陳白帆，蘇 磊，李野川，王欣巍，李江濤

（1．北京航天控制儀器研究所，北京100039；2．北京航天自動控制研究所，北京100039；3．北京市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會，北京100029；4．中國航天電子技術(shù)研究院，北京100094）

淺談高精度慣性儀表制造技術(shù)特征中不可忽視的制造工藝固有特性問題

陳白帆1，蘇 磊2，李野川3，王欣巍4，李江濤1

（1．北京航天控制儀器研究所，北京100039；2．北京航天自動控制研究所，北京100039；3．北京市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會，北京100029；4．中國航天電子技術(shù)研究院，北京100094）

重點研究了我國高精度慣性儀表產(chǎn)品制造技術(shù)如何突破傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品制造工藝?yán)砟詈驼J(rèn)知框架，解決高精度慣性技術(shù)（原理）產(chǎn)品制造合格率、參數(shù)穩(wěn)定性和精度提高問題。首次在產(chǎn)品制造技術(shù)特征中從理論上提出了 “制造工藝的固有（基因）特征性”概念，當(dāng)研究提高慣性儀表精度的解決方案時，從制造角度應(yīng)注意到這一 “固有的遺傳（基因）特征”抽象概念對產(chǎn)品精度影響作用。提出了在高精度慣性儀表的制造工藝設(shè)計中，應(yīng)關(guān)注減小或消除這些制造工藝固有特征作為關(guān)鍵工藝控制因素。

慣性技術(shù)特征；制造技術(shù)特征；工藝固有缺陷；零件基因缺陷；產(chǎn)品制造可靠性

Abstract：This paper focuses on how to break through the traditionalmanufacturing process and cognitive framework in themanufacturing technology of high precision inertial instrument in China，to solve the problem of improving productmanu?facturing qualification rate，parameter stability and accuracy of high precision inertial technology（principle）．It is the first time to put forward the conceptof“inherent（gene）characteristics ofmanufacturing process”in theory in the technical charac?teristics of productmanufacturing．When the solution to improve the precision of inertial instrument in the study，we should pay attention to the influence of the concept of“inherentgenetic defect”on product precision from themanufacturing pointof view．In this paper，it is pointed out that themanufacture of high precision inertial instruments should reduce or eliminate the inherent characteristics of thesemanufacturing processes，and as a key process control factors to be concerned．

Key w ords：inertial technology characteristics；manufacturing technology features；inherent characteristics of process；inherent genetic defects of parts；productmanufacturing reliability

0 引言

為什么相同的材料，會產(chǎn)生出不同性能、不同質(zhì)量的產(chǎn)品？為什么相同功能的產(chǎn)品，會有不同的使用壽命？我國自主研發(fā)的高精度慣性儀表產(chǎn)品目前面臨兩大核心問題，一是基本解決了“有和無”的問題，二是解決不了 “能用和不能用”的問題。我國發(fā)展了50多年的高精度產(chǎn)品關(guān)鍵基礎(chǔ)零、部件的制造能力與工業(yè)化先進(jìn)國家相比，依然還存在一定的差距。從控制系統(tǒng)中關(guān)鍵高性能單機(jī)產(chǎn)品慣性儀表的生產(chǎn)制造分析，單從設(shè)計要求零件的尺寸精度、形狀精度、位置精度、表面粗糙度Ra來看，與工業(yè)化先進(jìn)國家相比似乎沒有什么差別，甚至我們圖紙的要求更高、更多?？墒?，由滿足設(shè)計要求的 “高精度零件”裝配出的產(chǎn)品還是合格率低，產(chǎn)品投入使用后在穩(wěn)定性方面差距就更加明顯。

隨著慣性儀表產(chǎn)品精度、性能和可靠性要求的進(jìn)一步提高，研究認(rèn)為制造工藝因素對產(chǎn)品的影響作用越來越大，傳統(tǒng)的產(chǎn)品制造技術(shù)認(rèn)識已遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到滿足高精度慣性儀表產(chǎn)品性能的要求。所以，創(chuàng)新的制造理念和更深的認(rèn)知是突破高精度儀表制造瓶頸的關(guān)鍵。產(chǎn)品制造不但要針對不同產(chǎn)品的設(shè)計技術(shù)特征——原理特征（基因）和性能（基因）特征，準(zhǔn)確制定產(chǎn)品制造工藝方案，而且還必須有效識別制造工藝的固有（基因）特征對產(chǎn)品設(shè)計原理特征和性能特征的影響作用（如果這一制造工藝固有的特征對產(chǎn)品設(shè)計原理、性能與可靠性是有危害的，本文稱為 “制造工藝固有缺陷”），即要確保各工藝參數(shù)滿足和匹配產(chǎn)品技術(shù)特征的設(shè)計要求，還要保證制造工藝的固有（基因）缺陷不違背設(shè)計原理和不影響性能要求以及可靠性指標(biāo)。

本文借助于生物工程遺傳基因工程原理，提出產(chǎn)品的全壽命周期基因工程全新的制造技術(shù)理論。將生物生長機(jī)理用于產(chǎn)品形成，將設(shè)計特征、制造特征的 “特征”看作產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與零件表面信息的 “DNA”，提出從產(chǎn)品制造技術(shù)特征與產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)特征匹配性角度重新認(rèn)知產(chǎn)品制造技術(shù)更深的本質(zhì)與內(nèi)涵。僅從理論上提出了 “制造工藝的固有（基因）特征性”概念，以此從產(chǎn)品制造階段展開研究分析，希望在研究高精度慣性儀表產(chǎn)品制造合格率低、穩(wěn)定性差和工程用產(chǎn)品的可靠性問題的解決方案和失效分析時，注意到這些概念表現(xiàn)出的宏觀與微觀、顯性與隱性、遺傳性與進(jìn)化性對產(chǎn)品性能（精度）與可靠性的影響作用。

1 慣性儀表制造工藝固有特征分析

高精度慣性儀表作為集機(jī)、電、磁、熱、流體（氣、液）和微環(huán)境學(xué)等多物理?化學(xué)耦合效應(yīng)于一體的產(chǎn)品，對零件微結(jié)構(gòu)變化、應(yīng)力方向、加工紋理方向、機(jī)構(gòu)運動磨損、密封空間微環(huán)境溫度、濕度和氣氛變化、隱性或非隱性介質(zhì)、電化學(xué)腐蝕、微環(huán)境腐蝕和老化等問題極為敏感。研究認(rèn)為，在產(chǎn)品設(shè)計階段，多物理?化學(xué)耦合的仿真多為單項分析，產(chǎn)品性能設(shè)計和可靠性設(shè)計所涉及的外干擾因素、內(nèi)干擾因素影響，尤其是制造干攏因素影響識別的不夠充分，特別是產(chǎn)品制造技術(shù)特征中工藝存在的固有缺陷對產(chǎn)品性能產(chǎn)生直接影響的識別和危害認(rèn)識存在空白，使得設(shè)計出的產(chǎn)品固有的余度小，而產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)特征多以結(jié)構(gòu)參數(shù)為基本表述內(nèi)容（設(shè)計文件）；其二，本文主要分析的內(nèi)容，在產(chǎn)品制造階段，現(xiàn)有的工藝設(shè)計體系對精度越來越高的慣性儀表產(chǎn)品來說是很不完善的，長期不變的傳統(tǒng)工藝設(shè)計思想一直以零件滿足幾何精度為主要目的，不是考慮零件滿足產(chǎn)品設(shè)計原理特征與性能特征的匹配性、符合性為目的，特別是未辯識出采用的制造工藝固有的特征性對產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)特征的固有的遺傳（遺傳基因缺陷）影響因素。所以，高精度慣性儀表制造不斷在零件加工精度上下功夫，零件加工的幾何尺寸精度要求一高再高，然而這些合格的高精度零件依然無法穩(wěn)定地裝配出合格的產(chǎn)品和固有可靠性高的產(chǎn)品，這充分說明在幾何尺寸合格的零件上，必然還隱藏著許多導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)合格率低、參數(shù)不穩(wěn)定和可靠性低的未知因素（基因組）。

在研究高可靠電磁繼電器制造技術(shù)中，關(guān)注到不同的工藝方法對產(chǎn)品帶來的固有（基因）缺陷，這一缺陷并非制造過程形成，而是工藝方案確定后，就可以判斷該種缺陷的必然存在。如同人類夫妻一方如有遺傳基因缺陷，無論十月懷胎過程控制得多好，還是可以判斷嬰兒帶有這一固有基因缺陷，這就是基因的遺傳性。正是借助了零件制造過程與生物生長機(jī)理的相似性，在零件制造中提出了 “制造工藝的固有（基因）特征性”概念，初步定義為：“再精密和再受控制的工藝方法都帶有某些至今未被很好認(rèn)識到的固有（基因）特征，這種固有特征都會在被加工零件表面留下或形成各種的（幾何、物理、化學(xué)、力學(xué)、污染等）特征狀態(tài)，即零件表面微觀工藝特征（零件基因）。零件表面存在的這些微觀（基因）特征狀態(tài)會影響零件性能特性，對產(chǎn)品的設(shè)計原理與性能及其可靠性的影響具有直接相關(guān)性，如不能有效識別固有的特征和控制這些狀態(tài)，產(chǎn)品會始終存在這一缺陷。如果這一缺陷對產(chǎn)品設(shè)計原理特征和性能特征是敏感的，最終將導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)合格率低、參數(shù)穩(wěn)定性差，直至可靠性退化或失效?！?/p>

1.1 原材料特征因素

因國家基礎(chǔ)工業(yè)能力因素，原材料無法做到同一廠家、同一規(guī)格、不同爐號的材料微觀層面的一致性。如簧片材料鈹青銅，同一廠家、同一規(guī)格、不同爐號的材料如圖1所示，鈹青銅A與B僅從表面觀察形貌微結(jié)構(gòu)差異就非常大。

再如鈹材用于關(guān)鍵部件中，結(jié)晶結(jié)構(gòu)是設(shè)計時需要考慮的主要因素。鈹在沿a軸和c軸方向上的熱膨脹系數(shù)的差異，會造成在溫度變化期間每個晶粒熱膨脹引起的不匹配。原材料的差異性缺陷將帶來隱性的影響，而我們現(xiàn)在習(xí)慣性地認(rèn)定原材料都是合格的，忽視了差異性的識別。

鈹材雖然被認(rèn)為是自鈍化材料，可以抵制大氣中的氧化，但在加工過程冷卻液的類型、生產(chǎn)環(huán)境大氣污染物、加工、操作和存儲過程都易發(fā)生腐蝕問題，如使用水溶性的冷卻液不能超過30min，自來水中的氯和指紋中的鹽會嚴(yán)重地腐蝕鈹材表面。這些都是材料本身固有的特征缺陷。

1.2 儀表制造工藝特征因素

（1）機(jī)械加工特征

零件表面的加工紋理方向、微觀輪廓形貌、損傷、微裂紋深度和殘余應(yīng)力等的形成都與選擇的加工手段和工藝參數(shù)（如切削速度、進(jìn)給速度、切削深度、刀具參數(shù)和刀具的更換間隔標(biāo)準(zhǔn)等）直接相關(guān)聯(lián)，形成的零件自相似性（遺傳基因）的差異（大到某一限度），特別對對稱、配對使用的零件以及面接觸關(guān)系的零件影響很大。

（2）特種加工特征

電鍍工藝制備的涂層必然形成結(jié)構(gòu)低致密性、表面缺陷多、孔隙率高、與基材的附著力差等固有的缺陷，涂層中含有大量殘留腐蝕性污染物，如圖2所示。

物理氣相沉積方法生產(chǎn)的涂層具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和致密性，但涂層存在較大殘余應(yīng)力。涂層表面還普遍存在較多、較大的熔滴顆粒，也有少量的針孔缺陷，如圖3所示。DLC涂層存在熔滴顆粒（386倍），TiN涂層存在針孔缺陷。

離子束刻蝕的特點是對不同元素有不同的刻蝕速度，平面上刻蝕獲得槽深的均勻性好于在弧面上刻蝕。離子束加工球面槽深特征如圖4所示。

（3）零組件清潔去污不徹底

慣性儀表制造中，零部組件依然停留在清洗概念，長期以來對真空析氣排污技術(shù)認(rèn)知不足。密封的浮子組件中長期存在大量的污染物（氣氛），很大原因是沒有認(rèn)真深入地研究真空析氣排污技術(shù)特征和忽略了除線圈組（有機(jī)材料）外的其他金屬零件存在的污染特性。圖5為浮子內(nèi)微環(huán)境污染缺陷導(dǎo)致失效的陀螺馬達(dá)半球表面失效部位污染特征掃描電鏡圖和污染物能譜。

以清除污染為目的的零件清潔，應(yīng)涵蓋全部裝入產(chǎn)品內(nèi)部的零部組件。清洗只是零件清潔工藝中的一道工序，替代不了真空析氣，清洗去除不了滲透到表面微孔和微損傷層中的加工過程中各種工藝介質(zhì)的殘留物。而零件表面損傷層情況，美國B．King的研究證明了25μm的切削深度可以造成約500μm的加工損傷。而零件的各種精密加工在零件表面必然存在加工損傷，各種加工工藝介質(zhì)必然會滲入，難以清除，只有采用真空烘烤析氣的方法才能有效去除。同樣，采用電鍍工藝方法的零件，鍍層中和表面存在大量缺陷和微裂紋，其中的水、氫、硫酸鹽等成分也必須采用真空烘烤析氣的方法才能最大程度地去除。

以上是目前制造工藝因素過程涉及影響產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)一步提高的主要工藝過程、制造裝備和工藝技術(shù)問題，制造工藝因素影響產(chǎn)品可靠性還有許多環(huán)節(jié)，如絕緣子膠粘密封技術(shù)、零件熱處理、時效處理和零件清潔技術(shù)（真空析氣技術(shù)和清洗工藝技術(shù)）等過程。從軍用產(chǎn)品目前出現(xiàn)失效問題的機(jī)理分析，還有許多是現(xiàn)有工藝技術(shù)、工藝方法固有的缺陷，只有采用新的工藝方法、新的制造技術(shù)才能徹底消除。而且，這些新的工藝技術(shù)方法和制造技術(shù)也較為成熟，甚至有的將被更新的技術(shù)所替代。

1.3 工藝參數(shù)（驗證、識別）不充分因素

在產(chǎn)品制造階段，產(chǎn)品的工藝設(shè)計對產(chǎn)品的設(shè)計技術(shù)特征和零組件的性能特性不了解，工藝設(shè)計方案以零件幾何尺寸精度實現(xiàn)為主，產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程的工藝參數(shù)制定的依據(jù)不準(zhǔn)確、不充分，造成工藝的有效性并不可控。

對在密封空間內(nèi)工作的零部組件來說，溫度變化是造成一切微觀物理化學(xué)變化的直接因素。所以，準(zhǔn)確掌握產(chǎn)品內(nèi)部升溫數(shù)據(jù)是提高制造可靠性和完善工藝參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。浮子內(nèi)部微環(huán)境的實際狀況是動壓馬達(dá)性能穩(wěn)定和可靠的基礎(chǔ)，是整個慣性儀表性能實現(xiàn)的保證。但是，一直以來浮子組件制造的各階段工藝參數(shù)的制定都不是以浮子組件內(nèi)部實際參數(shù)為依據(jù)，特別是水汽含量和溫度的真實數(shù)值以及隨時間變化情況。

要使這些關(guān)鍵部件能正常有效可靠地工作，工藝的有效識別，并針對用戶在不同的外部使用環(huán)境和產(chǎn)品本身溫升參數(shù)情況，按產(chǎn)品規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求、貯存壽命要求，并按最嚴(yán)酷的考核要求作為工藝設(shè)計依據(jù)，才能制定出滿足性能和高可靠性要求的工藝參數(shù)。

在高精度慣性儀表制造中，零件尺寸穩(wěn)定性研究存在同樣狀況，工藝依據(jù)材料學(xué)的研究參數(shù)，對應(yīng)用在工程上的差異性未進(jìn)行識別。

所以，在高精度慣性儀表產(chǎn)品的生產(chǎn)制造技術(shù)特征中，更應(yīng)重視零件應(yīng)用環(huán)境的識別，重視不同產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)特征?原理特征和性能特征的識別，以創(chuàng)新的產(chǎn)品制造理念——面向產(chǎn)品設(shè)計的制造技術(shù)思想，建立統(tǒng)一完整、先進(jìn)的 “關(guān)鍵（功能）零件應(yīng)用環(huán)境識別體系”，以支撐高端產(chǎn)品、零部件制造可靠性的提升。

1.4 檢測標(biāo)準(zhǔn)、手段、能力因素

1）要解決動壓馬達(dá)零件表面和密封后內(nèi)部微環(huán)境有機(jī)、無機(jī)物污染控制和控制標(biāo)準(zhǔn)。一個光亮無塵的表面并不等于沒有化學(xué)污染成分的存在，只有通過一定的技術(shù)檢測手段，定量分析后才能確定。

2）將零件熱處理、應(yīng)力處理后結(jié)果的定量化檢測手段和能力作為零件 “控制性能制造”的關(guān)鍵問題，盡早研究解決。

1.5 大氣化學(xué)污染因素

我國大氣污染情況較為嚴(yán)重，特別是腐蝕性氣體污染日漸嚴(yán)重，在制造過程不進(jìn)行有效防護(hù)，會對產(chǎn)品的零件，尤其鈹材零件的腐蝕影響非常大。傳統(tǒng)裝配環(huán)境的溫度、濕度、潔凈度3項要求已不能滿足高性能產(chǎn)品制造的環(huán)境條件要求。

所以，產(chǎn)品零件加工后的及時清潔與保存，工序流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的存放必須得到有效控制。在裝配車間或在有害污染氣氛含量較高的環(huán)境應(yīng)考慮增加空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)除化學(xué)污染氣體功能，否則大氣化學(xué)污染氣氛將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的品質(zhì)，帶來產(chǎn)品后期失效的危害。

2 國外同類產(chǎn)品制造技術(shù)特征的控制方法

美國布拉什·維爾曼公司和Axsys公司在鈹材料加工過程，對進(jìn)給速度、切削速度和切削深度都進(jìn)行工藝評估，并由空軍材料實驗室的報告AFML?76?88提供詳盡加工參數(shù)，目的就是獲得可控的和無損傷表層。同時，為制造高精度慣性導(dǎo)航裝置，針對鈹材料零件開展了機(jī)械性能研究，材料變形和裂紋損傷的殘余力學(xué)性能、材料缺陷的辨別與鑒定、腐蝕、熱機(jī)械性能、尺寸穩(wěn)定性、時效過程性能變化、機(jī)械連結(jié)和膠接、釬焊和焊接等工藝技術(shù)基礎(chǔ)研究。

美國陸軍裝備研究所采用零件材料清潔技術(shù)，用高量級的低壓并加熱至設(shè)定溫度，以烘干可能保留在基材中的水和有機(jī)化合物。

在俄羅斯對動壓氣浮軸承零件清洗的技術(shù)、動壓馬達(dá)技術(shù)要求及調(diào)整細(xì)則等資料中，對零件的清洗要求很明確，包括在加工過程中和加工之后零件清洗的工藝過程以及零件清洗質(zhì)量的檢驗、裝配前零件和組件清洗的工藝過程和清洗質(zhì)量的檢驗。對零件均規(guī)定了長時間脫氣工藝處理要求，一些零件甚至要求進(jìn)行3次脫氣處理，同時還規(guī)定了從開始脫氣到結(jié)束脫氣之間、一直到產(chǎn)品充氣密封為止，不應(yīng)超過的晝夜數(shù)。

美國羅克韋爾公司陀螺儀制造廠使用機(jī)器人，在一個加壓的純氮氣環(huán)境中完成陀螺零件（轉(zhuǎn)子和腔體）的清洗和前道裝配。美國海軍響尾蛇導(dǎo)彈機(jī)電陀螺裝配規(guī)范，僅環(huán)境因素控制就有5條。蘇聯(lián)在繼電器制造中，對最高等級裝配場所的所有人員的出汗程度都進(jìn)行檢查和控制。

3 結(jié)論

高精度慣性儀表制造借助于生物工程遺傳基因工程原理，提出產(chǎn)品的全壽命周期基因工程全新的制造技術(shù)理論，力圖利用基因的遺傳性、變異性和進(jìn)化性來實現(xiàn)對零件制造過程中知識的認(rèn)知深化和制造創(chuàng)新，將生物生長機(jī)理用于產(chǎn)品形成。提出了產(chǎn)品制造技術(shù)特征與產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)特征的匹配性決定了產(chǎn)品固有的可靠性觀點，產(chǎn)品制造技術(shù)特征存在的固有（基因）特征具有的遺傳性，影響著產(chǎn)品合格率和參數(shù)的穩(wěn)定性。抓好涉及產(chǎn)品制造可靠性的每一個環(huán)節(jié)，有效識別影響產(chǎn)品的因素，特別是微觀、隱性的因素，才能有效提高高精度慣性儀表產(chǎn)品制造的固有可靠性，減小或消除制造工藝固有缺陷帶來的影響，才能保證產(chǎn)品投入使用時并不存在的失效因素，不隨工作時間的增長而逐漸發(fā)展；對某種始終存在（固有的遺傳基因）的失效因素，不隨工作時間的增長而逐漸累積。

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A Brief Discussion on the Inheren t Characteristics of M anu factu ring Process which can not be Ignored in the M anu factu re of H igh Precision Inertial

CHEN Bai?fan1，SU Lei2，LIYe?chuan3，WANG Xin?wei4，LIJiang?tao1
（1．Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039; 2．Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100039; 3．Beijing Municipal Commission of Economy and Information Technology，Beijing 100029; 4．China Aerospace Electronic Technology Research Institute，Beijing 100094）

U666．1

A

1674?5558（2017）04?01376

10．3969／j．issn．1674?5558．2017．04．015

陳白帆，男，研究員，研究方向為高精度慣性儀表、高可靠電磁繼電器制造可靠性、工藝可靠性設(shè)計、零件表面微觀工藝特征性、零件制造與產(chǎn)品設(shè)計原理匹配性。

2017?02?16