新产品研制问题及改进建议

曹魏、沈汝澄、张璁、韩威、赵阳 /中国运载火箭技术研究院

新产品研制是将科技成果转变为现实可靠产品的重要阶段，对新技术的实现和应用具有至关重要的作用。新产品采用了较多具有创造性的新技术、新工艺、新材料、新工装等，在技术认识、工程实践方面存在一定的不确定性，因此在新产品研制生产过程中存在风险。笔者从新产品设计和制造等环节分析可能存在的问题并提出改进建议，为高效开展新产品研制、实现精细化管理提供参考。

一、 新产品研制特点

新产品是指采用新技术原理、新设计构思研制和生产的全新产品；在结构、材料和工艺等某一方面有明显改进，从而显著提高性能或扩大使用功能的产品。新产品研制是一项风险性实践活动，是将研发人员的隐性知识通过设计分析、工艺制造、装配测试等环节，形成显性产品的过程，也是将研发、设计、工艺、操作、检验、测试等岗位人员的多专业知识共享、集成和融合的过程。新产品研制具有以下5 个方面特点：是一项技术验证的试验活动，使用的新技术、新材料、新工艺、新工装等比例较大，存在某些未认知的事项，具有较大的风险和不确定性；本质是研发而不是生产；目的是将设计意图变为真实产品；是一项长期的活动，需要多次反复迭代改进；实施主导的设计、工艺和生产人员具有丰富的工程应用经验和解决问题的能力。

二、遇到的问题

新产品设计制造等环节采用了新技术、新材料和新工艺，提高了产品研制的技术难度，在设计方案形成图样、按图样生产为零件、零件组装成组件等产品研制生产过程中，由于技术未完全掌握造成风险和不确定性较大，容易发生以下2 个方面的问题。

1.材料选用合理性不足

任何产品的研制，设计是主导，材料是基础。合理选材一定意义上决定了设计思想是否能够完美实现，是实现产品研制至关重要的环节，设计选材可能存在以下问题：一是未充分识别产品的使用特点和工作环境，选用材料的物理和化学性能未达到要求。例如：未充分考虑产品使用时存在高温、摩擦等工况，未考虑盐雾、湿度等对金属材料的腐蚀作用，给产品的使用留下极大的质量隐患。二是在满足使用性能和质量要求的前提下，未充分考虑选用材料的经济性。例如：一律使用合金钢材料替代普通钢材。三是未考虑不同材料之间的相容性。例如：碳纤维复合材料与金属材料接触使用时，未考虑电偶腐蚀给金属材料带来的腐蚀失效问题，存在产品实际使用寿命低于预期寿命的风险。四是为追求高性能选用较多新材料。例如：某些新材料是进口材料的国产化，国产化材料的反向设计和研制得到的技术指标并不能完全反映进口材料的设计思想，加上新材料制造批量少、性能稳定性差，少量批次的性能数据代表性不足，造成产品性能不稳定，增加质量风险。

2.设计与工艺实现结合不足

设计图样是产品工艺实现的重要依据之一，设计与工艺和制造的结合程度，决定新产品制造的可行性、制造难度、制造经济性等。新产品研制过程中设计与制造的结合不足，主要体现在材料、工艺、设备、场地、环境条件以及后续使用要求等方面。

一是技术要求过高，与现有的制造工艺、设备等能力不匹配，在制造时很难实现甚至根本无法实现，由此造成返工既浪费人力，又延误工期。例如：产品加工精度要求过高，制造无法实现或需要使用特种加工设备，增加了产品制造难度、周期和成本；产品结构为大型整体构架，无法直接采购货架原材料，需要定制生产，增加了原材料供货周期和成本。

二是内部布局紧凑，操作可达性差。在狭小空间布局零件、紧固件，存在无法安装或操作不可达的风险。线缆布局设计时未充分考虑线缆直径和折弯半径，实际安装时可能长度偏短或折弯时与其它产品干涉；零件或紧固件安装在角落位置，可能存在操作者视线受阻、工具无法正常使用等问题。

三是技术交底不充分，工艺人员未能充分理解设计意图，制造的产品与设计意图有差异，从而造成产品质量问题。例如：产品基准定位于一个理论的空间位置，工艺人员会将之转化到产品上，不同的转化位置可能影响产品的定位基准，从而存在质量隐患。

三、解决措施

1.熟悉产品原材料特性，合理选用新材料

材料选用是产品设计非常关键的一步，要根据材料特性因地制宜，充分发挥材料的性能，扬长避短，使材料特性与设计需求统一协调。根据新产品的功能和性能，充分考虑材料的力学性能、使用温度、密度、硬度、导电导热性能、加工性、尺寸稳定性、耐腐蚀性、与其他材料相容性等特点。航空航天领域大量使用的碳纤维增强树脂复合材料，相比传统的钢、铝、钛等金属材料，具有强度高、密度低、热膨胀系数小、可制造大尺寸一体化产品等优点。充分利用碳纤维增强树脂复合材料的特性，相对金属材料能够实现20%～30%的减重，可制造出波音787 大型的复合材料筒段机身，一体化成型可减少大量的紧固件，从而缩短装配环节成本，但在使用过程中也需要综合考虑其耐冲击性能差、使用温度较低、价格较高、加工难度大、易变形、回收困难等缺点。碳纤维复合材料与金属材料接触使用时，需要考虑进行电偶腐蚀防护，选用相互相容的材料，从根本上防止电偶腐蚀，如紧固件应选用耐腐蚀且与碳纤维复合材料电位差小的材料；对于不能直接接触又必须相连的碳纤维复合材料与金属材料，应采取增加接触电阻或增加绝热材料隔离的方式。

选用新材料，不能一味的追求“新”，要确保新材料具有一定的成熟度，如制造工艺流程成熟，生产质量过程控制有效，材料的性能和功能稳定。一般情况下，新产品选用的新材料应不超过5%。

2.强化设计能力，做好产品设计方案

产品设计方案是新产品研制的“火车头”，决定了新产品研制全流程的的正确性、经济性和统一性。新产品设计前应充分了解各相关方对新产品性能和功能的需求，理解新产品的特点、关键性能，确保重点关注、统筹兼顾，才能设计出各相关方满意的产品。因此新产品设计时需要设计人员具备以下能力。

一是掌握相关产品设计知识和行业标准规范，确保设计简单、质量高、缺陷少、绿色环保、制造经济性高等。建立合理的规章制度，规范研制管理流程，能够有效提高新产品研制管理水平。合理、规范的研制管理要求是在各种产品研制完成后，将已发生的不合规、不合理、严重影响新产品质量、研制周期和经济性等问题进行梳理，形成有效的解决方案，用以指导研制团队统一、规范地开展新产品研制，确保新产品研制效率和经济性。

合理规范的研制管理要求是基础，关键在于严格执行，并做到奖惩分明。提高研制团队对研制管理要求的执行度，要加强思想教育，提升团队规范意识，做好管理要求培训，确保团队成员对管理要求的理解程度和一致性；加强对研制管理要求执行程度的绩效考核，奖惩有度，从而在制度上提高要求执行的自觉性和坚定性。

二是熟悉产品制造和装配流程，简化设计要求，提高产品的可制造性。产品设计时尽量简化生产装配过程，提高制造的安全性和可靠性。例如：尽量减少零件数量，合并或设计多用途零件；减少紧固件类型和数量，选用标准化零件或供应商货架产品；模块化产品设计，把产品中多个相邻零件合并成组件或模块；产品容易操作，避免锋利的边角，具备较高的安全性；减少零件装配方向，尽量利用自然重力或采用前后左右的装配方向；设计导向特征，配合型面考虑使用导向销或导向槽，增加限位或定位；避免装配干涉、视线受阻，利用三维软件进行动态模拟，充分考虑人员、设备、工具等操作空间；防差错设计，放大相似零件差异特征，增加明显标识等。

三是熟练使用新工具，提高面向产品的设计能力。面向产品的设计，不单指产品自身的设计，也指产品全生命周期的设计，面向产品的设计技术体现系统化的设计方法，在设计阶段考虑产品的性能、质量、可制造性、可装配性等因素，从而对产品进行设计优化。现代设计技术中，各种新工具是实现面向设计的重要手段，熟练使用计算机辅助设计、并行设计及虚拟制造技术等现代设计技术，掌握面向制造、装配、使用、拆卸的设计能力，能够全面提高产品设计质量、缩短设计周期、提高产品制造性和经济性。

虚拟制造等现代设计技术不但能提高设计效率，而且能尽早发现设计中的问题，从而优化产品设计，采用虚拟技术的产品设计，可随时修改、评测；新产品装配是产品研制易出现错误的环节，以往要到产品最后装配时才能发现的不匹配、干涉等问题，导致零件报废、工期延误及巨大的经济损失。采用三维图样的立体图形，使得在设计时就可以确定产品的物理特性，通过装配模拟软件，可以提前检查零件之间的间隙和干涉并便捷的更改，因此可以降低生产成本、避免返工。

四是与工艺协同，确保设计与制造统一协调。采用设计工艺协同的模式开展设计工作，使工艺介入产品设计，集中讨论材料选择、工艺方法、工具工装使用和检验检测等环节，从而确保产品设计与工艺流程、制造过程协调统一。

采用协同模式进行新产品设计，在方案设计能力上可确保设计方案在可行的基础上实现最优化；在研制进度控制能力方面，将制造期间的部分工装设计、原材料采购、工艺方案制定提前到产品设计阶段进行，有效减少了设计、制造信息的不一致，从而缩短设计制造周期、提升产品质量和提高产品合格率。

3.积极跟产跟试，善于总结，提高快速解决问题的能力

设计、工艺、操作等专业化分工，并不意味着设计人员只需要掌握产品设计的知识、工艺员只需要掌握工艺知识、工人只需要执行制造要求，而是需要相关专业紧耦合。生产现场是各专业要求实现的主战场，生产现场跟产跟试，不仅能够使设计人员、工艺员理论联系实际、学习到更多工程应用知识，也有利于直接掌握现场发生问题第一手信息，结合设计、工艺流程、操作过程等多方面数据，准确定位现场发生问题原因，制定最佳的解决措施，从而确保问题的快速、高效处理，避免造成较大经费增加和工期延误。

总结是对一定时期内研制工作全面系统的回顾和分析，检查过程中做出的成绩、存在的优点和不足，找出研制工作规律。需要将研制过程做一个比较具体和全面的剖析，对个人工作做客观的评价和判断，从这些分析和判断中找出对后续工作有利的经验或者教训、处理问题的方法、新的知识和技能等，有利于个人成长和下一阶段的研制工作。

新产品研制是科技成果转化的重要环节，对科技成果走向成熟、形成可靠产品至关重要。在产品设计阶段，产品研制团队应利用丰富的专业知识和工程经验，选用经济、合理的材料，慎用新材料，通过现代设计技术，面向制造设计出功能、性能优秀的产品；通过合理的工艺方案和工艺流程，制定详细的操作规程；按照图样和操作规程探索最优工艺参数和最佳技术路线，确保新产品顺利研制，为其他产品的研制或批量生产提供指导。