零件表面微觀工藝特征性研究——產品(零件)工藝技術基礎科學問題機理探索

陳白帆，林　颯，趙　蕾，王欣巍

（1．北京航天控制儀器研究所，北京100039；2．海軍駐北京二三九廠軍事代表室，北京100036；3．中國航天電子技術研究院，北京100094）

零件表面微觀工藝特征性研究——產品(零件)工藝技術基礎科學問題機理探索

陳白帆1，林颯2，趙蕾1，王欣巍3

（1．北京航天控制儀器研究所，北京100039；2．海軍駐北京二三九廠軍事代表室，北京100036；3．中國航天電子技術研究院，北京100094）

通過研究產品（零件）制造過程、方法、參數等工藝因素，給零件表面及表層帶來（留下）特有的微觀特征性，首次在高精度慣性儀表和高可靠電磁繼電器（機電類）產品制造體系中引入了零件表面微觀工藝特征性概念，提出了制造階段的產品工藝可靠性設計和微觀工藝特征（性）分析方法，提出了該類產品制造中的工藝設計更應該關注零件與產品設計原理匹配性和性能特性符合性觀點，提出零件制造要從單純的控制幾何精度向控制性能特性轉變，從宏觀、單一采標的幾何參數評價向微觀、綜合采標的非幾何（非尺寸）參數評價模式為主轉變的建議。零件表面存在的這種微觀特征現象與零件幾何精度一樣，將對產品制造的合格率、穩定性、可靠性的實現起到至關重要的作用，尤其對產品的合格率影響極大，有必要開展更深入、更系統的研究，以建立起我國自主的高端產品（或零件）制造基準工藝平臺。

產品制造技術；零件微觀特征；零件非幾何參數；工藝可靠性設計；制造工藝基準

0 引言

工業4．0作為德國國家戰略是有深遠背景和堅實的工業化基礎的。它是高度靈活又高效能的生產制造模式，同時它還意味著環境友好的發展模式，以及社會形態的改變。而這一切都是建立在德國在20世紀已經徹底解決了產品的生產質量問題的前提下，也就是說工業4．0的制造模式不是用來提高產品生產合格率和解決質量問題的。

要實現“中國制造2025”，還是要先解決我們產品的生產制造質量問題—制造工藝技術的基礎問題。

1 研究背景和意義

我國發展了50多年的高性能產品關鍵基礎零、部件的制造能力與工業化國家相比依然有較大差距。目前，我們零件的生產制造從幾何尺寸精度和表面粗糙度Ra要求看，似乎沒有什么差別，甚至我們圖紙的要求更高、更多，特別是我們配備和使用了當今世界上最先進、最昂貴、最高精度的加工和檢測裝備。可是，由這些裝備制造出的高精度零件裝配出的產品還是合格率低，產品投入使用后在性能穩定性、可靠性方面差距更加明顯，分析認為這種差距主要有4方面原因：

1）我們的產品設計多以結構參數為基本內容，即設計將產品的實現原理轉換成了結構參數，將許多物理量變成了幾何量表達出來。而工藝看到的只是幾何量，工藝設計自然就以滿足幾何精度為主要目的，工藝設計是不會考慮零件滿足設計原理的匹配性、符合性。實際上我們零件的加工處于控形制造，而非控性制造。

2）我們在50多年的慣性器件產品制造過程中，經驗和教訓所形成的行業制造標準與規范太少，特別是以功能零件為對象的標準與規范更是空白，雖然已發展幾代的慣性器件產品，但至今并沒有形成一個完整的慣性器件制造技術體系。隨著產品精度的提高，在制造技術層面不知道哪幾件零組件對設計原理的影響最大、對性能的影響最敏感，不了解哪些加工形成的表面特征對機理和性能的影響程度最大，只能一直強調零件加工精度的提高，使我們對慣性器件產品制造工藝的認知形成了誤區，影響、制約和阻礙了慣性器件產品制造水平的提升。

3）隨著產品精度和可靠性的提高，產品工藝設計思想：①依然沿用傳統單一的評價標準——尺寸、形狀、位置和一個微觀高度參數Ra或Rz值作為零件質量的評判依據；②對零件的冶金、物理、化學、力學、熱學、電磁和污染程度等非尺寸參數依然采用非定量化的評價，或不做評價（隨機參數表征產品的個體差異性）。

4）沒有認識到零件加工制造方法、加工介質、熱處理、清潔處理、參數、刀具使用間隔、評價條件、工藝控制點等各個過程，都會給零件表面帶來與產品原理匹配性（或與性能）相關的微觀特征。

以上也是機械產品制造與機電產品制造工藝設計理念的根本區別所在，我們一直在以機械產品的制造技術思想和認識制造機電產品。

以戰略級慣性儀表和軍用高可靠電磁繼電器零、部組件為研究對象的零件表面微觀工藝特征性研究概念的提出，是在近年來對高可靠電磁繼電器失效分析和制造可靠性工藝技術研究驗證工作成果基礎上，系統地總結出的產品制造存在的制造工藝的固有特征（缺陷）性這一技術思想基礎上發展形成的。

我們認為零件制造過程、方法、參數等工藝因素，都會給零件表面及表層帶來（留下）非受控、隨機形成的微觀特征，而零件表面的這些微觀特征（尤其是非尺寸要素）將決定零件在特定條件下實現規定性能的能力，也決定了裝配集成后產品系統的宏觀結構和性能。這種微觀特征現象不僅影響到產品生產合格率的高低，也決定了產品使用周期的好壞。可以說零件表面的這種微觀工藝特征性（或零組件表面特征基因組）將對產品固有性能的實現起到至關重要的作用。

要解決高精度慣性儀表和高可靠軍用機電組件長期存在的合格率低、質量不穩定，不斷出現多余物等大量說不清楚機理或“沒有原因”的失效事件的深層次原因，還是要從微觀層面研究合格的零件質量應該用什么標準進行評價，識別零件個體的那些隱性的微觀特征參數，在工藝設計中重視加工出的零件性能特性與產品原理的匹配性和符合性，在產品制造中增加微觀特征、因素的管控、改進和定量化控制與評判，才有可能從根源上解決制造質量問題。

工業化國家產品品質的優異是幾百年間對技術的認知和工程經驗教訓的積累得到的，他們的每一道工藝、每一項配料、每一個細節都是一點一點從心里挖出來，從失敗中走出來的。也就是說有高精尖的制造設備并不能解決全部的產品生產質量問題，在產品制造工藝技術認知和細化上還是有很大的空間和潛力可挖，從制造技術方面是可以找出解決產品生產質量問題的途徑。

本研究從一個全新的制造技術角度，系統地提出零件表面存在著與設計原理匹配性和性能特性符合性密切關聯的零件、零組件單元微觀工藝特征性概念，提出了零件表面微觀工藝特征的識別、分析、控制是高端產品制造工藝技術基礎的觀點，在此框架內提出了產品的工藝可靠性設計以及微觀工藝特征（性）分析方法。期望用新的概念和方法開展3個層面的研究：1）識別制造過程中的各種工藝因素會給零、組件帶來（留下）哪些微觀工藝特征；2）分析和認識這些微觀工藝特征對產品合格率、穩定性和可靠性造成影響的機理，以及影響規律和程度；3）人為地、有目的地控制形成這些微觀工藝特征的工藝過程和參數。

同時，希望借此形成一個新的工程制造技術理論平臺——零件表面微觀工藝特征性研究平臺，以解決高端零、部組件制造瓶頸，提升我國國防科技工業基礎能力，真正解決產品的制造可靠性問題。

2 微觀工藝特征性的初步定義

以高精度慣性儀表和軍用高可靠電磁繼電器產品制造為主要研究對象的零件表面微觀工藝特征性概念的提出，是在近年來對高可靠電磁繼電器失效分析和制造可靠性工藝技術研究中提出的制造工藝的固有特征（缺陷）性這一技術思想基礎上發展形成的。

“制造工藝的固有特征（缺陷）性”定義為：“再精密和再受控制的加工方法都帶有某些至今未被很好認識到的固有的特征（缺陷）。這種固有缺陷都會在被加工零件表面留下或形成各種的（幾何、物理、化學、力學、污染等）特征狀態。零件表面存在的這些狀態與產品設計原理具有映射關系，會影響零件與產品設計原理匹配程度和性能特性符合程度，對產品生產制造的合格率、穩定性和使用性能、可靠性的影響具有直接相關性。如不能有效識別加工方法固有缺陷，最終容易導致特定工作原理產品的生產合格率低、穩定性差，以及產品使用性能退化或失效。”

而零件表面微觀工藝特征性概念，擴展了制造工藝的固有特征（缺陷）性的概念范圍，將對零件質量的管控范圍從單一評價零件在機械加工階段合格與否，延伸至零件在生產制造全過程合格與否，以及最終滿足性能特性符合性程度。并對各個零件集合成產品后所形成的微觀工藝特征與造成產品合格率低、穩定性差和產品退化、失效原因的內在關聯性進行識別，以及零件表面、零件組件單元微觀工藝特征性對產品性能的影響規律和影響程度開展研究。將零件表面微觀工藝特征性對產品品質的提升過程劃分為3個研究階段：1）產品生產合格率提高階段；2）產品測試、試驗穩定性階段；3）產品使用可靠性階段。目前，重點研究解決第一階段問題，即產品生產合格率。

為此，給出的零件表面“微觀工藝特征性”的初步定義是：“任何一種加工方法和工藝過程（和采用的工藝措施），都帶有固有的特性和缺陷，都會在零件表面和表面層形成獨有的微觀特征狀態。這一特征狀態會因該零件在特定產品中所承擔的功能、作用和所處位置、使用環境的不同，影響到產品生產的合格率和參數的穩定性，進而對產品使用性能和功能穩定性、可靠性產生不同程度（功能退化甚至失效）的影響。”

長期以來對零件制造研究的是零件幾何加工精度（精密、超精加工，它的本質是加工設備精度保障），而不是研究如何制造出與產品原理匹配性高和性能特性符合性好的零件（它的本質是零件制造工藝技術參數保障）。所以，提出零件表面微觀工藝特征性的研究目的，就是要解決和改變長期以來把單一表面微觀幾何特征——表面粗糙度Ra和宏觀幾何參數作為衡量零件質量的傳統認識，提倡將零件加工后表面形貌的其他微觀輪廓參數和冶金、物理、化學、力學、熱學、電磁和污染程度等非尺寸要素會對零件承擔的性能產生影響的綜合評價參數，作為評價零件質量的依據。

本研究觀點認為產品制造技術、產品制造質量和制造可靠性的研究應該是面向產品設計原理和面向產品零件性能特性的工藝設計研究，而不是面向零件材料和面向產品結構參數的工藝設計研究，這是工藝設計的基本原則。

3 微觀工藝特征的形成機理及表征

可以從原材料、機加工、特種加工、熱處理、去應力、清潔處理、生產環境、裝配操作等工藝過程逐一分析微觀工藝特征的形成機理。

1）原材料特征：原材料廠家在生產制造中存在的批次性差異特征。

2）機加工特征：零件表面的加工紋理方向、微觀輪廓形貌、損傷、微裂紋深度和殘余應力等的形成都與選擇的工藝參數（如切削速度、進給速度、切削深度、刀具參數和刀具的更換間隔標準等）直接相關聯。

圖1為零件表面車削加工的紋理隨刀具使用時間的變化特征，圖2、圖3為不同車削速度和不同時刻下的紋理變化特征。

圖1　連續拍攝的零件表面加工紋理隨刀具使用時間變化特征Fig.1 Characteristic of continuous shooting parts surface processing texture with the changing of tool use time

圖2　不同切削速度483r／min、760r／min和1250r／min下零件表面紋理的變化特征Fig.2 Characteristic of parts surface processing texture with the changing of different cutting speed such as 483r／min，760r／min and 1250r／min

圖3　不同時刻0min／60min／70min下零件表面紋理的變化特征Fig.3 Characteristic of parts surface processing texture with different time such as 0min，60min and 70min

3）特種加工特征

電鍍工藝制備的涂層必然形成結構低致密性、表面缺陷多、孔隙率高，與基材的附著力差等固有的缺陷。圖4從左至右分別為美國陸軍裝備研究所電鍍涂層缺陷剖面圖像、國內某企業電鍍涂層表面狀態（1000倍）和表面孔隙率試驗。

物理氣相沉積方法生產的涂層具有很好的化學穩定性和致密性，但涂層存在較大殘余應力，涂層表面還普遍存在較多、較大的熔滴顆粒，也有少量的針孔缺陷。圖5從左至右分別為美國陸軍裝備研究所HC?Cr涂層顯微圖像、國內動壓馬達半球表面DLC涂層存在的熔滴顆粒（386倍）和TiN涂層存在的針孔缺陷。

圖4　電鍍工藝方法的固有缺陷Fig.4 Inherent defects of electroplating process

圖5　物理氣相沉積工藝方法制備的涂層情況Fig.5 Coating prepared by physical vapor deposition process

離子束刻蝕的特點是對不同元素有不同的刻蝕速度，平面上刻蝕所獲得槽深的均勻性好于在弧面上刻蝕，圖6為離子束加工球面槽深特征。

零件的熱處理參數決定了零件材料微觀結構，熱處理時間的長短決定晶粒生長尺寸的大小，決定零件在某一條件下尺寸的穩定性。機加工序后去除零件宏觀殘余應力、消除機械加工損傷處理的最佳時間和溫度參數的選擇同樣與加工零件所采用的機械加工方法、工藝參數所造成的表面質構和硬化的程度有關。

零件清潔質量對產品質量至關重要，許多零件都要熱處理，此時少量的加工介質污染物會聚合成不溶解的微膜或在高溫作用下樹脂化，將嚴重影響零件后續工序加工質量。進入到零件微損傷層中的污染物沒有去除，在一定條件下，這些污染物會形成有害氣氛影響產品質量。

圖6　離子束加工動壓馬達半球螺旋槽槽深特征Fig.6 Dynamic pressure motor hemispherical spiral groove and groove depth statistics of ion etching processing

長期以來，對生產環境中空氣污染的控制是以空氣中的懸浮顆粒為目標，因此，生產環境只控制三項因素。但是，對一些零件來說生產環境中大氣的有害氣體、人體的揮發氣氛都會對零件表面產生侵害。

圖7為在有中央空調通風的室內存放了1個月、2個月和3個月的零件表面生成的大氣腐蝕物SE圖（從左至右）。

裝配使用的橡膠指套清潔的工藝不同，在零件表面形成的污染特征就截然不同。裝配過程中操作人員不配帶指套，會在零件表留下尿素、尿酸、鹽分、乳酸、氨基酸、游離脂肪酸等酸性物質，造成零件表面污染，留下的有機、無機污染物會危害到產品性能。

圖7　存放1個月、2個月和3個月的材料表面大氣腐蝕物SE圖Fig.7 Material surface atmospheric corrosion SE images with the time of 1 month，2 months and 3 months

零件表面存在的這些微觀工藝特征狀態，對產品性能和可靠性的影響和影響程度與產品性能要求和產品工作原理有關。

4 結論

研究認為在產品制造中，產品的合格率不僅與零件加工精度有關，還與零件表面各種微觀特征有關。關注零件表面微觀工藝特征性，就是要求工藝人員先實現從產品技術特征到零部件特征的轉換，在產品工藝設計中將零件特征與產品設計原理匹配性和零件性能特性符合性作為關鍵因素，通過分析、識別和控制制造過程中形成的影響產品合格率和穩定性的微觀特征，將零件制造合格與否從單純的幾何精度（固定參數）的評價要求，向控制設計原理匹配性與性能特性符合性（隨機參數）評價要求轉變。通過零件、零組件單元的微觀工藝特征控制，提高零件、零組件單元與產品整體性能的匹配程度、符合程度與滿足程度。以期用這一技術思想來解決產品生產合格率低、參數穩定性差、可靠性不高等問題，盡快實現航天制造從控形制造到控性制造的體系升級。也只有在徹底解決產品生產制造質量問題基礎上，工業4．0智能制造概念才具有工程意義。

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Research on the Micro Process Characteristic of Parts Surface——ExPloration Mechanism of Product Parts Technological Basis

CHEN Bai?fan1，LIN Sa2，ZHAO Lei1，WANG Xin?wei3
（1．Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039；2．The Military Representative Office of the Navy's 239 Factory，Beijing 100036；3．China Aerospace Electronic Technology Research Institute，Beijing 100094）

Through the study of parts manufacturing processes，methods，parameters and other theological factors，we found the formation mechanism of the specific micro features on the surface and the surface of the parts．For the first time，the concept of micro process characteristic was introduced into the manufacturing system of inertial instrument and high reli?ability electromagnetic relay．The process reliability design and micro process characteristic analysis method were put for?ward at manufacturing stage，and process design should pay more attention to the matching of parts and product design prin?ciples．And also，process design should pay more attention to conform to the functional characteristics of the parts．Parts manufacturing should be changed from the simple control of geometric accuracy，to control the functional characteristics，from the macro and single parameter evaluation to the micro and comprehensive evaluation mode of the main parameters．This kind of microscopic characteristic on the part surface is the same as the geometric precision of the parts，it will play animportant role in the realization of the product's pass rate，stability and reliability，In particular，the pass rate of the prod?uct is greatly affected，it is necessary to carry out a more thorough and systematic study，to establish our own independent high?end products manufacturing benchmark technology platform．

product manufacturing technology；microscopic characteristics of parts；non geometrical parameters of parts；process reliability design；manufacturing process standards

U666．1

A

1674?5558（2016）04?01303

10．3969／j．issn．1674?5558．2016．06．015

2016?08?09

陳白帆，男，研究員，研究方向為高精度慣性儀表、高可靠電磁繼電器制造可靠性、工藝可靠性設計、零件表面微觀工藝特征性、零件制造與產品設計原理匹配性。