢驗控制等，通過技術手段提升產品過程實現控制能力；管理類改進措施主要包括生產現場環境改善、生產及檢驗過程記錄確認、數據包管理、人員培訓、流程優化等，通過管理手段提升產品質量控制的保障能力。

4.驗證改進措施

逐級推進各項改進措施，在實施改進后，一方面，統計產品生產過程基礎數據，分析產品關鍵特性指標的波動情況，對比改進前后問題指標的控制成效，并結合產品歷史數據，評估產品采用改進措施后的合格率提升情況，以驗證改進措施的有效性；另一方面，對于驗證有效的措施，及時將相關內容固化在產品的設計、工藝、生產、檢驗等相關要求中，建立控制基準，并在后續生產過程中進行迭代驗證，逐步優化產品技術管理流程。

5.總結評估提升

在完成產品改進措施驗證工作后，逐級開展產品合格率與穩定性控制工作的科學評估工作，建立閉環工作機制。一是評估產品的合格率提升與穩定性控制目標是否實現，是否通過提升產品質量可靠性水平保障型號任務順利完成；二是評估基于關鍵特性指標控制的質量管理流程是否有效建立并持續優化，流程的運行是否有效促進了質量效益的提升；三是評估組織的資源配置是否得到優化，科研生產過程管理機制是否得到了改進，行業競爭力及影響力是否得到了提升。

四、合格率提升與穩定性控制工作實踐

1.三浮儀表

某單位設計生產的三浮儀表主要包括三浮陀螺儀和三浮陀螺加速度計。近年來，三浮儀表用量增加、生產任務快速增長，暴露出產品合格率偏低、性能參數不穩定等問題，導致產品交付困難，系統產品裝調周期波動大，產品精度與質量問題時有發生，成為制約產品按時交付的關鍵因素，同時質量成本居高不下。

針對三浮儀表存在的問題，該單位面向產品實現過程采取產品層級和工藝過程的“兩個打開”、工藝瓶頸和工藝裝備的“兩個攻關”等措施。以“產品細分層級縱向到底”為目標，分解兩型儀表的產品結構、追溯歷史數據，從縱向進行全配套打開直至零件級。以“工序打開橫向到邊”為目標，對兩型儀表打開工藝流程，統計、追溯工序合格率，識別瓶頸工序；細化量化工序控制要求，提升工序質量。此外，緊扣質量問題，著力推進設計工藝協同攻關，針對儀表的制造難點和過程質量問題，建立設計工藝協同攻關機制，在設計上強化仿真分析和技術指標復核，在工藝上強化方法改進和量化控制，開展了40 余個工藝項目研究；同時，梳理工作流程及要求，制定了合格率與穩定性控制工作管理辦法。

通過對兩型儀表的合格率與穩定性進行控制，產品合格率得到持續提升，產品交付數量明顯增長，進一步推動了經濟效益和員工收入的增長。其中，從2019年至2020 年，三浮陀螺儀的合格率由32.5% 提升至55.0%；從2019 年至2021 年第三季度，三浮陀螺加速度計的合格率由55.1%提升至75.0%，有力保障了科研生產任務的完成。

2.航天電源

某研究所設計生產的鋰電池產品廣泛應用于載人航天及衛星型號，產品質量要求高，參數一致性等指標關注度高。通過統計前期6 個生產批次的鋰電池歷史數據可以發現，產品合格率平均僅為77%，批次間合格率相對均值的波動度達4%。

針對此現狀，該單位逐級分解了鋰電池生產流程，主要分為極片生產制造和單體裝配測試2個階段，分析了各工序的合格率及波動情況，發現極片涂布和電芯疊片工序的合格率波動度較大，是穩定性控制的主要對象。針對極片涂布工序的關鍵參數“活性物質”面密度，綜合運用統計過程控制（SPC）和過程能力指數（

C

）技術對工序過程進行分析，發現原有的極片面密度離線檢測需要在涂布過程中停機取樣，不可避免地會引發停/復機問題，造成面密度波動，對工藝過程能力造成較大影響；針對電芯疊片工序，通過解剖發現，工序合格率不穩定的2 個批次均發生了部分極片邊緣磕碰掉粉，導致電芯絕緣性能下降的現象。

針對分析結果，該研究所引入β 射線面密度無損檢測系統，對極片面密度的檢測從停機取樣抽檢變為在線無損全檢，在提升檢測覆蓋性的同時大幅降低了面密度波動；同時完善極片料盒的尺寸公差，并將極片實物檢查納入產品質量保證要素進行管理，有效杜絕了極片邊緣磕碰掉粉的情況出現。對極片的上料管理進行提升后，25 個批次電芯制備工序的不合格率異常波動得以消除，工序穩定性得到有效提升。通過合格率提升與穩定性工程，產品合格率平均值已從2018 年的77%提升至2020 年的90%以上，產品合格率波動度由4%降低至2%，產品合格率與穩定性控制能力得到大幅提升。

某單位生產的高壓電磁閥是低溫運載火箭冷氦增壓系統最重要的閥門之一，安裝在火箭三級儀器艙的冷氦增壓系統中，用于控制冷氦氣瓶氣體通往液氧箱通路的啟動和關閉。閥門結構復雜，深低溫條件下各零件之間的裝配間隙和密封副配合關系較常溫狀態會發生很大變化，生產過程中合格率相對較低，長期徘徊在50%左右。

3.高溫電磁閥

某單位生產的高壓電磁閥是低溫運載火箭冷氦增壓系統最重要的閥門之一，安裝在火箭三級儀器艙的冷氦增壓系統中，用于控制冷氦氣瓶氣體通往液氧箱通路的啟動和關閉。閥門結構復雜，深低溫條件下各零件之間的裝配間隙和密封副配合關系較常溫狀態會發生很大變化，生產過程中合格率相對較低，長期徘徊在50%左右。

針對此現狀，該單位梳理了2016—2018 年廠投產交付情況，平均合格率為56.9%。研制團隊對質量指標進行統計分析發現，零件加工直徑偏差導致的部分閥門運動副間隙量偏大及殼體組件閥座部位表面粗糙度偏大是導致系統性偏差的主要因素。針對該問題，研制團隊一方面對閥門運動副間隙控制進行改進，在裝配前基于實測值進行零件的選配，確保運動副間隙處于按照數據統計分析確定的優化區間0.03～0.05mm 內；另一方面，對閥座密封面表面粗糙度進行改進，采用故障樹分析法（FTA）找出在加工過程中影響密封面粗糙度的因素，通過提高刀具剛性、組合優化配置機床轉速和切削速度，提高表面粗糙度控制質量，開展試驗驗證；另外，從人、機、料、法、環等方面進行排查分析，逐一消除刀具結構、刀具質量、設備精度、加工參數等因素對閥座密封面粗糙度產生的影響。

在采取上述改進措施后，該單位分別生產了3 個批次閥門，平均合格率達81.1%，合格率得到明顯提升。同時為控制隨機性偏差、預防異常性偏差，該單位針對閥門裝配過程、關聯零組件的加工過程，進一步分析了人、機、料、法、環等可能導致兩類制造偏差的因素，并采取針對性措施，實施精細化控制，通過細化優化工藝要求、合理設置工藝參數適用范圍、明確機床精度要求、明確刀具使用次數/切削時間、固化操作方法等，進一步控制零件加工過程中的隨機性偏差。

實踐證明，產品合格率提升與穩定性控制是保證產品質量和生產一致性、優化科研生產模式的一種有效手段，通過開展關鍵影響因素識別、改進措施制定與應用驗證、基于數據驅動建立控制基線等工作，以產品合格率提升與穩定性控制工作為切入點，通過科學、合理利用現有資源，有效降低研制成本、提升生產效率、提高企業競爭力。后續，在持續推進合格率提升與穩定性控制工作的基礎上，需進一步完善工作機制建設，并進一步促進產品合格率提升與穩定性控制工作和工藝工作、產品化工作的結合，推進產品合格率提升與穩定性控制工作成果的深化應用。▲