深入工艺流程 协同质量控制

李国杰、罗普光 /北京航天长征飞行器研究所

航天产品的质量控制贯穿于设计、生产、验收、装配等各个环节中，但设计师系统往往会将质量控制的重心偏向于设计和验收环节，将生产和装配环节的重点放在生产单位进行控制。如果生产和装配环节的质量控制出现问题，往往面临的是产品报废的严重后果，进而带来经济和进度上的双重困境。因此，如何控制加工工艺和装配工艺，使之与产品特性相吻合，提高产品质量、减少废品率显得尤为重要，笔者重点针对加工工艺与产品设计相结合的方法展开论述分析。

一、组合模式的提出

在以往型号产品研制生产的过程中，设计师系统往往关注设计方案先进性及可行性，方案设计完成后产品以图纸形式下发给生产单位，由生产单位制定工艺、模具、操作流程，完成生产、产品检验，具体流程如图1 所示。一方面，设计师系统只关注最后的产品检验环节，对产品生产的中间环节状态并不清楚，一旦出现检验问题，对问题出现的环节及原因很难精准定位，不利于产品的改进设计。另一方面，设计师对产品中间状态及过程的不清晰，会导致在产品设计过程中只追求产品理想性能的提升，忽略实际生产可行性及生产工艺复杂程度，导致产品性能与生产工艺不匹配等问题，造成生产成本显著增加，产品质量难以把控。

针对设计师系统对产品中间状态把控不清晰的问题，对传统设计生产模式进行优化，促进产品设计与加工工艺的紧密结合，让设计师参与产品设计、生产的每一个环节，对实际生产状态有更深的理解，使得设计师在设计之初就全面考虑产品生产的全流程，充分考虑设备现状及工艺复杂程度，深入工艺量化，提高工艺文件的指导性和可操作性，提前规避相关质量问题的发生；同时，某一环节出现问题可立即开展攻关工作，大大提高了产品的研制生产效率，进而提高产品质量。改进后的设计生产模式如图2 所示，具体组合模式为：

图1 传统设计生产模式

在产品研制初期，设计师系统与产品生产单位应采取三维数字化异地协同工作形式，充分论证产品工艺可行性；设计师系统参与到从工艺、模具、操作到装配的整个流程中，直接指导工艺流程的制定和审查，提前识别生产过程中可能存在的问题，必要时由设计、工艺、操作人员成立攻关小组进行攻关，保证产品的研制进度；由工艺人员将生产中出现的问题及时反馈给设计师系统，设计师系统根据工艺问题对产品方案进行优化设计，提高产品性能与生产工艺的匹配适应性，并将改进方案落实到相关文件中，以试验件产品实物加以验证，确定产品最终状态。

二、结合工作过程实施方法

为了确保产品质量控制工作取得实效，设计方与承制方可以成立攻关小组，主要包括设计、工艺、模具及操作的相关人员，设计人员负责产品主要技术状态的把控、参与产品制作全程并进行技术指导；工艺人员负责工艺文件落实、设计状态复核反馈；模具及操作人员负责模具出图、模具制作、产品成型、装配及状态控制。

首先，通过三维数字协同工作模式，设计师与生产单位对产品状态进行迭代优化后确定产品设计方案，并以蓝图形式下发到承制单位；在设计方审查认可的情况下，由工艺人员将设计方案细化到工艺文件中并下发到产品生产部门进行模具出图，并对生产过程中的薄弱环节进行预估；在设计与工艺相关人员同时在场的情况下进行关键产品的制作，对预估的工艺难题及新材料、新状态匹配适应性进行充分验证，提前释放风险，由设计方根据现场和实物对模具特殊状态及产品制作流程进行现场指导，并由工艺记录以完善工艺文件；进行零部件的散态预装配，摸索装配工艺及装配流程；进行产品正式装配，验证生产、装配工艺流程；最后，根据产品总装检测情况将最优方案落实到工艺文件当中，明确工艺文件量化参数。

三、案例分析

以某型号产品为典型案例，对工艺与设计相结合的情况进行具体分析。该型号总体对产品质量特性的允许偏差很小，而受质量、空间、性能指标的综合制约，可调配度又十分有限，因此对产品实物状态与理论设计状态的一致性提出了较高要求。在所有零部件中，预制壳体是最难以进行轴向质心控制的部件之一，难点在于组合元素种类较多、数量大，组合元素的实际排布与理想状态存在一定差异，而且由于质量比重较大，其质心偏差对整个系统的影响也是最大的。另外，组合元素的粘接材料在同类产品中属于首次应用，产品适应性存在未知隐患。

传统的预制壳体制作仅对组合元素层片的质量以及使用组合元素数量进行规定，并不追究工艺制作过程；工艺人员对产品状态未能理解认识到位，编制过程中仅依靠自身理解及其它型号的生产经验编制相关工艺文件，这就造成了实际生产中难以控制质心偏差和最佳排布的局面，往往会造成排布间隙不合理以及过大的质心偏差。以往型号研制中对预制壳体的质量、质心偏差允许范围较大，传统的设计生产流程也能满足型号要求。本案例中，随着产品质量精细化控制要求的提高，传统的设计生产模式已无法满足需求，通过改进设计师系统，将工艺与设计相结合，改进以往预制壳体制作模式，对工艺过程精确控制，实现产品性能最优化。具体方法如下：

图2 改进设计生产模式

首先，通过三维数字协同工作模式确定组合元素层片的整体分区方案，并以蓝图形式下发到承制单位，设计蓝图需对组合元素层片质量、质心、几何尺寸、所选组合元素类型、数量、组合元素粘接材料类型及重量参数进行量化，确保产品性能。

其次，在设计方审查认可的情况下由工艺将层片分区方案细化到工艺文件中，并下发到层片制作部门进行模具出图，工艺文件主要考虑组合元素层片的实际生产可行性，将层片沿轴向和周向进行划分，形成若干块进行生产后拼接成型；划分过程中需同时考虑各层片块自身膨胀、收缩、公差的影响，准确预估层片块之间的间隙，确保各层片块之间的可靠拼接安装；充分考虑层片制作模具成本，对层片模具采用通用化设计，通过模具组合使用实现不同类型层片的制作。

第三，在设计与工艺同时在场的情况下进行组合元素层片块的发泡制作，制作过程需对组合元素参数（材料类型、力学性能、尺寸规格、数量、排布方式）、粘接剂参数（材料类型、规格牌号、配比、质量）、模具姿态、模具预热温度、层片发泡方向、发泡温度、发泡时间、固化时间温度曲线、冷却流程、退模温度、退模方向等参数逐一进行确认，对制作完成后的层片变形量、最终质量进行测量统计。制作过程中首先验证新用粘接材料与组合元素的匹配适应性，同时制作过程中设计方根据现场和实物对制作流程及组合元素排布方案等进行现场指导，组合元素层片块通过检验合格后对制作工艺流程进行固化。进行零部件散态预装配，对每一个层片块质量进行统计，根据组合元素层片总质量、质心要求，对层片组件之间的间隙进行局部调整，将拼装成的组合元素层片的质心调整到理想状态，调整确定每一个层片块位置后在产品金属壳体划线，对每一个层片位置进行固定。

第四，预制壳体正式装配，金属壳体预热至温度要求后，将组合元素层片块粘接至金属壳体固定位置，各层片块之间缝隙采用密封胶进行密封，粘接胶固化后对预制壳体质量特性进行测量、统计。

最后，根据预制壳体成品检测情况对工艺参数范围进行严格调整，将组合元素层片的最优方案落实到工艺文件当中，工艺文件需对生产过程中的人员、设备、材料、环境、生产流程、工艺参数等形成明确量化要求，以便生产人员有效执行，提高产品的生产质量。

通过上述措施将设计与工艺高效结合，该型号产品预制壳体在质心控制、胶料发泡缺陷控制等方面取得了显著效果，顺利解决了这一关键技术，提高了产品整体质量特性的可控性，避免了质心超差和发泡气体残留问题带来的经济损失和安全隐患。具体来讲，工作启动前的模装产品采用通用工艺方案进行制作，模装结果发现其轴向质心超差约10mm，同时出现了“鼓包”现象，这将最终导致整个产品质心超差并出现安全隐患。采用工艺与设计相结合的工作方式后，有效纠正了这一偏差，试验件实测质心能够控制在理论值±1mm 范围内，控制精度实现质的提升；另外，攻关过程中排查出了多个极隐蔽的现场问题，如层片制作时模具姿态问题、模具过热问题、组合元素排布优化方案问题等，通过采用设计方提出的多项有效解决措施，问题均得以有效解决并落实到相关工艺文件中。

四、经验分享

通过该型号产品预制壳体制作与装配过程中的质量控制工作过程，可以看到以工艺与设计相结合方式来控制产品质量的重要性。首先，工艺应提前参与到设计当中，可对生产过程中存在的风险提前识别并开展专项攻关，增加产品设计的可实现性和工艺经济性；其次，设计人员应当全程跟踪产品制作过程，了解并指导完善工艺文件和规范操作流程，进一步识别出生产过程中的薄弱环节，在工艺设计时通过合理制定工艺控制范围，从而尽可能杜绝产品生产过程中存在或产生隐蔽质量或安全隐患。该设计方法已推广应用至其它型号产品的研制生产，可大幅度提升产品的研制周期与效率，减少产品质量问题的发生，满足航天产品高效、精细化的发展需求。