浅谈高精度惯性仪表制造技术特征中不可忽视的制造工艺固有特性问题

陈白帆，苏 磊，李野川，王欣巍，李江涛

（1．北京航天控制仪器研究所，北京100039；2．北京航天自动控制研究所，北京100039；3．北京市经济和信息化委员会，北京100029；4．中国航天电子技术研究院，北京100094）

浅谈高精度惯性仪表制造技术特征中不可忽视的制造工艺固有特性问题

陈白帆1，苏 磊2，李野川3，王欣巍4，李江涛1

（1．北京航天控制仪器研究所，北京100039；2．北京航天自动控制研究所，北京100039；3．北京市经济和信息化委员会，北京100029；4．中国航天电子技术研究院，北京100094）

重点研究了我国高精度惯性仪表产品制造技术如何突破传统机械产品制造工艺理念和认知框架，解决高精度惯性技术（原理）产品制造合格率、参数稳定性和精度提高问题。首次在产品制造技术特征中从理论上提出了 “制造工艺的固有（基因）特征性”概念，当研究提高惯性仪表精度的解决方案时，从制造角度应注意到这一 “固有的遗传（基因）特征”抽象概念对产品精度影响作用。提出了在高精度惯性仪表的制造工艺设计中，应关注减小或消除这些制造工艺固有特征作为关键工艺控制因素。

惯性技术特征；制造技术特征；工艺固有缺陷；零件基因缺陷；产品制造可靠性

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

为什么相同的材料，会产生出不同性能、不同质量的产品？为什么相同功能的产品，会有不同的使用寿命？我国自主研发的高精度惯性仪表产品目前面临两大核心问题，一是基本解决了“有和无”的问题，二是解决不了 “能用和不能用”的问题。我国发展了50多年的高精度产品关键基础零、部件的制造能力与工业化先进国家相比，依然还存在一定的差距。从控制系统中关键高性能单机产品惯性仪表的生产制造分析，单从设计要求零件的尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度Ra来看，与工业化先进国家相比似乎没有什么差别，甚至我们图纸的要求更高、更多。可是，由满足设计要求的 “高精度零件”装配出的产品还是合格率低，产品投入使用后在稳定性方面差距就更加明显。

随着惯性仪表产品精度、性能和可靠性要求的进一步提高，研究认为制造工艺因素对产品的影响作用越来越大，传统的产品制造技术认识已远远达不到满足高精度惯性仪表产品性能的要求。所以，创新的制造理念和更深的认知是突破高精度仪表制造瓶颈的关键。产品制造不但要针对不同产品的设计技术特征——原理特征（基因）和性能（基因）特征，准确制定产品制造工艺方案，而且还必须有效识别制造工艺的固有（基因）特征对产品设计原理特征和性能特征的影响作用（如果这一制造工艺固有的特征对产品设计原理、性能与可靠性是有危害的，本文称为 “制造工艺固有缺陷”），即要确保各工艺参数满足和匹配产品技术特征的设计要求，还要保证制造工艺的固有（基因）缺陷不违背设计原理和不影响性能要求以及可靠性指标。

本文借助于生物工程遗传基因工程原理，提出产品的全寿命周期基因工程全新的制造技术理论。将生物生长机理用于产品形成，将设计特征、制造特征的 “特征”看作产品结构与零件表面信息的 “DNA”，提出从产品制造技术特征与产品设计技术特征匹配性角度重新认知产品制造技术更深的本质与内涵。仅从理论上提出了 “制造工艺的固有（基因）特征性”概念，以此从产品制造阶段展开研究分析，希望在研究高精度惯性仪表产品制造合格率低、稳定性差和工程用产品的可靠性问题的解决方案和失效分析时，注意到这些概念表现出的宏观与微观、显性与隐性、遗传性与进化性对产品性能（精度）与可靠性的影响作用。

1 惯性仪表制造工艺固有特征分析

高精度惯性仪表作为集机、电、磁、热、流体（气、液）和微环境学等多物理⁃化学耦合效应于一体的产品，对零件微结构变化、应力方向、加工纹理方向、机构运动磨损、密封空间微环境温度、湿度和气氛变化、隐性或非隐性介质、电化学腐蚀、微环境腐蚀和老化等问题极为敏感。研究认为，在产品设计阶段，多物理⁃化学耦合的仿真多为单项分析，产品性能设计和可靠性设计所涉及的外干扰因素、内干扰因素影响，尤其是制造干拢因素影响识别的不够充分，特别是产品制造技术特征中工艺存在的固有缺陷对产品性能产生直接影响的识别和危害认识存在空白，使得设计出的产品固有的余度小，而产品设计技术特征多以结构参数为基本表述内容（设计文件）；其二，本文主要分析的内容，在产品制造阶段，现有的工艺设计体系对精度越来越高的惯性仪表产品来说是很不完善的，长期不变的传统工艺设计思想一直以零件满足几何精度为主要目的，不是考虑零件满足产品设计原理特征与性能特征的匹配性、符合性为目的，特别是未辩识出采用的制造工艺固有的特征性对产品设计技术特征的固有的遗传（遗传基因缺陷）影响因素。所以，高精度惯性仪表制造不断在零件加工精度上下功夫，零件加工的几何尺寸精度要求一高再高，然而这些合格的高精度零件依然无法稳定地装配出合格的产品和固有可靠性高的产品，这充分说明在几何尺寸合格的零件上，必然还隐藏着许多导致产品生产合格率低、参数不稳定和可靠性低的未知因素（基因组）。

在研究高可靠电磁继电器制造技术中，关注到不同的工艺方法对产品带来的固有（基因）缺陷，这一缺陷并非制造过程形成，而是工艺方案确定后，就可以判断该种缺陷的必然存在。如同人类夫妻一方如有遗传基因缺陷，无论十月怀胎过程控制得多好，还是可以判断婴儿带有这一固有基因缺陷，这就是基因的遗传性。正是借助了零件制造过程与生物生长机理的相似性，在零件制造中提出了 “制造工艺的固有（基因）特征性”概念，初步定义为：“再精密和再受控制的工艺方法都带有某些至今未被很好认识到的固有（基因）特征，这种固有特征都会在被加工零件表面留下或形成各种的（几何、物理、化学、力学、污染等）特征状态，即零件表面微观工艺特征（零件基因）。零件表面存在的这些微观（基因）特征状态会影响零件性能特性，对产品的设计原理与性能及其可靠性的影响具有直接相关性，如不能有效识别固有的特征和控制这些状态，产品会始终存在这一缺陷。如果这一缺陷对产品设计原理特征和性能特征是敏感的，最终将导致产品生产合格率低、参数稳定性差，直至可靠性退化或失效。”

1.1 原材料特征因素

因国家基础工业能力因素，原材料无法做到同一厂家、同一规格、不同炉号的材料微观层面的一致性。如簧片材料铍青铜，同一厂家、同一规格、不同炉号的材料如图1所示，铍青铜A与B仅从表面观察形貌微结构差异就非常大。

再如铍材用于关键部件中，结晶结构是设计时需要考虑的主要因素。铍在沿a轴和c轴方向上的热膨胀系数的差异，会造成在温度变化期间每个晶粒热膨胀引起的不匹配。原材料的差异性缺陷将带来隐性的影响，而我们现在习惯性地认定原材料都是合格的，忽视了差异性的识别。

铍材虽然被认为是自钝化材料，可以抵制大气中的氧化，但在加工过程冷却液的类型、生产环境大气污染物、加工、操作和存储过程都易发生腐蚀问题，如使用水溶性的冷却液不能超过30min，自来水中的氯和指纹中的盐会严重地腐蚀铍材表面。这些都是材料本身固有的特征缺陷。

1.2 仪表制造工艺特征因素

（1）机械加工特征

零件表面的加工纹理方向、微观轮廓形貌、损伤、微裂纹深度和残余应力等的形成都与选择的加工手段和工艺参数（如切削速度、进给速度、切削深度、刀具参数和刀具的更换间隔标准等）直接相关联，形成的零件自相似性（遗传基因）的差异（大到某一限度），特别对对称、配对使用的零件以及面接触关系的零件影响很大。

（2）特种加工特征

电镀工艺制备的涂层必然形成结构低致密性、表面缺陷多、孔隙率高、与基材的附着力差等固有的缺陷，涂层中含有大量残留腐蚀性污染物，如图2所示。

物理气相沉积方法生产的涂层具有很好的化学稳定性和致密性，但涂层存在较大残余应力。涂层表面还普遍存在较多、较大的熔滴颗粒，也有少量的针孔缺陷，如图3所示。DLC涂层存在熔滴颗粒（386倍），TiN涂层存在针孔缺陷。

离子束刻蚀的特点是对不同元素有不同的刻蚀速度，平面上刻蚀获得槽深的均匀性好于在弧面上刻蚀。离子束加工球面槽深特征如图4所示。

（3）零组件清洁去污不彻底

惯性仪表制造中，零部组件依然停留在清洗概念，长期以来对真空析气排污技术认知不足。密封的浮子组件中长期存在大量的污染物（气氛），很大原因是没有认真深入地研究真空析气排污技术特征和忽略了除线圈组（有机材料）外的其他金属零件存在的污染特性。图5为浮子内微环境污染缺陷导致失效的陀螺马达半球表面失效部位污染特征扫描电镜图和污染物能谱。

以清除污染为目的的零件清洁，应涵盖全部装入产品内部的零部组件。清洗只是零件清洁工艺中的一道工序，替代不了真空析气，清洗去除不了渗透到表面微孔和微损伤层中的加工过程中各种工艺介质的残留物。而零件表面损伤层情况，美国B．King的研究证明了25μm的切削深度可以造成约500μm的加工损伤。而零件的各种精密加工在零件表面必然存在加工损伤，各种加工工艺介质必然会渗入，难以清除，只有采用真空烘烤析气的方法才能有效去除。同样，采用电镀工艺方法的零件，镀层中和表面存在大量缺陷和微裂纹，其中的水、氢、硫酸盐等成分也必须采用真空烘烤析气的方法才能最大程度地去除。

以上是目前制造工艺因素过程涉及影响产品品质进一步提高的主要工艺过程、制造装备和工艺技术问题，制造工艺因素影响产品可靠性还有许多环节，如绝缘子胶粘密封技术、零件热处理、时效处理和零件清洁技术（真空析气技术和清洗工艺技术）等过程。从军用产品目前出现失效问题的机理分析，还有许多是现有工艺技术、工艺方法固有的缺陷，只有采用新的工艺方法、新的制造技术才能彻底消除。而且，这些新的工艺技术方法和制造技术也较为成熟，甚至有的将被更新的技术所替代。

1.3 工艺参数（验证、识别）不充分因素

在产品制造阶段，产品的工艺设计对产品的设计技术特征和零组件的性能特性不了解，工艺设计方案以零件几何尺寸精度实现为主，产品的生产制造过程的工艺参数制定的依据不准确、不充分，造成工艺的有效性并不可控。

对在密封空间内工作的零部组件来说，温度变化是造成一切微观物理化学变化的直接因素。所以，准确掌握产品内部升温数据是提高制造可靠性和完善工艺参数的基础数据。浮子内部微环境的实际状况是动压马达性能稳定和可靠的基础，是整个惯性仪表性能实现的保证。但是，一直以来浮子组件制造的各阶段工艺参数的制定都不是以浮子组件内部实际参数为依据，特别是水汽含量和温度的真实数值以及随时间变化情况。

要使这些关键部件能正常有效可靠地工作，工艺的有效识别，并针对用户在不同的外部使用环境和产品本身温升参数情况，按产品规范标准要求、贮存寿命要求，并按最严酷的考核要求作为工艺设计依据，才能制定出满足性能和高可靠性要求的工艺参数。

在高精度惯性仪表制造中，零件尺寸稳定性研究存在同样状况，工艺依据材料学的研究参数，对应用在工程上的差异性未进行识别。

所以，在高精度惯性仪表产品的生产制造技术特征中，更应重视零件应用环境的识别，重视不同产品设计技术特征⁃原理特征和性能特征的识别，以创新的产品制造理念——面向产品设计的制造技术思想，建立统一完整、先进的 “关键（功能）零件应用环境识别体系”，以支撑高端产品、零部件制造可靠性的提升。

1.4 检测标准、手段、能力因素

1）要解决动压马达零件表面和密封后内部微环境有机、无机物污染控制和控制标准。一个光亮无尘的表面并不等于没有化学污染成分的存在，只有通过一定的技术检测手段，定量分析后才能确定。

2）将零件热处理、应力处理后结果的定量化检测手段和能力作为零件 “控制性能制造”的关键问题，尽早研究解决。

1.5 大气化学污染因素

我国大气污染情况较为严重，特别是腐蚀性气体污染日渐严重，在制造过程不进行有效防护，会对产品的零件，尤其铍材零件的腐蚀影响非常大。传统装配环境的温度、湿度、洁净度3项要求已不能满足高性能产品制造的环境条件要求。

所以，产品零件加工后的及时清洁与保存，工序流转环节的存放必须得到有效控制。在装配车间或在有害污染气氛含量较高的环境应考虑增加空调系统新风除化学污染气体功能，否则大气化学污染气氛将严重影响产品的品质，带来产品后期失效的危害。

2 国外同类产品制造技术特征的控制方法

美国布拉什·维尔曼公司和Axsys公司在铍材料加工过程，对进给速度、切削速度和切削深度都进行工艺评估，并由空军材料实验室的报告AFML⁃76⁃88提供详尽加工参数，目的就是获得可控的和无损伤表层。同时，为制造高精度惯性导航装置，针对铍材料零件开展了机械性能研究，材料变形和裂纹损伤的残余力学性能、材料缺陷的辨别与鉴定、腐蚀、热机械性能、尺寸稳定性、时效过程性能变化、机械连结和胶接、钎焊和焊接等工艺技术基础研究。

美国陆军装备研究所采用零件材料清洁技术，用高量级的低压并加热至设定温度，以烘干可能保留在基材中的水和有机化合物。

在俄罗斯对动压气浮轴承零件清洗的技术、动压马达技术要求及调整细则等资料中，对零件的清洗要求很明确，包括在加工过程中和加工之后零件清洗的工艺过程以及零件清洗质量的检验、装配前零件和组件清洗的工艺过程和清洗质量的检验。对零件均规定了长时间脱气工艺处理要求，一些零件甚至要求进行3次脱气处理，同时还规定了从开始脱气到结束脱气之间、一直到产品充气密封为止，不应超过的昼夜数。

美国罗克韦尔公司陀螺仪制造厂使用机器人，在一个加压的纯氮气环境中完成陀螺零件（转子和腔体）的清洗和前道装配。美国海军响尾蛇导弹机电陀螺装配规范，仅环境因素控制就有5条。苏联在继电器制造中，对最高等级装配场所的所有人员的出汗程度都进行检查和控制。

3 结论

高精度惯性仪表制造借助于生物工程遗传基因工程原理，提出产品的全寿命周期基因工程全新的制造技术理论，力图利用基因的遗传性、变异性和进化性来实现对零件制造过程中知识的认知深化和制造创新，将生物生长机理用于产品形成。提出了产品制造技术特征与产品设计技术特征的匹配性决定了产品固有的可靠性观点，产品制造技术特征存在的固有（基因）特征具有的遗传性，影响着产品合格率和参数的稳定性。抓好涉及产品制造可靠性的每一个环节，有效识别影响产品的因素，特别是微观、隐性的因素，才能有效提高高精度惯性仪表产品制造的固有可靠性，减小或消除制造工艺固有缺陷带来的影响，才能保证产品投入使用时并不存在的失效因素，不随工作时间的增长而逐渐发展；对某种始终存在（固有的遗传基因）的失效因素，不随工作时间的增长而逐渐累积。

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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

陈白帆，男，研究员，研究方向为高精度惯性仪表、高可靠电磁继电器制造可靠性、工艺可靠性设计、零件表面微观工艺特征性、零件制造与产品设计原理匹配性。

2017⁃02⁃16