李曙光

現(xiàn)代管理

航天產(chǎn)品精益并行制造方案探討

李曙光

（首都航天機(jī)械有限公司,北京 100076）

針對(duì)航天運(yùn)載器高可靠、制造高質(zhì)量及高效率的要求，結(jié)合相關(guān)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品研制認(rèn)知，基于現(xiàn)代制造工程精益制造、并行工程思想并不拘泥于其形式，對(duì)產(chǎn)品精益并行制造方案內(nèi)涵進(jìn)行了分析，并圍繞產(chǎn)品研制總體工藝要求、材料工藝、關(guān)鍵產(chǎn)品工藝、專用工藝裝備、可制造性、產(chǎn)品檢測(cè)、工藝規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化等主要要求進(jìn)行了探討，有助于面向不同特點(diǎn)產(chǎn)品,系統(tǒng)權(quán)衡研究制定適宜的產(chǎn)品制造方案。

產(chǎn)品制造方案；精益制造；并行工程

1 引言

航天產(chǎn)品制造基于產(chǎn)品性能、功能、使用環(huán)境、可靠性等設(shè)計(jì)要求，交付周期、成本等約束，系統(tǒng)權(quán)衡制定產(chǎn)品制造方案，確定可行制造技術(shù)路線并實(shí)施。

在產(chǎn)品全生命周期期內(nèi)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段實(shí)際發(fā)生費(fèi)用為產(chǎn)品總成本5%，但決定了產(chǎn)品總成本70%[1]，前期設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案對(duì)后續(xù)產(chǎn)品主要制造路徑、成本有重要影響。產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案本質(zhì)上包含了產(chǎn)品制造方案，產(chǎn)品關(guān)鍵制造技術(shù)如沒(méi)有突破就難以確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。先進(jìn)航天運(yùn)載產(chǎn)品由于其技術(shù)復(fù)雜性，需多專業(yè)協(xié)同參加產(chǎn)品設(shè)計(jì)，制造技術(shù)是其中重要方面。制造技術(shù)本身包含新材料工藝、傳統(tǒng)及非傳統(tǒng)多種制造技術(shù)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案研究確定階段同步開(kāi)展可行制造方案研究實(shí)施，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案確定提供支撐。

2 產(chǎn)品精益并行制造方案內(nèi)涵

產(chǎn)品制造方案應(yīng)使產(chǎn)品每一制造過(guò)程產(chǎn)生 “產(chǎn)品價(jià)值”增值。這里“產(chǎn)品價(jià)值”是指有利于保證產(chǎn)品指標(biāo)性能、功能可靠、制造過(guò)程質(zhì)量控制穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率等。產(chǎn)品制造方案應(yīng)“精益”，防止生產(chǎn)過(guò)程由于各種原因引的制造“浪費(fèi)”。

產(chǎn)品制造方案應(yīng)是可行可靠可高效實(shí)施的。產(chǎn)品研制階段是新產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品要求、設(shè)計(jì)方案、制造方案、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)方案等交替萌生與確定階段。產(chǎn)品制造方案與設(shè)計(jì)方案并行迭代并不斷完善（見(jiàn)圖1），制造方案包含的產(chǎn)品制造技術(shù)路線本質(zhì)包含于產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案中。按照并行工程產(chǎn)品開(kāi)發(fā)思想，設(shè)計(jì)與制造均要面向產(chǎn)品功能可靠實(shí)現(xiàn)，即設(shè)計(jì)與制造共同面向產(chǎn)品（Design and manufacturing for product, DMFP）。產(chǎn)品設(shè)計(jì)影響到產(chǎn)品從坯料開(kāi)始的全制造生產(chǎn)流程及制造難度，設(shè)計(jì)面向制造（Design for manufacturing, DFM）即在最初設(shè)計(jì)中考慮可制造，消除臨界狀態(tài)制造工藝能力、材料工藝特性等帶來(lái)生產(chǎn)不穩(wěn)定。制造要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能及功能可靠（Manufacturing for Design, MFD）。在一些情形下，即使符合圖紙及技術(shù)文件要求，仍存在產(chǎn)品功能達(dá)不到或不穩(wěn)定，說(shuō)明設(shè)計(jì)制造存在不完善，設(shè)計(jì)制造需圍繞產(chǎn)品功能要求改進(jìn)提高，消除影響產(chǎn)品功能不可靠?jī)?nèi)在因素。

圖1 產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)制造

“三結(jié)合”強(qiáng)調(diào)實(shí)事求是，充分開(kāi)展技術(shù)交底和討論，提前交叉制造準(zhǔn)備，同并行工程的高效研制及精益制造倡導(dǎo)消除研制中的無(wú)價(jià)值低效浪費(fèi)等不謀而合。產(chǎn)品精益并行制造方案是汲取先進(jìn)工程管理思想，圍繞產(chǎn)品全生命周期研制任務(wù)需求，系統(tǒng)權(quán)衡產(chǎn)品研制性能、功能、結(jié)構(gòu)制造關(guān)鍵、裝配互換協(xié)調(diào)、研制進(jìn)度與質(zhì)量可控、成本等約束制定的制造技術(shù)對(duì)策集合，參見(jiàn)式（1）。

產(chǎn)品制造方案={產(chǎn)品研制總體工藝要求，材料工藝，關(guān)鍵產(chǎn)品工藝，關(guān)鍵專用工藝裝備，可制造性，檢測(cè)技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化……} （1）

3 產(chǎn)品制造方案的主要要求

3.1 總體工藝要求

總體工藝要求是研制生產(chǎn)思路和總協(xié)調(diào)要求，基于設(shè)計(jì)工藝有效協(xié)同，結(jié)合現(xiàn)有制造資源優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)權(quán)衡產(chǎn)品制造技術(shù)路線，控制關(guān)鍵產(chǎn)品可能研制風(fēng)險(xiǎn)，交叉并行、又快又好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制，主要如：

圍繞產(chǎn)品研制目標(biāo)，制定交叉并行、簡(jiǎn)潔可行的產(chǎn)品制造技術(shù)路線、制造流程。

分析確定并優(yōu)先進(jìn)行關(guān)鍵產(chǎn)品研制材料工藝試驗(yàn)項(xiàng)目，以消除影響正式產(chǎn)品生產(chǎn)的桎梏。

優(yōu)先開(kāi)展關(guān)鍵工藝裝備研制。其不同于一般的專用工裝，對(duì)關(guān)鍵產(chǎn)品研制技術(shù)驗(yàn)證、產(chǎn)品研制進(jìn)程有著重要影響。

產(chǎn)品研制協(xié)調(diào)中“軟”、“硬”的兩個(gè)重要方面是：工藝方法之間的技術(shù)狀態(tài)協(xié)調(diào)、不同零部件之間的配合連接裝配協(xié)調(diào)。

制造工藝設(shè)計(jì)須是可靠的，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝均要保證產(chǎn)品可靠功能，分析識(shí)別消除影響產(chǎn)品功能可靠的不確定材料特性、制造工藝因素。

3.2 材料工藝

材料工藝是材料冶金與熱加工工藝的密切結(jié)合，是適于金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)用功能可靠的重要基礎(chǔ)。

金屬材料工藝選擇應(yīng)進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性分析和必要驗(yàn)證。并非所有鋁合金都適合液氫環(huán)境的結(jié)構(gòu)件；一些金屬或非金屬高壓液氧環(huán)境下會(huì)帶來(lái)爆燃風(fēng)險(xiǎn)；不銹鋼及鋁合金異種金屬之間軟釬焊連接難以適應(yīng)液氫液氧極低溫高動(dòng)態(tài)沖擊壓力環(huán)境。超低溫非金屬特種密封涂層不同廠家材料特性差異對(duì)密封涂層工藝質(zhì)量有一定影響，影響密封穩(wěn)定性?？芍貜?fù)使用飛行器要求輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料抗疲勞性能優(yōu)，2219高強(qiáng)鋁合金雜質(zhì)Si、Fe含量很低，可降低高應(yīng)力下微硬質(zhì)材料組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂紋源，提高材料韌性[2]，較2A14高強(qiáng)鋁合金結(jié)構(gòu)應(yīng)用更為可靠。

一些高溫合金最高使用溫度超過(guò)1000℃。高性能高溫合金具有常溫、高溫強(qiáng)度高，耐蝕性優(yōu)，可用于高強(qiáng)耐熱耐蝕結(jié)構(gòu)及高要求緊固件。鈦合金熱成形、超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)的快速發(fā)展，降低了制造難度，可用于高性能耐熱減重結(jié)構(gòu)。激光選區(qū)SLM增材制造對(duì)于中小尺寸復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)高溫合金、鈦合金等難加工材料產(chǎn)品整體制造具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，材料力學(xué)性能超過(guò)鑄件，與鍛件相近。如美國(guó)SLS火箭J-2X氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器噴注器研制中采用了SLM成形，將傳統(tǒng)噴嘴加工、釬焊、焊接等工藝合并為一次整體成形[3]。

鑄造、鍛造、增材制造、成形、焊接、釬焊、熱處理等熱加工工藝過(guò)程決定或影響產(chǎn)品金屬結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，需進(jìn)行材料化學(xué)成分、材料組織、熱處理狀態(tài)、缺陷等控制。電解加工存在電解晶間腐蝕表面層、電火花加工有放電熔鑄層，與機(jī)械加工表面完整性呈現(xiàn)不同特征。高性能鋁合金、鎂合金鍛件組織性能控制要提前至鑄態(tài)坯料及開(kāi)坯工藝等過(guò)程。大型復(fù)雜鋁合金鑄件凝固組織差異、孔洞及疏松等內(nèi)部缺陷、熱處理參數(shù)波動(dòng)等會(huì)引起力學(xué)性能差異，高性能結(jié)構(gòu)需優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì)，精確控制金屬溶化、凝固、熱處理等熱過(guò)程。高強(qiáng)鋁合金預(yù)拉伸板材性能優(yōu)，但厚度方向韌性相對(duì)低，應(yīng)用中要注意板材不同方向強(qiáng)韌性差異影響。材料有多種材料特性，實(shí)際應(yīng)用不可能對(duì)每種材料特性都進(jìn)行檢測(cè)，不同熱處理制度對(duì)材料組織影響較大，材料強(qiáng)度、韌性等特性往往存在很大不同，應(yīng)明確結(jié)構(gòu)需要的重要材料特性。熱處理參數(shù)應(yīng)處于優(yōu)化工藝窗口內(nèi)，加熱爐溫控均勻性、熱處理過(guò)程溫度等應(yīng)精確控制，微觀組織決定材料性能，但其又受過(guò)程操作影響，要防止熱過(guò)程波動(dòng)超出預(yù)定的范圍引起材料性能不良。

新材料選擇與產(chǎn)品性能、功能、進(jìn)度等研制要求有關(guān)，競(jìng)爭(zhēng)快響應(yīng)要求高的產(chǎn)品需選擇成熟材料。先進(jìn)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等由于耐高低溫、高壓、耐磨等特殊要求，高性能高溫合金、鈦合金、銅合金、彈性合金、熱防護(hù)涂層、耐磨密封涂層、潤(rùn)滑材料、釬焊合金等的不斷開(kāi)發(fā)非常必要。運(yùn)載器箭體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化強(qiáng)韌可靠需高性能鋁合金、鋁鋰合金、鎂合金等材料工藝的不斷發(fā)展。高性能稀土鎂變形合金通過(guò)成分優(yōu)化，鑄坯、鍛造、熱處理過(guò)程組織控制可實(shí)現(xiàn)大尺寸結(jié)構(gòu)本體強(qiáng)度350MPa以上，延伸率5%以上， 150℃以下力學(xué)性能沒(méi)有明顯降低，通過(guò)表面微弧氧化等涂層防護(hù)，鹽霧腐蝕試驗(yàn)時(shí)間可達(dá)1000h以上。

新材料結(jié)構(gòu)工藝需充分試驗(yàn)驗(yàn)證不同爐批次產(chǎn)品材料組織性能的穩(wěn)定性，進(jìn)行冶金與材料成形等相關(guān)化學(xué)成分、微觀組織、力學(xué)性能等大量探邊摸底研究和數(shù)據(jù)積累分析評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)組織性能調(diào)控機(jī)制，確定較優(yōu)的生產(chǎn)工藝邊界條件，形成材料驗(yàn)收及工藝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，防止不同材料爐批次生產(chǎn)過(guò)程差異影響產(chǎn)品材料性能。

3.3 關(guān)鍵產(chǎn)品工藝

產(chǎn)品制造一種是應(yīng)用已有成熟技術(shù)，繼承既有工程經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，開(kāi)展產(chǎn)品詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)與組織實(shí)施，不需要做過(guò)多的工藝試驗(yàn)探索驗(yàn)證，有利于生產(chǎn)的快速組織，減少產(chǎn)品研制成本；另一種是需研究突破關(guān)鍵工藝技術(shù)，以新產(chǎn)品研制為牽引，研究先進(jìn)適用制造技術(shù)。關(guān)鍵產(chǎn)品工藝與產(chǎn)品功能創(chuàng)新度、結(jié)構(gòu)先進(jìn)性與復(fù)雜性等有關(guān)，受這些因素約束，參見(jiàn)式（2）。先進(jìn)新產(chǎn)品往往包含有材料結(jié)構(gòu)制造創(chuàng)新技術(shù)挑戰(zhàn)，有效解決可有利于提升掌握產(chǎn)品核心制造能力，促進(jìn)產(chǎn)品后續(xù)研制順暢。關(guān)鍵產(chǎn)品工藝在產(chǎn)品研制早期識(shí)別，分析研究可行適合的技術(shù)路線，提前開(kāi)展模擬件等驗(yàn)證試驗(yàn)，防止技術(shù)不確定性對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的影響。這也表明設(shè)計(jì)方案研究制定時(shí)就要并行開(kāi)展產(chǎn)品制造方案“論”、“做”結(jié)合工作，“論”是為了制造方法的科學(xué)分析優(yōu)化選擇；“做”是及早驗(yàn)證關(guān)鍵制造工藝切實(shí)可行。產(chǎn)品系統(tǒng)復(fù)雜重要性越高，這方面工作就越必要，是并行工程設(shè)計(jì)制造的協(xié)同要點(diǎn)，研究突破關(guān)鍵產(chǎn)品工藝也是制造方案的重點(diǎn)內(nèi)容。

關(guān)鍵產(chǎn)品工藝=F（產(chǎn)品功能要求，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，使用環(huán)境，新材料工藝……） （2）

每種制造工藝技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)及局限，先進(jìn)產(chǎn)品往往依靠先進(jìn)制造技術(shù)組合應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：“巧”——避免結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工藝繁雜；“新”——方法創(chuàng)新破解傳統(tǒng)或單一制造工藝局限；“防”——防止不可靠材料工藝因素引起的產(chǎn)品隱患。多專業(yè)多維度綜合技術(shù)分析確定關(guān)鍵制造技術(shù)路線，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及研制工藝，控制質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵工藝技術(shù)路徑的選擇與已有的技術(shù)基礎(chǔ)、研制經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。一方面研究應(yīng)用拓展具有較完備的工藝規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、制造資源能力的先進(jìn)適用成熟制造方法。另一方面，提前進(jìn)行先進(jìn)產(chǎn)品制造技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)，提前研究發(fā)展技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好的工藝技術(shù)。新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)并行工程也包含提前進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備、重點(diǎn)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容。液體發(fā)動(dòng)機(jī)高低溫高壓部件等先進(jìn)焊接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)要綜合考慮焊接材料、焊接組織性能、零件成形加工精度、焊前準(zhǔn)備、焊接裝配裝備、零件熱處理狀態(tài)、焊接工藝、焊接應(yīng)力和變形等方面。歐、美、日氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部以往主要為電鑄+銅內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，身部銅合金內(nèi)壁為整體，外部電鑄成形后直接加工，內(nèi)外壁連接結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)化。但電鑄身部外壁成型耗時(shí)長(zhǎng)，質(zhì)量控制環(huán)節(jié)多，防止內(nèi)外壁電鑄連接結(jié)合力波動(dòng)。俄羅斯的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室主要為銅合金內(nèi)壁銑槽+鋼外壁分段擴(kuò)散釬焊再分段焊接連接，該工藝優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)散連接界面連接強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)強(qiáng)壯性好，批產(chǎn)效率高，但需要特殊擴(kuò)散釬焊材料、擴(kuò)散釬焊工藝及裝備等。美國(guó)RS-68氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)地面推力300t[4，5]，引進(jìn)吸取了前蘇聯(lián)RD-180液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部擴(kuò)散釬焊工藝，進(jìn)行了推力室、噴管等為應(yīng)用對(duì)象的大量擴(kuò)散釬焊技術(shù)試驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)了整體銅合金內(nèi)壁擴(kuò)散釬焊推力室新方案，銅合金內(nèi)壁為整體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)工藝，提高推力室擴(kuò)散釬焊裝配效率及銅內(nèi)壁結(jié)構(gòu)可靠性，由于喉部擴(kuò)散釬焊結(jié)構(gòu)需要增加內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，推力室重量稍有增加。RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子為不帶冠整體高溫合金結(jié)構(gòu)，采用了電解加工整體葉片成形，屬于傳統(tǒng)特種加工工藝，但相比電火花整體渦輪盤(pán)葉片成形效率顯著提高。該發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了燃?xì)獍l(fā)生器系統(tǒng)循環(huán)，相比航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)高壓補(bǔ)燃循環(huán)系統(tǒng)，降低了泵后、推力室等關(guān)鍵組件的工作壓力，降低了對(duì)材料工藝的高可靠要求。

美國(guó)SpaceX公司獵鷹9火箭鋁鋰合金貯箱采用了全攪拌摩擦焊接[6，7]，研發(fā)了蒙皮與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)高效可靠連接等一系列攪拌摩擦焊接工藝及裝備，發(fā)揮了鋁鋰合金的高比強(qiáng)度比剛度的材料優(yōu)勢(shì)，避開(kāi)鋁鋰合金常規(guī)溶焊焊接性差的不足。低成本是獵鷹9火箭研制的重要目標(biāo)，設(shè)計(jì)制造方案系統(tǒng)考慮降低了火箭發(fā)射運(yùn)行總成本，沒(méi)有單純依靠降低材料制造成本，鋁鋰合金雖昂貴，但箭體結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)得更為強(qiáng)壯，達(dá)到了載人火箭結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)要求；火箭發(fā)射回收重復(fù)使用；采用推力適中發(fā)動(dòng)機(jī)多機(jī)并聯(lián)、冗余備份提高動(dòng)力系統(tǒng)可靠性；使每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)制造強(qiáng)壯可靠，降低了重復(fù)使用后發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢修的繁雜工作；箭體貯箱、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件品種減少，采用精益化制造流程批產(chǎn)工藝提高生產(chǎn)效率。

運(yùn)載火箭鋁合金貯箱過(guò)渡環(huán)有擠壓件彎曲成形焊接、環(huán)軋鍛造等制造方式。9m級(jí)2219鋁合金超大直徑過(guò)渡環(huán)如果采用鍛件環(huán)軋方案，除需要大型成形熱處理設(shè)備外，大尺寸鑄錠組織控制均勻性、環(huán)軋鍛造組織性能調(diào)控難度大，尤其要分析評(píng)價(jià)過(guò)渡環(huán)材料組織對(duì)焊縫組織性能可能影響。采用擠壓型材退火態(tài)（或固溶態(tài)）彎曲成形、固溶處理、攪拌焊接連接、時(shí)效熱處理路徑，通過(guò)優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)受力更易于成形、焊接，所制造的框環(huán)材料組織性能可控、可預(yù)測(cè)，有利于貯箱焊接可靠性設(shè)計(jì)。采用攪拌摩擦焊接連接比以往實(shí)際采用的電弧熔焊可顯著提高焊接效率及焊縫質(zhì)量。

運(yùn)載器鋁合金艙體結(jié)構(gòu)有鈑金成形焊接裝配、鉚接裝配、整體鑄造加工、整體鍛件環(huán)軋加工、旋壓成形加工等多種方式，方案選擇與結(jié)構(gòu)材料性能要求、幾何形狀、尺寸精度等有關(guān)。鈑金成形組合焊接裝配加工制造資源分散，制造成本低，需要解決成形精度、焊接變形和焊縫質(zhì)量控制等問(wèn)題。筒形艙體采用環(huán)軋鍛件加工整體結(jié)構(gòu)性能高，但隨著艙段高度及直徑增大，鑄錠鍛件組織控制、鍛件內(nèi)應(yīng)力控制等難度增加，引起材料組織性能波動(dòng)、加工變形等問(wèn)題。整體鑄造加工生產(chǎn)準(zhǔn)備效率高、制造成本低，但對(duì)于內(nèi)表面不加工艙體重量等設(shè)計(jì)指標(biāo)需要合理確定，主要鑄件長(zhǎng)時(shí)間高溫固溶熱處理熱蠕變形，尤其是淬火冷卻時(shí)劇烈溫度場(chǎng)變化引起鑄件內(nèi)應(yīng)力及較大變形使得最終產(chǎn)品壁厚及重量控制困難。鈑金成形、鉚接裝配可分散零件制造，解決好零件成形精度及裝配變形控制，可提高制造效率，生產(chǎn)節(jié)奏可控。旋壓成形可實(shí)現(xiàn)圓柱形、錐形、封頭等薄壁結(jié)構(gòu)高性能整體近凈成形，2219鋁合金可熱處理變形強(qiáng)化，對(duì)淬火后等待時(shí)效處理時(shí)間不敏感，便于淬火后旋壓操作，淬火后冷旋校形T8狀態(tài)比鍛件T6狀態(tài)力學(xué)性能更高，并通過(guò)校形變形均勻化淬火時(shí)引起的殘余應(yīng)力。

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期識(shí)別關(guān)鍵產(chǎn)品工藝并開(kāi)展研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)提高穩(wěn)定工藝，使設(shè)計(jì)制造方案可行、產(chǎn)品可靠、生產(chǎn)效率可接受。

3.4 專用工藝裝備

工具水平是生產(chǎn)力進(jìn)步的重要或主要標(biāo)志，先進(jìn)產(chǎn)品制造技術(shù)離不開(kāi)先進(jìn)制造裝備。專用工藝裝備主要針對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝方法要求專門(mén)設(shè)計(jì)制造，是產(chǎn)品獨(dú)特制造技術(shù)的重要組成部分且不可或缺。零件加工、成形等主要采用通用機(jī)床、壓力機(jī)等設(shè)備，但還是需要夾具、成形模具等工裝。焊接、鉚接需要專用工裝用于產(chǎn)品裝配定位精度及變形控制。產(chǎn)品精度越高越復(fù)雜,對(duì)工裝精度等要求越高。部組件需要性能裝調(diào)測(cè)試及功能考核試驗(yàn)?？傃b階段產(chǎn)品價(jià)值高，總裝工藝裝備應(yīng)安全可靠，符合人機(jī)工程要求，防止質(zhì)量及安全隱患發(fā)生。

在產(chǎn)品研制初期，一方面力求減少新制工裝，縮短研制生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，如毛坯狀態(tài)便于裝夾，使用模塊化組合夾具等；另一方面根據(jù)產(chǎn)品關(guān)鍵產(chǎn)品工藝技術(shù)路線，及早分析識(shí)別需研制準(zhǔn)備關(guān)鍵重點(diǎn)專用工藝裝備，同步并行研究確定關(guān)鍵工藝裝備結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)行加工裝配工藝研究，確定適宜的裝配定位精度，明確零件加工成型精度要求，提高裝配一致性，減少裝配調(diào)整準(zhǔn)備時(shí)間。關(guān)鍵重點(diǎn)專用工藝裝備較一般工裝往往更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造上存在一定技術(shù)挑戰(zhàn)，直接影響關(guān)鍵產(chǎn)品工藝突破等工程標(biāo)志性進(jìn)展。

在產(chǎn)品批量產(chǎn)階段，質(zhì)量穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率、交付周期是優(yōu)先解決項(xiàng)。提高產(chǎn)品工藝規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化水平，根據(jù)生產(chǎn)數(shù)量、交付周期配備必要工裝及檢測(cè)量具以有效控制生產(chǎn)節(jié)奏、質(zhì)量穩(wěn)定性、產(chǎn)品裝配協(xié)調(diào)互換性。零件品種多、數(shù)量多，研究建立多品種小批量零件加工柔性加工單元，按零件類別優(yōu)化工藝流程，將多品種研制轉(zhuǎn)變?yōu)榕a(chǎn)流水生產(chǎn)作業(yè)特征，提高工藝文件、刀具準(zhǔn)備等規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)化程度，開(kāi)發(fā)不同工序間精確定位裝卡快速轉(zhuǎn)換工裝，提升同類不同規(guī)格零件的柔性生產(chǎn)效率及質(zhì)量穩(wěn)定水平。

機(jī)器人數(shù)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)已較廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化焊接、鉚接等工藝裝備；焊接裝夾快捷，精密裝配滿足自動(dòng)焊接接頭對(duì)接間隙、錯(cuò)縫等焊前裝配要求；應(yīng)用反變形等控制焊接變形；一個(gè)自動(dòng)化專機(jī)，多裝配工位，適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)裝配柔性自動(dòng)化焊接、鉚接等裝配過(guò)程節(jié)奏；加工裝配過(guò)程進(jìn)行關(guān)聯(lián)工藝要素自動(dòng)檢測(cè)及自適應(yīng)過(guò)程控制。關(guān)鍵航天產(chǎn)品工藝裝備已從傳統(tǒng)專用工裝向精密、數(shù)控、柔性自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，一些已發(fā)展成為高檔數(shù)控機(jī)床裝備，提高了產(chǎn)品性能及制造效能。

3.5 可制造性

產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有可制造性，易于生產(chǎn)高效、過(guò)程質(zhì)量穩(wěn)定。不同材料具有不同材料特性，可成形性、加工性和焊接性不同；零件越復(fù)雜、精度高，加工、成形等制造難度及成本增大。在滿足產(chǎn)品功能使用要求情形下，選用加工成形性優(yōu)的材料。簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，合理確定尺寸精度與表面加工質(zhì)量等要求。最大程度使用標(biāo)準(zhǔn)件、借用件；產(chǎn)品孔系、螺紋、銑加工圓角等幾何特征標(biāo)準(zhǔn)化，減少專用刀具品種數(shù)量，減少研制生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。一方面在產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)與工藝充分溝通，另一方面將以往產(chǎn)品成熟研制經(jīng)驗(yàn)知識(shí)資源化，制定設(shè)計(jì)及工藝規(guī)范、可制造性指南，促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)化。

滿足產(chǎn)品性能要求，功能可靠是可制造性的前提?？芍圃煨圆粌H僅是為了方便制造，還應(yīng)包含消除對(duì)產(chǎn)品功能產(chǎn)生隱患的結(jié)構(gòu)、材料、工藝不可靠的因素。如小圓角半徑應(yīng)力集中引起結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。高溫合金電解加工表面晶界處產(chǎn)生腐蝕層對(duì)產(chǎn)品疲勞性能有一定影響，應(yīng)進(jìn)行表面光整處理。即使是精密焊接也存在一定變形，精密運(yùn)動(dòng)副應(yīng)用要防止微小變形對(duì)運(yùn)動(dòng)靈活性影響。產(chǎn)品材料常溫、高溫組織性能雖符合標(biāo)準(zhǔn)但有一定范圍，不同冶煉水平、爐批存在波動(dòng)，一些材料不同方向組織性能也存在差異，即使經(jīng)過(guò)了強(qiáng)度試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)等試驗(yàn)考核，不表明這些試驗(yàn)驗(yàn)證真正充分，需具體分析。材料組織存在一定差異，在焊接后會(huì)有不同表現(xiàn)，需試驗(yàn)評(píng)定防止原材料組織不均勻性對(duì)焊接結(jié)構(gòu)可靠影響。

對(duì)于要求高的產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性，需工藝改進(jìn)提升制造能力，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定。在產(chǎn)品研制過(guò)程雖有一定超差，但一直處于有效監(jiān)控，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后可提高產(chǎn)品性能與可靠性。而一些要求寬松檢測(cè)不明確的結(jié)構(gòu)，如沒(méi)有考慮到實(shí)際使用中對(duì)產(chǎn)品功能的影響，可能引起失效故障。符合設(shè)計(jì)圖紙技術(shù)條件是制造的基本要求，不是制造的目的，設(shè)計(jì)、制造共同目的要能保證產(chǎn)品性能及功能可靠，在此基礎(chǔ)上完善設(shè)計(jì)工藝。

可制造性包括應(yīng)用經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證可靠成熟的材料及狀態(tài)、工藝方法、結(jié)構(gòu)方案，減少研制試驗(yàn)，制定設(shè)計(jì)規(guī)范、工藝規(guī)范等將日?？芍圃煨怨ぷ鳂?biāo)準(zhǔn)化。另外，針對(duì)研制需求，研究改進(jìn)提高現(xiàn)有制造技術(shù)，將不可制造變?yōu)榭芍圃?、易制造，提高產(chǎn)品性能、功能與可靠性。

3.6 產(chǎn)品檢測(cè)

產(chǎn)品質(zhì)量是制造出來(lái)的，是否滿足技術(shù)要求須通過(guò)檢測(cè)，二者都是產(chǎn)品制造過(guò)程的環(huán)節(jié)。產(chǎn)品檢測(cè)包括判定產(chǎn)品是否合格，進(jìn)行影響產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)程要素監(jiān)測(cè)，檢查驗(yàn)收不交付、不使用不合格品。產(chǎn)品發(fā)生故障、失效往往存在產(chǎn)品檢測(cè)要求不明確。金屬結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品的檢測(cè)主要包括表面質(zhì)量、尺寸精度等產(chǎn)品外部特征檢測(cè)；涉及產(chǎn)品材料組織、缺陷、力學(xué)性能等內(nèi)部質(zhì)量分析檢測(cè)；是否有多余物的潔凈度檢測(cè)；零部組件至產(chǎn)品總裝性能試驗(yàn)考核測(cè)試等。

產(chǎn)品本身也存在質(zhì)量控制問(wèn)題，即測(cè)量方法正確，有效檢測(cè)判定產(chǎn)品質(zhì)量。檢測(cè)不完全是為了得出產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的某項(xiàng)數(shù)值，如采用專用量規(guī)、檢驗(yàn)樣板等檢測(cè)器具，可快速判定批產(chǎn)加工件是否合格。

即使是難以檢測(cè)，也不應(yīng)輕易放棄對(duì)有效檢測(cè)方法的探索。如發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪復(fù)雜空間曲面結(jié)構(gòu)采用數(shù)控加工量化檢測(cè)困難，采用檢驗(yàn)樣板檢測(cè)可驗(yàn)證數(shù)控程序正確性防止質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生。一些焊接結(jié)構(gòu)X光不能完全透照檢測(cè)出內(nèi)部缺陷，但即使是檢測(cè)出焊縫的部分區(qū)域也很有意義，通過(guò)結(jié)合產(chǎn)品過(guò)程控制能夠判明產(chǎn)品質(zhì)量是否可靠。應(yīng)用不同無(wú)損檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，針對(duì)性檢測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部可能制造缺陷是否在限定范圍內(nèi)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初如能避免不可檢測(cè)結(jié)構(gòu)有利于制造質(zhì)量控制。對(duì)于高性能產(chǎn)品由于結(jié)構(gòu)重量、空間尺寸限制，存在不能全部直接檢測(cè)情形，需要權(quán)衡利弊取舍。通過(guò)制定過(guò)程工藝措施、工藝試驗(yàn)、工藝評(píng)定、過(guò)程要素監(jiān)測(cè)檢測(cè)、考核等使交付的產(chǎn)品可靠。

3.7 工藝規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化

工藝標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化是產(chǎn)品制造質(zhì)量穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、產(chǎn)品檢測(cè)等根據(jù)產(chǎn)品使用功能要求選用、執(zhí)行有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。已有標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)受一定時(shí)期工藝條件的局限，存在已有工藝方法不可靠、不適用的情形。超出現(xiàn)有制造標(biāo)準(zhǔn)要求，需開(kāi)展工藝改進(jìn)，開(kāi)發(fā)研究新工藝方法，在工藝改進(jìn)成熟基礎(chǔ)上，制定新的專用制造技術(shù)條件、工藝規(guī)范等。

制造工藝是基于產(chǎn)品圖紙、技術(shù)條件、標(biāo)準(zhǔn)、制造資源等要求系統(tǒng)考慮面向產(chǎn)品生產(chǎn)全過(guò)程設(shè)計(jì)，即工藝設(shè)計(jì)，明確工藝流程、工藝方法、工藝參數(shù)、工具、質(zhì)量控制措施、檢測(cè)驗(yàn)收等具體要求。產(chǎn)品設(shè)計(jì)是產(chǎn)品功能可靠的源頭，工藝文件是產(chǎn)品功能可靠在制造現(xiàn)場(chǎng)落實(shí)的源頭。本質(zhì)上產(chǎn)品工藝文件是針對(duì)一項(xiàng)產(chǎn)品的制造標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)規(guī)范化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，防止生產(chǎn)要素變化引起產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)。產(chǎn)品工藝文件的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化程度越高，可更有效提高產(chǎn)品過(guò)程質(zhì)量控制水平。

產(chǎn)品定型不應(yīng)簡(jiǎn)單移植研制階段的工藝狀態(tài)，進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定化系統(tǒng)分析，分析識(shí)別零部組件至總裝過(guò)程質(zhì)量有波動(dòng)的環(huán)節(jié)，對(duì)有質(zhì)量隱患環(huán)節(jié)改進(jìn)、驗(yàn)證。圍繞批產(chǎn)效率質(zhì)量控制，優(yōu)化流程，明晰不同工藝方法狀態(tài)協(xié)調(diào)要求，優(yōu)化探索可一次生產(chǎn)合格的工藝參數(shù)窗口，配置必要的專用工裝、測(cè)量器具，從工藝文件到作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)促進(jìn)批產(chǎn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)品制作已從早期單純依靠工匠自身技藝轉(zhuǎn)變到多專業(yè)協(xié)同工作，產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)想和制造實(shí)現(xiàn)在形式上進(jìn)行了專業(yè)分離，材料種類、制造技術(shù)門(mén)類眾多和快速發(fā)展，存在不同應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和局限，產(chǎn)品功能越先進(jìn)系統(tǒng)越復(fù)雜，越需要更多專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、高效并行協(xié)同開(kāi)發(fā)高性能產(chǎn)品，消除材料、制造工藝等應(yīng)用中不可靠因素。產(chǎn)品制造方案是為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案對(duì)產(chǎn)品性能、功能、可靠性等產(chǎn)品要求，并能使生產(chǎn)過(guò)程高效、質(zhì)量穩(wěn)定。產(chǎn)品制造方案本質(zhì)內(nèi)容包含在設(shè)計(jì)方案中，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期即應(yīng)并行開(kāi)展產(chǎn)品制造方案科學(xué)論證，提前開(kāi)展關(guān)鍵工藝技術(shù)研究、試驗(yàn)驗(yàn)證，“論”、“做”結(jié)合，使產(chǎn)品制造方案切實(shí)可行。產(chǎn)品制造方案應(yīng)精益可行，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，減少技術(shù)方案反復(fù)等原因引起研制過(guò)程的各種浪費(fèi)。

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Discussions on Lean and Concurrent Product Manufacturing Solutions of Launch Vehicles

Li Shuguang

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

According to the requirements of high reliability of launch vehicles, and of high quality and high efficiency during their production, combined with the cognition of related structural product development, based on the thought of lean manufacturing and concurrent engineering of modern manufacturing engineering and not limited to its form, the connotation of lean and concurrent product manufacturing solutions is analyzed, and the overall process requirements, material processing, key product manufacturing technologies, special processing tools and equipment, manufacturability, product testing, processing standardization and so on are discussed. It is helpful to formulate the appropriate product manufacturing solutions by systematic trade-off research for products with different characteristics.

product manufacturing solutions；lean manufacturing；concurrent engineering

李曙光（1965），研究員，機(jī)械制造專業(yè)；研究方向：機(jī)械制造工程。

2020-05-03