产品研制环节对机械装备品质的影响研究

冀 海， 张金豹， 胡 铮， 桂 鹏， 邹天刚， 张金鑫

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

对于机械产品(以下简称：产品)研制，工程师会从设计技术、工艺、材料等一些方面开展工作，但是很少把研制过程所有相关的方面综合考虑，并且把与品质相关的各环节都进行充分的研究，这样往往会事倍功半，难于研制出优良品质的产品[1].现阶段提出的数字孪生，能够从全寿命周期内对复杂机械产品进行研制，综合考虑和产品品质相关的各个阶段环节，并且参与或控制各个环节的细节，不遗漏可能引起品质的因素，才可以最终研制出优良的产品[2].尤其在军事领域内，机械装备需要高可靠性、高机动性以及高环境适应性.虽然目前投入了大量的人力物力，各类问题也得到缓解，但问题依旧层出不穷.究其原因，就是因为在设计过程中没有形成有效的产品研发策略，研发初期专业知识积累不足[3].因此本文对产品研发策略进行梳理和讨论，为机械产品的研发提供有效支持.

1 方案与详细设计阶段

1.1 方案与设计内容

产品的研制过程在明确了任务要求和技术要求后，即开始进入方案与详细设计阶段，其中，方案与详细设计阶段是整个研制过程的灵魂部分.方案与详细设计的优劣直接决定产品研制过程的成败，此部分也是造成同类产品不同性能和可靠性水平的关键，但是落后的研制方式对其重视程度远远不够.

落后的研制方式一般都是因为方案和设计阶段时间短、任务紧，工程师待遇低、门槛低且不受到重视，有经验的工程师很多都不愿继续做设计工作，转型为待遇更好的管理人员、销售或者其他岗位；部分在职的工程师也不能全身心地投入到设计研制过程中，甚至是应付的态度.所以，传统落后的研制方案和设计一般都做得较差，而且在一个项目完成后，没有对该产品或者其系列产品没有持续的优化，后续产品的质量和发展都很容易出现问题.

国外先进团队与落后团队的产品研制周期比例有较大区别，研制周期的趋势对比如图1所示，先进团队研制方案和设计阶段时间很长，基本可以占到产品研制的一半左右，目的是做到完美接近苛刻的设计，效果是使得后续的过程尤其是维修阶段变得简单，并且会大幅降低成本.而落后的产品研制方式，设计阶段很快，后续过程则非常长，直接导致产品质量差，甚至研制失败，不能制造出正常功能和可靠性的产品.或者，产品研制成型，但需要不断地维修改造，维修阶段的时间就会超过正常的研制周期，最终成本将会大幅增加.当然，设计理念和思路也会随着工业技术的发展，逐步发生变化，可以逐步对产品进行优化[4].比如在很多时候，工程师因为各种原因被迫在规定的时间内完成设计工作，根本不可能全面详细地考虑各个环节，没有充分的时间反复推敲和比较方案的细节，往往在短时间内匆匆完成方案设计，形成巨大的隐患.

总之，设计阶段在产品研制过程中具有重要地位，需要特别重视，减少产品研制后期出现问题的风险，使得产品研制向着高端可靠的目标出发.

1.2 辅助设计工具

计算分析是产品研制过程的必要步骤，根据经典的公式完成零部件的运动学、动力学、齿轮修形、强度和寿命计算等等，有的也可以通过先进的计算软件来开展计算，非常方便而且准确[5].

仿真软件是计算分析软件的一种，近些年相当盛行，无论是高校还是科研单位都非常重视，甚至把仿真软件的使用作为考核指标.仿真软件是产品研制的一种先进工具，其种类繁多，有的可以分析零部件所受的应力和强度等，有的可以模拟计算流体的流动，甚至流体的气穴现象.这些软件可以把产品的计算结果直观化，给产品研制带来了很多便利，如图2所示.但是，由于近年积极推进仿真软件国产化，导致国内各类软件层出不穷，计算精度、计算时间和适用范围差别极大，往往与产品的试验结果相去较远.所以，工程师需要在掌握扎实专业知识的基础上，充分利用好适合本专业的仿真软件实现产品协同设计.

1.3 技术文件

产品研制中的过程技术文件准备及梳理是产品研制过程的重要部分，如图3所示[6-7].各类研制过程中的文件记录，会帮助工程师分析和研究整个设计过程的各个环节，包括技术要求书、技术说明书、会议纪要与总结、图纸更改说明、技术总结、研制历程、计算书和各类大纲报告等.这些技术文件通过及时整理，使得研制过程文件系统化，形成知识积累，帮助工程师记忆和分析研制过程，并方便查阅过往的工作内容，为数据库的建立和数字孪生奠定基础.另外，大部分文件是伴随整个研制过程的，将指导研制过程并不断优化和完善.并且随着产品的不断更新优化，文件也要一直更新下去.

此外，关于工作内容总结报告的编写也非常重要.无论是一个零件的计算，还是一个试验的开展，大多数的工作内容都需要进行报告的编写，是部分内容的记录和总结，方便以后的查阅和研究使用.报告作为工作任务的阶段性文件，需要简单、清晰、明了，说明情况即可，切不可为了应付上级检查或者其他原因而拖沓冗长，这样反而会使得别人很难理解且完整地读下去，并且还会造成长时间后自己也不能清晰地理解当初的内容，这点在研制过程中非常重要.

对于设计工程师而言，平时应该注意对于产品资料和知识的收集和总结，这样在开始研制产品时，就不会是从零开始.没有知识的积累和总结，产品的研制在开始时会非常艰难，并且会影响产品的研制进程和结果.平时收集感兴趣的知识材料，并及时进行整理和总结，这项内容不仅有助于研制产品，甚至对工程师工作和学习，都会非常有帮助.这项内容也是工程师应该具备的基本能力.

2 加工阶段

2.1 产品零件加工

产品研制过程在完成阶段性设计工作后，会转入加工试制阶段.加工试制阶段是整个研制过程的关键部分，此过程由加工单位负责，但是需要设计工程师参与进去，经过不断的沟通和讨论，确定加工工艺方案，设计人员还要考虑装配工装、计量工装和加工工装的设计工作.现在很多单位，设计人员缺乏与生产厂家工艺人员的沟通，对冷加工、热加工、表面处理等工艺理解有限，很少或懒于和工艺人员学习、了解和讨论，认为不是自己的责任范围，这样产品加工工艺编制往往会出现问题，因为工艺人员对产品一般是不能准确理解的，导致产品最终性能和可靠性出现问题.

设计人员需要进入工厂，与工艺人员讨论自己产品(图纸)和加工过程，讨论工艺的难度和必要性，并及时地优化图纸，而不是送出图纸就万事大吉，工艺和加工和自己没有关系.而工艺人员又不得不遵照错误或者不合理的图纸，去制定不够合理的工艺，最终导致产品质量差或者报废.因此，在产品和工艺之间需要进行协同设计，形成反馈，以便及时修正，节约出厂时间和返修成本[7].

另外，工厂的质量管理是生产产品质量的保证，也是产品研制需要特别关注的部分.很多工厂质量体系不完善，或者质量部门不能很好地行使权利，使得产品的质量管控出现很多漏洞，这对产品的研制是非常致命的，不管其他的步骤做的多么出色，产品都很难研制成功.所以，无论工厂规模大小或者性质如何，应该配备专门的技术人员，监管每一个生产的环节，例如：零件尺寸的检测、部件装配的控制、零件的热处理和零部件的外包，保证生产的产品符合设计的要求，或者经过设计工程师认可的超差结果.工厂的质量控制是产品研制的必要途径.

2.2 装配

对于装配过程，有些设计单位往往对产品的装配过程重视程度有限，只是提出装配要求，设计工程师不会亲自参与产品的装配.实际上，产品的装配过程是整个研制过程的重要部分，是制造过程中的重要环节，装配过程的优劣会直接影响到产品的性能和可靠性.

首先，产品的装配需要有装配大纲，这是最基本的文件，工艺方面还需要装配工艺文件.其次，设计人员还需要根据装配过程配合工艺人员，准备装配工装，这点传统上设计人员很少参与，一般由工艺人员完成，可工艺人员往往对产品的要求不够明确，对产品的特点不够了解，一般不能很好地理解科学的装配过程，可能会因为装配过程出现质量问题，例如高压管路的装配，非专业的管路工艺工程师非常匮乏其装配知识.所以设计人员应该负责并控制产品的装配过程，根据工艺人员的建议设计装配工装，掌握装配过程的各个环节，尤其是装配的关键环节，例如油封的装配，齿轮的装配等.此外，装配的过程应尽量避免暴力装配，暴力装配通常会影响产品的性能和寿命，如图4所示，例如轴承的装配可以通过加热或者冷却的方法装配；油封的装配可以通过设计专用工装进行装配.

2.3 计量检测

产品的研制过程中，零部件的计量检测是产品研制的中间环节和重要步骤，是检验加工制造和设计要求的对应关系的手段.如果计量检测出现了差错，把不合格的零部件检测为合格，将很可能会导致产品运转时出现故障，并且很难追溯到失败的源头.计量检测一般包括尺寸计量、形位公差计量、粗糙度计量、硬度计量和金相检验等，按类别可以分为加工计量、热处理结果检测和材料检测[9].工欲善其事必先利其器，计量检测需要有专业精密的设备和技术人员来完成.

计量检测的过程是容易出现差错的步骤，因为检测技术人员对新产品的研制不熟悉，虽然有具体的检测要求，但是在检测过程中还是会把一些主观的思路带到检测过程中，导致检测的结果出现偏差，如图5所示.因此，检测过程最好有工艺文件，并且经过与设计人员的讨论决定，因为设计人员最了解新研制产品的工况，知道各个检测单元细节的不同要求.此外，设计人员最好参与产品的检测过程，观摩整个检测过程，甚至在过程中提出自己的疑问和见解，讨论后完成检测过程.对于关重零部件的检测，更要严格把关不能出现纰漏.总之，设计工程师要控制产品研制过程的每一个细节，把正确的设计完整地体现到产品中.

2.4 试验验证

试验验证是产品研制的检验过程，可以充分暴露研制过程中存在的问题，可以检验产品的性能和可靠性，最终决定产品研制的成败.根据产品试验验证过程中出现的问题反向分析，找出故障的原因并改正优化.另外，试验验证可以对产品是否合格给出结论，如果达到性能与可靠性要求，即可完成产品研制过程，转入生产阶段开始创造经济效益.试验后的拆检是产品试验过程的必要环节，有些试验故障是可以通过目视检查发现的，有些只能通过计量检测的方法，发现零部件的异常损伤并得到具体的量值，然后分析产生的原因并反馈指导研制过程.

产品的试验需要进行详细的策划和准备，需要有试验方案和试验大纲.并且试验台架的建设也非常重要，需要考虑产品试验的各项要求，比如：试验箱、输入转速、扭矩、功率、惯量和电网等，另外，液压液力产品还需要液压油源的需求.

性能试验与可靠性试验是检验产品的两项基本内容[10].其中性能试验是检验产品的性能指标，如果性能达到了设计要求，则需要进一步对产品的耐久性开展可靠性试验验证，反之则需要反向追溯研制过程中出现的问题，并寻求解决办法.传统上，性能试验一般执行的比较科学完整，对可靠性试验往往不受重视，因为可靠性试验需要投入大量的人力、物力和时间，消耗往往非常巨大，而且没有即时的经济效益，所以很多产品很难完成完整苛刻的可靠性试验.结果不能完全暴露产品研制过程中的问题，最终在产品批量生产和使用过程中出现普遍问题，甚至会出现致命的故障，造成难以估量的损失，甚至毁掉一个企业.

所以，可靠性试验必须开展而且需要加严考核，目的是保证产品的耐久性质量.但是，可靠性试验的时间往往很长，要解决这个问题，可以通过试验方法的理论研究，得到等效的试验方法，缩短试验的总时间.即不一样的试验过程能达到一样的试验效果.例如：提高试验的强度，减少试验的总时间，就会大幅减少时间成本，并且达到可靠性试验的目的.

3 维修阶段

保养是产品使用过程中正常的维护和整理，维修是产品不能正常工作进行的修复和故障排除.产品除了正常的保养，很多时候是因为故障而进行的维修.产品产生故障的原因有很多，没有被正常执行保养要求会容易引发故障，产品使用时间达到或者接近寿命故障会增多，材料缺陷和加工过程也是会引发产品故障等等.其中，设计不合理是造成故障的特殊类型，由于设计缺陷造成的产品工作异常往往是致命的，而且广泛存在.由于设计的缺陷，会给维修造成极大的困难，有的产品甚至无法进行修复，或者需要花费大量的费用和时间.比如汽车行业，我们经常会看到汽车召回的信息，有很多是因为设计缺陷造成的.由此可见设计阶段的重要性，后期的维护保养经验也可以反馈设计过程，使得产品研制向着正确的方向发展.

总之，工程师设计(一般是项目负责人)应该是产品研制的责任人，应该控制整个研制过程.出现任何故障都应该是设计工程师牵头解决，需要和各个过程环节的工程师进行沟通，把握每一个研制过程的细节，微小的细节错误都可能会影响产品研制的成败.

4 结束语

产品研制包含方案设计、加工试制、装配和试验等具体工作，这些环节对产品的研制有举足轻重的作用.设计人才队伍的结构构成是产品研制的根本，团队的管理是人才使用和任务分配的重要内容，也是产品研制的关键.如果没有合适的团队人员和管理方法，会使得团队分工不清晰和责任不明确，造成不必要的重复，将会影响产品研制的进度甚至成败.因此研制优良品质的机械产品，工程师需要付出艰辛的努力、持续有效的沟通以及不停的迭代更新.