基于質量歸零的典型彈上產品工藝穩定性提升方法

/中國運載火箭技術研究院

近年來，武器裝備型號產品在研制、生產、試驗中暴露出一些典型的質量問題，針對問題所在查找薄弱環節，提升產品可靠性，從源頭上遏制裝備質量安全風險，為科研試驗、練兵備戰提供有力的質量保障，是當前可靠性工作及質量工作的重中之重。為確保武器裝備研制生產質量，筆者引入中國航天先進質量管理模式，明確了質量問題改進流程并調研分析質量問題關鍵因素，定義工藝穩定性，以工藝穩定性要素最優變化率之和最大為約束，建立基于工藝穩定性的優化模型，并針對彈上典型產品常見質量問題提出保持工藝穩定性、提高產品質量的有效措施。

一、質量問題改進

武器裝備研制，可謂是政治軍事意義重大、技術復雜、成本昂貴、風險頗高，在市場拓展日趨激烈的形勢下，研制周期不斷縮短，武器裝備愈來愈趨現“三邊”（邊研制、邊定型、邊批生產）的研制特點，研制過程中的質量控制是確保產品質量的基礎，而質量問題歸零管理是質量控制的有力途徑。

1.質量問題歸零

質量問題歸零是中國航天歷經數十年發展從工程實踐中總結出的先進的質量管理工作經驗，是對質量問題實施閉環管理與控制的一套系統工程的工作方法和思想，是對設計、生產、試驗、服務中出現的故障、事故、缺陷和不合格等問題從技術與管理上分析產生的原因、機理，并采取糾正、預防措施，以從根本上消除問題，避免問題重復發生的閉環活動。質量問題歸零為武器裝備研制徹底消除質量隱患、解決質量問題并避免問題重復發生提供了一套完整的、閉環的程序及方法。通過質量問題歸零的過程可以精確定位問題，深入剖析失效模式和失效機理，有效識別生產研制薄弱環節。質量問題歸零包括質量問題技術歸零和質量問題管理歸零，其工作程序如圖1所示。

圖1 質量問題歸零流程圖

2.質量問題統計

某研究院2018年上半年共發生141個質量問題，從已經歸零的128個質量問題統計分析來看，已歸零質量問題原因的分類統計如表1所示。

由工藝、設計直接造成的質量問題所占比重較大，通過對工藝質量問題、設計質量問題進行深入分析，對二層次的原因分類統計如表2、表3所示。

表1 已歸零質量問題原因分析統計表

表2 工藝質量問題二層次原因分類統計表

工藝能力不足、工藝過程缺漏、工藝檢驗落后直接影響產品的工藝質量，設計可靠性欠缺直接影響產品設計質量。可靠性如同產品質量一樣，均屬產品的固有屬性，產品的可靠性由設計可靠性、工藝可靠性共同保證，即通過設計確定，由制造過程的工藝可靠性決定。其中，工藝可靠性是設計可靠性的延伸，研究工藝可靠性的目的是為了保證產品制造過程的可靠性，以確保產品加工質量。

在型號實際研制過程中，工藝能力、工藝過程、工藝檢驗等任何工藝要素的變異、失控都必將影響產品質量，工藝能力是保證產品加工質量的一個重要指標，工藝過程是實現產品質量的生產加工過程，工藝檢驗是確保加工質量的手段。因此，在裝備工程研制階段、批生產階段、使用階段，需要對工藝規程進行“最終固化”，并以工藝規程、工裝、量具、關鍵過程控制、工藝設備維護等要素為評價，確保工藝加工過程的可控及穩定。毋庸置疑，若要保證生產工藝過程和最終產品質量的穩定性，就必須確保加工過程的工藝穩定性，工藝穩定性是確保在限定的生產時間條件和規定的產品要求下，整個工藝生產過程的產品質量特性指標能滿足規定范圍要求的能力。

表3 設計質量問題二層次原因分類統計表

二、工藝穩定性建模

1.工藝穩定性內涵分析

在工藝加工過程的各個工序中，若產品質量波動規律顯現出收斂特性而非發散特性時，可認為該工藝過程的工藝穩定性好，即可認定該工藝過程為穩定工藝過程。工藝穩定性直接影響最終產品合格率，同時又能直接客觀地反應產品質量與工藝過程工藝參數設置、工序過程的操作關系，是評定工藝過程工藝可靠性最直接、最核心的指標。

2.工藝穩定性模型

工藝穩定性要素是影響質量特性的一個工藝側面，如工藝規程、工裝、量具、關鍵過程控制、工藝設備維護等，一般用功能性術語表達。工藝穩定性要素的質量改進能力用質量指標度量，如工藝規程的優化等級、工裝裝夾方案的定位誤差等，用Z表示。總體質量改進能力用Y表示，質量改進與工藝穩定性要素之間關系的程度用關聯系數表示，構成關聯矩陣β，隨機誤差用ε表示，并假定由一個均值和一個隨機誤差合成，其中均值為Z1，Z2，…,Zr的連續函數，ε是模型中沒有明確考慮變量與測量誤差等產生的綜合效應。因而，

其中，Zi為第i個工藝穩定性要素（i＝1，2，…，r) ,r為工藝穩定性要素數目。

另設Zi*、Zi0分別為工藝穩定性要素Zi的目標、當前水平值，Zimin、Zimax分別為工藝穩定性要素Zi的最低、最高水平值，ΔZi為工藝穩定性要素Zi的水平變化率， ΔZi定義為ΔZi=Zi*-Zi0 / Zimax-Zimin，這樣可建立總體工藝質量改進優化問題，以約束條件“工藝穩定性要素之間的關聯（矩陣β）”。以工藝穩定性要素最優變化率之和為目標函數，工藝穩定性要素變化率反映了各工藝穩定性要素波動的離散程度，既考慮了波動范圍的區間長度，又考慮了其波動離散程度。因此，考慮以要素變化率之和最大來約束工藝穩定性要素波動范圍，可從整體把握多個要素同時波動的情況，構建優化問題如下：

式中， 是反映各要素 之間的關聯程度，大小表示強弱，符號表示正負相關；j1，j2=1，2，…，n。

通過構建此優化問題，考慮各工藝穩定性要素同時變化，且變化波動最小、質量改進最優，為提升產品制造工藝穩定性、確保產品工藝質量、有效控制工藝成本提供決策。

三、工藝改進措施及建議

回顧多年來武器裝備研制流程，并結合近年裝備研制過程出現過的質量問題，考慮工藝穩定性各要素的提升，筆者提出了針對彈上典型產品生產過程工藝改進的措施及建議。

1.發動機

發動機的生產制造涉及到機械加工、鑄造、鍛造、鈑金、焊接、熱處理、表面處理、發動機及其組合件裝配等多種工序，從生產過程到大量輔材，外部條件變化給穩定工藝帶來較多困難。2007年某型號發動機試車試驗中，燃氣發生器燃料入口彎管焊接部位產生開裂，對其進行質量歸零后，發現問題原因與采用新的焊接驗收標準中強調焊縫飽滿及焊透性存在一定關聯，同時二級大噴管身部釬焊后變形、泵殼體鑄件毛坯存在“黑線”等問題均印證了這個原因。這說明如果生產過程輸入條件及內部要素發生波動，邊界參數會隨之偏移，進而影響工藝穩定性。近年對武器發動機關鍵工序過程能力保證的研究表明，關鍵工序相對穩定但過程能力仍存在明細薄弱環節，因此建議重視研制過程記錄并細化、積累、分析研制資料，深入研究工藝邊界條件，考慮多形式下的研究及試驗驗證。

2.控制系統

控制系統實現武器飛行過程中的制導和姿態控制、彈上各設備的供配電控制、飛行時序控制、安全控制等功能，主要由慣性測量組合、伺服機構、計算機、供配電設備等組成。其中，慣性測量組合主要關鍵部件陀螺加速度計屬精密器件，生產過程質量直接影響慣性組合性能參數變化，致使測量精度降低。例如，某型號批抽檢進行6次待機陣地綜合測試，進行數據處理后發現X陀螺加速度計精度超差，經質量歸零后發現是由軸承毛刺脫落進入儀表內部，存在多余物造成精度超差，其根本在于工藝規程有待完善，需采取控制軸承機加過程的螺紋毛刺、增加密封組合件裝配工藝規程、細化陀螺組件裝配工藝規程等措施加以糾正。工藝規程的編制及確定在符合相關標準、規范的同時，還需保證設計指標可達性、工藝操作可行性、工藝過程可檢測性。工藝規程是直接指導工藝操作的技術文件，也是保證工藝穩定性、提供產品質量的重要依據之一。

3.結構系統

結構系統既是武器裝備各系統的連接件，也是承受飛行力熱載荷和地面各種使用工況下使用載荷的承力及防熱結構，主要由金屬殼段、防熱層、儀器支架、導電密封橡膠墊等組成。2017年，某武器裝備總裝時在儀器艙與級間段試對接時出現級間段與儀器艙抗剪銷對接不協調現象，經質量歸零后，原因定位為工裝設備的精度及性能不足，造成螺栓盒襯套和象限側剪襯套裝配位置超差。工裝設備是實現工藝意圖的各種夾具、模具、道具、量具及工位器具等設備總稱，是保證工藝穩定性和產品質量一致性所必需的技術設備，工裝精度及性能的穩定性、精準性將直接影響工藝質量特性的波動。工裝精度及性能可以進一步分解至機床性能的坐標周軸數、裝夾方案的裝夾變形量、刀具能力的成形級別等加以研究，以確保生產效率及工藝質量的提升。

穩定、先進的工藝過程是強大生產制造能力的重要基礎，是應對多武器裝備共研制、批生產嚴峻形勢的根本保證。筆者通過對多型號質量歸零問題調研，以質量問題關鍵原因為切入點，建立基于工藝穩定性的模型優化問題，并針對典型彈上產品的質量問題提出有效建議及措施。為保持工藝穩定性、改進工藝過程，還應以工藝狀態控制為核心協調處理穩定與改進的關系，加強工藝文件、工藝裝備、工藝隊伍的管理，確保對工藝薄弱環節的有效識別及關重工序的有效控制，為裝備可靠性、戰備完好率提供有力支撐。