液体火箭发动机制造工艺稳定性研究

◎西安航天发动机厂 许艺峰 朱耀龙 刘友强

航天推进技术研究院 张永

航天事业进入新的发展时期后，科研生产任务极其繁重，多型号任务同步实施，研制批产交叉并行，各型号的研制生产交付和飞行试验任务总量快速攀升并屡创新高，航天推进技术研究院完成高密度发射任务和各型号动力系统的研制、试验、交付任务的压力巨大。载人航天工程、探月工程、新一代运载火箭等一系列重大工程进入关键实施阶段，弹、箭、星、船、器配套动力系统必须严格按照计划节点统筹安排，组织实施，空前紧张、繁重的研制交付任务给工艺工作带来了极大的挑战。

多年来的实践经验证明：工艺技术作为设计方案与最终产品之间的桥梁与纽带，是把研究成果转变为产品实体的重要手段，是企业建设发展的关键环节，对完成型号研制任务、保证产品质量、提高产品成熟度、提升发展能力都有着至关重要的保障作用。提高工艺技术能力，就是提高先进制造能力，提高中国航天科技集团公司的核心竞争力，增强研究院的可持续发展能力。而提高和巩固航天制造工艺技术在科学合理基础上的稳定性，则是提高工艺技术能力的一个重要方面。

在液体火箭发动机产品研制生产的全过程中，最基本的内容就是产品零、部、组件制造的工艺过程，工艺稳定性对生产制造稳定性具有至关重要的影响。毋庸质疑，保持制造工艺的稳定性是保持产品质量稳定和研制生产周期稳定的必要条件。在严峻的科研生产形势下，要“保成功、促发展”，要按计划高质量完成型号科研生产任务，确保发射和飞行试验成功，航天制造工艺不仅要保持稳定，而且必须能够适应任务的发展变化，持续地进行优化改进，不断改进薄弱环节和排除制约因素，使工艺方案更加科学、合理，不断提高液体火箭发动机产品的成熟度。

在液体火箭发动机研制过程中，经过多次设计和工艺改进，解决了许多突出的产品可靠性问题，稳定了质量、提高了成熟度、提升了能力。但工艺薄弱环节的梳理和工艺攻关、工艺研究项目的确定依旧采用经验式的方法，对产品工艺保证能力没有量化的研究，工艺薄弱环节梳理和工艺攻关、工艺研究项目确定有很大的盲目性。而结合产品工程，充分利用产品数据包开展工艺稳定性研究，可大大提高工艺攻关、工艺研究的针对性。

一、工艺稳定性的概念及其内涵

1.工艺稳定性的概念

目前工艺稳定性的概念大部分都是针对某一特定的过程进行阐述的，尚无一个严格、标准和完整的定义，因此笔者经过学习与思考，试图给工艺稳定性下一定义，以便划清范畴、加深认识并形成后续研究和论述的前提。

现代质量控制理论认为，在产品制造过程中，对于同一工序，由同一操作者使用同一材料、工具和设备，按照同一标准与工艺方法生产出来的同一种产品，其质量特性是有差别的，这就是产品质量的波动现象，引起这种质量波动现象的主要因素包括人、机、料、法、环、测等6个方面。由这些因素引起的质量波动可以分为正常波动和异常波动两种。正常波动是由于偶然性因素（如机床的正常振动、刀具的正常磨损、材料硬度均匀性、电流的微小差异等）随机、无规律的影响产生的质量波动，当生产过程只存在正常波动时，工艺过程是处于受控、稳定状态的。异常波动是由于系统性因素（如工艺流程、工艺参数、设备、工具、操作者技能、材料规格等）的影响产生的质量波动，这种影响是有规律的、可以掌握并能够消除的，如果生产过程存在异常波动，则工艺过程处于不受控、不稳定的状态。

在此认识基础上，笔者总结出了工艺稳定性的概念：一个过程的工艺方案及其有关参数和要求确定后，在同一输入条件下保持稳定输出，即不产生异常波动并持续生产出合格产品的能力。

工艺稳定是指在全生产周期中，人、机、料、法、环、测等诸因素均处于受控状态下的稳定运行。也就是说，过程只受到随机因素的影响，处于统计受控状态。在这种状态下，过程的波动服从正态分布或其它形式分布的统计规律。

2.工艺稳定性的内涵分析

工序是产品及其零、部、组件制造过程的基本环节，是机器设备、原材料、工艺方法和操作者技能等因素在特定环境条件下的结合。工艺稳定性主要通过工序稳定性表现出来，因此工序稳定性就是工艺稳定性研究和控制的基本对象。

工序稳定性的衡量标准是过程（工序）能力指数（Process Capability Index），是在统计的基础上通过计算得到的。工序稳定的直观标志是产品符合设计要求的程度——合格率。对于稳定的工艺过程而言，其产品各个工序的质量波动规律是收敛的，而不是发散的。在输入条件不变的情况下，产品质量具有在时间和空间上一致的规律性，即产品特性指标在同批产品内部的一致性以及不同批产品之间的一致性，并且总体上有稳定的合格率。

产品可以制造出来并不等于工艺稳定，稳定的工艺必须经过较长时间、多个批次生产的检验，只有影响工艺的各项因素，如设备、环境条件、工装、工具、工人的操作技能等都处于稳定状态，工艺才能稳定。同时，作为提供基础识别数据的测量方法也必须稳定，才能证明工艺的稳定。

对于稳定的工艺过程，产品的质量主要靠生产技术方法来保证，而不是靠操作者的高技能来保证。如果产品的质量靠操作者特殊的技艺来保证，过程因素的较小变化就可能导致产品质量的较大变化或存在较多的质量问题，产品特性参数发散，说明工艺是不稳定的。因此，工艺稳定性控制的核心是工艺状态，即工艺方法、流程、参数、设备、工艺装备、检测方法等的控制，如果工艺状态稳定、变更受控，则工艺稳定性就有了保持的基础。

二、火箭发动机工艺稳定性的实践

回顾30多年来“长征”系列火箭发动机的研制历程，结合发动机研制过程出现过的工艺和技术质量问题，航天推进技术研究院在保持工艺稳定性方面取得的主要经验和教训总结如下。

1.发动机制造工艺特点

液体火箭发动机是一种结构复杂、成本高昂、质量要求高、制造难度大的航天产品。在运载火箭发射和航天器工作的过程中，发动机可供即时监测的性能参数很少，主要靠制造过程中形成的固有特性保证其工作效能的实现，是典型的事后不能经济地检查其质量特性的产品。发动机的制造涉及到机械加工、钣金、焊接、铸造、锻造、热处理、表面处理、电加工、密封件制造、发动机及其组合件装配等多种加工专业，同时配备理化试验、计量检测、无损检测、液压和气压试验等多种检测手段，产品质量依靠过程保证。同时，除了构成产品本身的原材料外，这些特殊过程涉及到大量的辅助材料，随着外部条件的变化，其品质和规格的波动很大，使得过程的输入条件经常变化。

在型号研制过程中，尤其是在型号研制初期，随着产品薄弱环节的暴露和技术问题认识的深化，需要持续优化产品设计，对产品进行可靠性增长，产品的设计状态也会产生一定的改变，有可能从源头上引起工艺状态的调整。

为了应对输入条件的变化，必须及时调整工艺要求，否则就不能制造出合格的产品，这会给稳定工艺带来较大的困难。

2.保持工艺稳定性的经验

（1）做好设计文件的工艺性审查

合理准确的设计要求是保持工艺稳定性的前提。工艺人员进行设计文件的工艺性审查时，首先要充分了解产品的功能要求，认清产品功能特性转化为物理特性后需要保证的关键要素，然后结合研制条件和本专业特点逐项审查设计要求的合理性，协商更改不适当的内容。与设计人员的交流最好是面对面地进行，切忌进行猜测和臆断，以免造成主次颠倒，给产品制造带来困难，最终导致工艺文件要求的“合理性错误”。

（2）正确把握工艺文件细化的程度

内容合理的工艺文件是保持工艺稳定性的基础。工艺文件编制必须重点处理好以下3个方面的问题：

一是编制工艺文件的依据正确和全面。编制工艺文件的依据包括设计文件，产品的合同及生产批量，工艺方案及流程，原材料标准及坯料、半成品或零件的供应状态，现有的生产工艺条件，质量管理规定和标准化要求，专业手册和各种产品研制资料等，如果忽视了某项依据内容，就有可能造成文件的不完善，使应该有效控制的内容出现遗漏。

二是技术要求的转化要明确。产品的技术要求主要来自设计文件、设计文件引用的标准以及本专业标准、企业管理标准4个方面。一般来说，设计文件和本专业标准都能得到较好的转化，落实明确到工艺文件中，而设计文件引用的标准和企业管理标准中的要求会经常出现处理不到位的现象。当设计引用标准和管理标准反映的内容包含多种情况、分别规定不同的要求时，往往会在使用工艺文件的不同人员之间产生不同的理解，在具体执行中采用不一致的技术指标。

三是工艺文件的可操作性要好，细化的重点要突出。提升工艺文件可操作性的常用方法是细化工艺文件的内容。一般来说，产品对象明确，加工流程和加工内容清晰，产品特性要求清楚，过程控制参数项目和取值范围确定，过程记录项目要求全面是工艺文件细化的主要方面。从理论上说，工艺文件的细化是可以无限进行的，但实际上不允许这样去做，而是要结合本单位的特点、人员素质水平、行之有效的传统做法，突出重点进行细化。

应当注意的是，对有关产品对象的直接要求应尽可能在同一份文件中完整地表达出来，不再要求文件使用者去寻找其它的文件；对过程控制的主要参数应明确项目和要求，尽可能避免由操作者通过计算后选定参数值；对涉及到产品特性、工艺关键等重要事项，应当明确地写入工艺文件中，不可作为相关人员应知应会予以处理。

（3）保证工艺更改的合理性和正确性

合理和正确地更改工艺文件是保持工艺稳定性的前提。工艺管理体系是制造企业的核心管理体系之一，必须具有全面、完善的管理制度加以规范，使各项工艺工作有章可循。有效控制工艺更改是保持工艺稳定性的核心工作内容之一，除了按照“原因清楚、更改合理、手续齐备、试验充分、评审通过”的原则进行指导外，工艺文件的更改还必须重点做好以下两点：

一是更改工艺文件的依据要正确、充分。对于已经确定并经过生产验证的工艺，改变工艺方案、流程、设备、工艺参数、工艺装备、及检测条件时，必须经过试验验证，切不可单纯以专业手册、工艺指导规范、理论分析等作为更改的依据。

二是更改要及时，更改的程序要规范。不应以临时偏离、签字放行代替正式文件的更改，要切实落实文件更改的技术责任制。

（4）利用先进技术稳定工艺

采用先进技术是提高工艺稳定性的重要手段。除了提高效率以外，很多先进的工艺技术都是着眼于提高产品质量水平而研究产生的，因此应当积极开展此项工作。以真空熔炼替代常压熔炼、模锻替代自由锻、氩弧焊替代无气氛保护的普通焊接、自动焊替代手工焊、真空热处理替代空气炉热处理、数控加工替代普通机床加工等，使发动机许多零、部、组件制造的工艺稳定性跃升到新的水平。但由于研制历史原因及发动机零、部、组件品种繁多，不可能同时整体转换成高水平的制造工艺，需要结合存在的问题，抓住主要矛盾有步骤地进行，并取得上级部门和本单位内的广泛支持。

3.工艺稳定性实践的教训和存在的主要问题

（1）重视记录的细化和资料的积累

研制资料的积累能为研究和解决工艺问题提供可靠的、强有力的技术支持，它包括生产过程资料的积累和试验研究资料的积累两个主要方面。

发动机制造工艺试验研究资料的积累相对薄弱。多年以来，受重成果、轻积累的观念影响，许多不具备申报成果条件的试验研究资料随着工艺人员的更替遗失了，虽然研究中行之有效的技术措施大多纳入了定型工艺文件，但与在试验过程中形成的信息和资料相比，所占的比重过小，不利于后来者研究分析和解决工艺问题。

2006年，某型号姿控发动机在飞行试验中未按预定的时序正常工作，经过归零分析认为是阀门中的弹簧力不满足设计边界值要求。作为举一反三措施，对发动机产品研制过程的记录要求进行了全面细化，给通过统计分析手段研究发动机制造工艺的稳定性建立了基础条件，也给发动机相关特性的包络分析打下了一定的基础。

（2）深入研究工艺边界条件

与产品设计对边界条件进行较为充分的试验验证不同，受资源配置和研制条件的制约，工艺边界条件大部分是靠工艺人员参考专业手册，结合在生产实践中逐步摸索的经验修正后得到的。如果过程的输入条件和内部要素发生变化，原有的边界参数就会发生偏移。

在发动机研制生产中，大多数产品制造的工艺边界条件是清楚的，并通过工艺文件予以固化。遗留的项目包括少数技术难度大、过程复杂、验证成本高的难题和以往没有引起足够重视的边缘性问题，所占的比重也不小。

2007年，在某型号发动机试车中燃气发生器燃料入口弯管加强片焊接部位产生的开裂故障，就与采用新的焊接验收标准、强调焊透性和焊缝饱满有一定的联系。二级大喷管身部钎焊后变形、活门盘漏率超标、泵壳体铸件毛坯存在“黑线”等问题也说明了这一点。因此，对于工艺边界条件的研究仍需要进一步吃透技术，深化认识，通过多种形式的研究和试验验证来解决。

（3）发动机的工艺稳定性有待进一步提高

在目前的条件下，对发动机制造的工艺稳定性在整体上作出定量的评价是不现实的。2009年通过对常温运载火箭发动机关键工序过程能力保证的研究，结合定性评估和定量分析，给出了“长征”系列发动机的关键工序整体上基本保持相对稳定的状态，过程能力尚可，但仍存在长期过程能力严重不足的薄弱环节，需要进行改进的分析意见。这可以作为在整体上衡量发动机制造工艺稳定性的缩影，说明发动机产品特性的长期波动范围较大，工艺稳定性有待进一步提高。

推进技术研究院将多年来在科研生产中遇到的问题归结起来，其产生的主要原因是工艺研究不够深入、充分，技术没有完全吃透，尤其是边界工艺试验不充分，虽然一时满足了交付任务的需求，但是工艺基础不牢靠，易造成工艺不稳定，从而影响产品质量稳定性。随着型号产品研制批次的变换，工艺参数、工艺要求不能满足产品加工和试验要求的问题时有发生，部分常见、多发的工艺问题长期难以解决，有时产品临近交付却还在攻关，影响了交付进度。

三、工艺稳定性的影响因素分析

1.设计工艺性的影响

在产品设计阶段，选用合理的结构、合适的材料与工艺；在工艺方案论证阶段，重点考虑产品可制造性的提高。这对保证产品的质量与可靠性，提高快速研制能力，增强批生产能力和成本控制都有着重要的现实意义。

设计人员大多存在单纯追求技术的先进性、高指标的倾向，产品设计不顾生产条件，工艺性较差。例如，在产品从系统到单机，再到组合件、零部件分解的过程中，以精度保性能、指标层层加码、层层保留余度，造成特性的检测及评价缺乏手段，技术要求与设计结构和材料不匹配等，由此造成大量的工艺攻关、大量的产品质量问题、大量的技术故障、过长的生产周期和过高的成本。

产品设计的可制造性对生产成本、周期及产品质量的影响至关重要。提高产品设计可制造性最直接、最有效的方法就是通过设计与工艺的紧密结合，发挥各自的专业优势，在方案论证和产品设计阶段就充分考虑可制造性因素，选择最便于生产的设计方案，同时做好产品制造方案的策划和设计，即通过实行设计—工艺并行工程来提高产品设计的可制造性。

2.工艺方案的影响

选择工艺方案时，要以生产过程的稳定性为目标，针对产品质量稳定性的要求采取必要的技术措施予以保证。只有工艺稳定了，产品质量才有可能稳定，才能保证产品有较高的合格率。因此，应尽可能采用规范、成熟且经过验证的工艺，尽量降低制造的难度和复杂性。对继承的工艺应进行充分的论证或验证，确认其对当前产品制造的适用性，尤其是对生产条件、研制阶段、批量大小以及工艺参数的适用性，否则就可能对产品可靠性产生较大的影响。

突破关键工艺时，应尽可能采用可复制、有利于稳定工艺、适合批生产的技术，如采用模具、专用设备等降低对操作者技能的要求，避免因存在较多的遗留问题而反复攻关。

3.工艺文件质量的影响

每种工艺文件都有自己独特的功能，而一个产品的各项工艺文件要保证完整、协调、一致和配套，全面地规定产品和全生产过程的技术状态及实现方法、手段和条件，并保证其受控，进而保证产品的质量和可靠性。工艺技术文件不完整、不协调、不一致、不配套，就会造成生产过程出现矛盾、冲突、漏洞，导致产品带有缺陷或隐患。

在航天产品制造过程中，工艺规程是直接指导操作的技术文件，是进行生产准备、安排作业计划、组织生产、实施产品检验的重要依据之一，其编制质量关系到产品质量、生产效率、制造成本、技术安全，最终会对企业的经济效益产生重大的影响。

工艺规程的编制应符合有关标准、规范的要求，准确无歧义。不但要能够确保产品设计指标，具有可操作性，还要使工艺过程具有可检测性。应对工序操作方法、设备、工具、辅助材料的品种和用量、操作要点、检测要求等以规范的格式和语言作出明确的叙述，不得采用带有随意性的术语，这样才能排除不规范的操作和操作的随意性带来的各种产品质量问题。

高质量的工艺规程可以准确体现设计意图，有效指导操作者的加工过程，保证加工过程顺利进行，完美地实现产品从图纸到实物的转化。相反，工序设计存在漏洞、工序先后安排混乱、操作要求含糊或过于繁琐、脱离生产现场实际的工艺规程，根本无法起到指导操作的作用，令生产组织者和操作、执行者无所适从，甚至会导致产品报废、进度耽误，给型号研制生产造成损失。

工艺技术的水平最终体现在工艺方案的制定和工艺文件的编制质量上。如果确定工艺方案时随意性较大，工艺文件过于简略，细化和优化不够，就会造成指导性不强、产品质量波动大，无法适应目前形势的要求。

4.工装设备的影响

工艺装备是实现工艺意图所需要的各种刀具、夹具、量具、模具、辅助工具和工位器具等的总称。它是制造产品，提高质量和生产效率，保证产品质量一致性和稳定性所必不可少的技术装备。工艺装备设计和生产质量的优劣，对工序能力起着很大的作用。

机床设备是保证工序生产出符合质量要求的产品的主要条件之一，其精度及性能的稳定性、可靠性、准确性等都直接影响到工序质量特性的波动幅度。

5.产品批量的影响

目前航天产品的生产模式已完成了从“多研制、少生产、单件作业”向“多型号并举、研制与生产并重、单件和批量并存”的转变。产品批量在一定程度上反映了企业的工艺稳定性和制造能力，其大小在很大程度上取决于生产结构、工艺流程和工艺装备等生产工艺条件。通常产品批量越大，品种越少，专业化程度越高，生产的稳定性和可重复性就越高。产品批量小、批次少，则制造工艺得不到充分验证，工艺技术问题不能充分暴露，在工艺优化和改进方面的投入也会相对减少，不利于保证工艺稳定性。

成熟技术是实现批生产的必要条件，是实现从产品设计、加工制造到管理标准化和专业化的综合体现。

6.人员素质的影响

人员素质主要表现在工艺人员和操作人员两个方面。工艺人员要把设计意图转化为可操作的工艺文件，而产品最终都是在操作者手中实现的，工艺人员的技术水平和操作人员的操作技能在制造过程中都起着决定性的作用。在研究院近年来的个别科研生产技术问题处理中，已暴露出遇到问题束手无策，缺乏分析和解决问题的能力，甚至延误生产进度的不利局面。其主要原因是工艺技术人员整体技术水平不高，工作主动性、积极性和创造性没有得到充分调动，忙于现场、疲于应付，对技术的钻研不够，“啃硬骨头”的能力下降，对产品超差的原因不深究、不改进，认为只要设计师系统审批通过就万事大吉，造成工艺上的“常见病、多发病”长期存在。

四、保持工艺稳定性的措施

在保持工艺稳定性方面，首先应加强工序管理和跟踪，利用各种方法和统计工具判断并消除异常波动，使工序处于受控状态。对工序（特别是关键、重要、复杂、特殊的工序）不断地进行分析，提出工艺改进的目标，经过“改进→维持→改进→维持”的多次反复循环提高工序能力，保证工序稳定地生产合格品，实现产品的最终质量要求。

其次，保持工艺稳定性应重点做好以下工作：

一是抓住一个核心——将工艺状态控制作为核心，避免工艺状态的随意变更，严格执行工艺文件要求，重点关注人员、材料和设备的变化，保持工艺状态严格受控合理、有效的稳定。

二是处理好“二个关系”——成熟与先进、稳定与改进的关系。航天产品的工艺过程具有保持稳定性的需求，但并不能成为“固步自封”的理由。对某些工艺过程而言，虽然沿用研制时期的传统的成熟工艺可以满足生产要求，但与技术革新浪潮中出现的先进工艺相比已呈落伍之势，完全可以被适用的、更为先进的工艺技术所替代。因此，应积极学习掌握、大胆推广应用经过鉴定合格的新工艺，按照“总体上延续、局部上改进”的原则，优化现有工序并逐步淘汰落后工艺，促进技术进步，将工艺的稳定性建立在一个更高的基础之上，保证工序质量和产品质量的持续提高。

三是抓住“三个环节”——生产前的准备环节、生产中的管理环节、生产后的总结环节。生产前应检查工艺控制措施落实情况，做好工艺文件完善等工艺准备工作；生产中应及时处理技术问题，做好工序质量控制工作；生产结束后应对工艺技术问题进行清理、总结，提出后续生产控制措施，形成“不断完善，持续提高”的长效机制。

四是管好“四个要素”——要高度重视规章制度、工艺队伍、工艺文件、工艺装备的管理，尤其要特别重视规章制度的建设和执行。制定和建立各项规章制度，是为了保证“在正确的时间，把正确的信息传达给正确的人，使其正确地做正确的事”（“5R”定理）。工艺管理方面的规章制度（或工艺管理标准），对于型号工艺管理工作具有很强的指导和规范作用，可以为保证工艺稳定性提供制度上的基础，从源头杜绝工艺技术工作中的随意性。要保证型号工艺规范化、科学化，使型号工艺工作严格受控，就必须对工艺规章制度进行广泛宣贯并严格执行，解决好规章制度“落实不下去，严格不起来”的问题，保证执行过程中无疏漏、不走样，从而避免型号工艺人员在工作中“靠习惯、凭印象、想当然”的倾向。

五是控制“五个关键点”——包括工艺薄弱环节治理，工艺技术问题处理，特种工艺过程控制，关键件、重要件和关键工序控制，外协外购件的质量控制。

五、结束语

稳健、先进的工艺过程是形成强大制造能力的重要基础，也是应对高密度发射和多型号并行研制批产任务的严峻形势、确保国家重大专项和重点航天工程任务圆满完成的根本保证。在型号多、批量大、难度高、周期紧的情况下，应以治理影响型号产品质量与研制进度的工艺薄弱环节为切入点，以开阔的思路和认真的态度，研究和分析制约研制生产的工艺稳定性问题，采取有效解决措施提高和巩固制造工艺的稳定性，切实提高液体火箭发动机制造工艺稳定性，为圆满完成各项科研生产任务提供基础支撑。