高性能产品（零件)制造技术特征现状的研究分析

陈白帆，陈 汐，林 飒，苏 磊，赵 蕾

(1.北京航天控制仪器研究所，北京100039；2.北京航天微系统研究所，北京100094；3.海军驻北京二三九厂军事代表室，北京100036；4.北京航天自动控制研究所，北京100039）

高性能产品（零件)制造技术特征现状的研究分析

陈白帆1，陈 汐2，林 飒3，苏 磊4，赵 蕾1

(1.北京航天控制仪器研究所，北京100039；2.北京航天微系统研究所，北京100094；3.海军驻北京二三九厂军事代表室，北京100036；4.北京航天自动控制研究所，北京100039）

系统分析各类高性能制造以注重零件的几何尺寸精度所带来的问题，即在具备超精密、高精度加工能力后，由 “合格的高精度零件”装配出的产品至今依然还是合格率低、参数稳定性差的本质内因。首次从零件制造微观角度提出了产品生产合格率低、参数稳定性差是由零件表面微观特征与产品技术特征非匹配性导致的，提出了全新的产品制造理念，从注重零件的几何尺寸精度向关注零件制造微观工艺特征与产品技术特征的匹配性和符合性转变。形成和建立起我国自主创新的高性能产品制造思想和产品制造工艺技术体系，才能从根本上解决产品生产制造合格率低、参数稳定性差等问题，才能形成有继承性、可持续、稳定的产品制造技术体系，而这一切是工业4.0制造模式无法解决的。

制造技术特征；产品技术特征；零件微观特征；特征的匹配性；产品制造理念

Abstract：The paper systematically analyzed the problems brought by paying more attention to the accuracy of the geo⁃metric size of the parts in all kinds of high performance products that the products assembled by“qualified high precision parts” was still the low pass rate and poor stability parameters with the capability of ultra⁃precision and high precision machi⁃ning until now.From the micro angle of parts manufacturing，the paper first proposed the essential reason that products were still the low pass rate and poor stability parameters，the root cause is the result of the non⁃matching of the micro feature on the surface of the parts and product technical characteristics.This paper put forward a new concept of product manufacturing，it should be changed from the focus on the accuracy of the geometric size of the parts to pay attention to the matching of the mi⁃cro feature on the surface of the parts and the product technical characteristics.Only China has formed and established the in⁃dependent innovation of high performance product manufacturing ideas and product manufacturing technology system，in order to fundamentally solve the problems which have the low pass rate and poor stability parameters.It should be formed a succes⁃sion，sustainable and stable product manufacturing technology system while the manufacturing model of industry 4.0 can not be solved.

Key words：manufacturing technology characteristics;product technical characteristics;micro feature of parts;feature matching;product manufacturing ideas

0 引言

工业和信息化部部长苗圩对 《中国制造2025》进行全面解读时指出，“在全球制造业的四级梯队中，中国处于第三梯队，而且这种格局在短时间内难有根本性的改变，要成为制造强国至少要再努力30年”。中国制造业，特别是航天、航空等行业最主要的问题是产品制造基础技术自主创新能力缺乏，企业制造技术创新仍旧处于跟随模仿模式，产品制造最基础的底层技术的 “黑匣子”尚未打开，使得一些关键产品品质难以得到实质性的改进和提升。

而德国提出的工业4.0，作为其国家战略是有深远背景和坚实的工业化基础的。从宏观视角认识德国工业4.0，它是高度灵活又高效能的生产制造模式，做到价值创造流程的按需优化和实时优化；同时，还意味着环境友好的发展模式以及社会形态的改变。从微观视角看待德国工业4.0，对企业来说，第一个维度是横向一体化要做得更好，内部流程的打通和数字化；第二个维度是改进纵向一体化，打通上下游的供应商合作伙伴，实现横向、纵向一体化的无缝连接；第三个维度是全生命周期的产品管理。而所有这一切都是建立在德国在20世纪60年代已经彻底解决了产品的生产制造质量问题的前提下，也就是说工业4.0的制造模式不是提高产品生产合格率和解决质量问题的，不是打开产品制造最基础的底层技术的 “黑匣子”的。

因此，在还未彻底解决某些类别高性能产品生产制造合格率和产品参数稳定性等产品制造最基础的底层技术的情况下，还是要先静下心来，有组织地深入分析研究产品制造中，制造技术体系与设计技术体系对产品认知的差异、现行的产品制造技术特征与要实现的产品技术特征的不匹配性和不符合性。从产品工艺设计思想和制造理念上寻找存在的深层次技术问题，先解决产品制造基础技术科学问题。

1 高性能产品制造技术特征现状分析

从1999年开始，国家大规模投资军工企业的研制生产能力。从2005年至今，我们看到了投资的巨大成果，大批国产新型武器装备连续曝光、定型、入役，形成国防建设的井喷现象。但是，这一现象的背后问题是：我国发展了50多年的高精度、有可靠性等级要求(简称高性能）产品关键基础零部件的制造能力与工业化先进国家相比依然存在较大差距。目前，控制系统中关键高性能单机产品(如惯性仪表）和大量使用的高可靠性机电元器(组）件产品(如军用电磁继电器）的生产制造，单从设计要求零件的尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度Ra来看，与工业化先进国家相比似乎没有差别，甚至我们图纸的要求更高、更多。可是，由满足设计要求的这些零件装配出的产品还是合格率低，产品投入使用后在稳定性、可靠性与寿命方面差距更加明显。为此，军方在 “十三五”电子元器(组）件发展纲要中明确指出：元器件需解决的两大核心问题，一是解决 “有和无”的问题，二是解决 “能用和不能用”的问题。目前，我们产品制造技术能力水平实现了解决 “有和无”问题，解决不了 “能用和不能用”问题。特别是定型入役的产品生产制造依然存在不可控性问题，产品生产合格率低、批次性报废多，对型号任务交付进度影响巨大，使得我们的产品难以满足工程用可靠性要求。

最关键的问题是不知这种 “软差距”在哪里，或者说除了不断提高硬件能力和引进工业4.0概念以解决 “硬差距”外，不知道要解决产品品质问题有这样一个 “黑匣子”，或者知道了不知如何打开它。因此，在解决高性能产品与生产合格率低、参数稳定性差、可靠性不高这一矛盾时，一直要求国家提供高精度的加工设备和高精度计量仪器。在解决了初期的 “硬差距”后，各企业依然试图通过提高零件的加工精度和引进国外现阶段的制造模式(工业4.0、智能制造等）来改变当前的产品制造现状。这就形成了即使使用和配备了世界上最先进、最昂贵、最高精度的制造设备、检测手段和自动化线，可是由这些装备生产制造的 “合格的超高精度零件”装配出的产品至今还是合格率低、参数稳定性差，合格出厂的产品在下一级生产单位就开始集中发生失效问题。同时，零件的加工精度受设备的限制也已到了极限，而单纯强调精度(Ra值）也使得企业的制造成本大幅增加，却并没带来产品性能(或生产合格率）本质的提高。

针对高性能要求产品制造中存在的这一背景状况，本文以惯性仪表和军用电磁继电器产品的生产制造技术特征现状为典型对象，力图通过以点带面找到军工产品制造问题的根源性因素，探索出一条自主的高性能产品(零件）制造技术体系路径。

我们深入分析了随着惯性仪表精度的提高，惯性仪表(零件）制造工艺思想和技术的变化情况；以及军用电磁继电器随着可靠性等级要求的提高，产品(零件）制造技术思想和工艺的变化情况。得出了同样的结论：在现在的制造工艺思想和制造技术体系下，惯性仪表精度越高，产品合格率越低；军用电磁继电器可靠性等级要求越高，产品生产合格率趋势越低，批次性报废增多。即随着产品性能、精度、可靠性等级的提高，制造工艺并没有实质性的、有针对性的、有目的性的改变和调整，对零件合格与否的评价标准依然单一。现在对不同产品技术特征的产品零件制造合格与否的评价，就如同选拔汽车驾驶员、飞行员、航天员，均采用汽车驾驶员的标准来选拔飞行员、航天员，没有认识到这3类人员的评价项目越来越多，评价标准越来越细分和严格。这充分说明在目前的制造技术思想、工艺理念的认知还存在不完善的地方，还未真正把握产品制造技术的内涵，形成了每次抓质量、查工艺轰轰烈烈、兴师动众，产品(零件）质量越抓越概念化和抽象化，产品制造工艺越查越形式化和表面化，制造的根源性(基础技术科学）问题并没有被认识。同样地，失效模式依然发生。这也说明了发展了几十年的产品制造技术体系(特别是军用高性能产品制造技术体系）缺少一个与各专业特定产品原理和产品精度与可靠性等级要求相匹配的产品制造技术基准(标准）平台体系。

为此，对惯性仪表和军用高可靠性电磁继电器产品制造技术特征认知现状可能存在的深层次问题进行了初步归纳分析：

1）对产品性能的提高，过分强调制造装备的精度、工艺方法的先进，忽略加工和制造全过程中自主控制的加工工艺参数、工艺方法、评价标准和检验控制点等研究，忽略制造工艺都存在固有的特征(缺陷）性。实际上零件的加工精度是设备具备的能力提供的，只要国外能提供这种精度的设备，就说明具备获得高精度零件的能力，并不代表能生产出高性能的产品。因为，精度绝不是评价零件合格的唯一标准，一定有其他一些需要认识到的评价零件合格与否的参数和标准。

2）长期以来无论产品性能如何提升，对产品零件的合格与否就是以零件的尺寸、形状、位置精度和粗糙度Ra作为评价和控制参数。产品设计原理基本相同的产品性能参数、精度、可靠性要求的不断提升，对产品零件加工要求的提高和改变只体现在加工精度要求上。所以，现状是产品精度要求越高和可靠性等级要求越高，产品的合格率就越低，这是目前惯性仪表和高可靠性军用电磁继电器产品的制造现状。

3）产品制造技术特征对产品设计技术特征的认识仅停留在以产品设计的结构参数为主的工艺设计思想上，工艺关注的只是结构参数。所以，零件的制造必然以加工精度(控制几何尺寸）为主，而一种产品功能和性能的实现是在设计中运用了各种科学原理、机理，结构参数只是这些科学原理、机理的一种显性表达。而各种科学原理、机理的实现和实现程度，要依赖于各个零件接触或非接触表面之间隐性的、非尺寸参数的物理量的转换形成。这些隐性的、非尺寸参数往往难以在结构参数中显性地表述出来，这就造成了零件的许多隐性的、非尺寸要素无法在工艺设计中得到认识、控制和重视，而这些又恰恰是零件和零件单元组实现各种原理机理和物理量转换效果与程度高低的关键。研究认为这是产品制造技术的最大问题所在，长期以来使用单一的、普遍性的标准来评价不同设计原理零件的合格与否。研究认为，评价零件合格与否的标准应该与产品技术特征(设计原理特征和性能要求特征）相匹配。

4）零件制造中有许多关系到产品性能、稳定性的工艺至今仍无法实现个体化与定量化的控制和计量，如零件的消除加工应力处理无法有效检测零件表面层应力方向和具体数值；零件、组件等清洗后无法有效评价有机无机污染情况等。实际上，目前在惯性仪表和高可靠性军用电磁继电器产品的制造中，特殊处理工序可以说是完全不受控的。而涉及可量化检测这些参数的仪器设备往往得不到应有的关注，分析认为随着惯性仪表和高可靠性军用电磁继电器产品性能、精度、可靠性的提高，上一代产品制造中可以忽略和不用定量评价的零件非尺寸参数(要素），可能就是新一代产品性能实现、产品合格率提高的关键参数(要素）。所以，产品制造企业应该将这些仪器设备作为生产过程的计量检验仪器设备加以关注，即零件表面许多非尺寸参数今后在产品制造技术体系中应作为评价零件合格与否的一道检验项目。

以上分析都是产品制造企业在产品生产制造过程中普遍存在的较为典型的制造技术特征现状，即产品制造最基础的底层技术的 “黑匣子”长期未得到系统地重视和有效的改善，而大量的投资方向都在跟踪国际热点研究上。而产品制造面临和存在的现实问题与所谓的国际热点问题根本不在 “一个技术层面上”和 “一个时点上”，产品制造存在的这些问题可以说工业化国家几十年前已经解决了，而我们产品制造面对的问题反而很少有人、有科研机构去独立思考问题所在、核心矛盾与突破方向。

所以，自己的问题只能自己解决，航天特点产品的问题也只能由航天企业自己解决。我们只能静下心来自主创新解决，也希望各行业所属高校的研究力量能将国内高性能军用产品生产制造存在的问题作为热点研究方向，协助制造企业集中力量解决这些不属于国际热点，但事关国家战略安全，属国家高性能产品发展必须尽快解决的最基础技术问题——产品的生产制造合格率。

2 尽快创立自主的产品制造理念和制造技术体系

应该说在产品制造领域，所有的有型加工设备、仪器，包括自动化(智能化）生产线都是肤浅的表面。而产品制造工艺思想、制造技术体系和针对产品的工艺技术研发体系，才是更为本质和内核的东西。因此，如果产品制造企业依然仅仅把目光停留在向国家要求配备最先进、最昂贵、最高精度的制造设备和检测仪器上，停留在自动线、机械手、智能制造系统等硬件上，其实是陷入了一叶障目的境地。产品制造技术的本质和内核在于产品制造技术的认知、悟性和经验教训的总结，在于产品(零件）制造技术体系的健全、规范和标准化。相比之下，党中央提出的科技创新、2025制造强国策略才是触及深层问题的重大战略思想。我们要有很清醒的认识，才能将党中央提出的重大战略思想转换成具体的战术思想，引导创建我国自主创新的产品制造理念和产品制造工艺技术体系。

为了解决高精度惯性仪表、高可靠军用机电组件长期存在的产品生产制造合格率低、参数不稳定，不断出现物理和化学多余物等大量说不清楚机理或 “没有原因”的失效事件的深层次制造技术原因，本文提出了一套全新的产品制造理念，目的是提出理论上的概念。具体内容为：以提高产品合格率为第一步目标，在制造中关注产品制造技术特征中存在的制造工艺的固有特征(缺陷）性，在产品工艺设计中增加工艺可靠性设计作为产品可靠性设计的补充。开展零件表面存在的微观工艺特征性对产品性能影响的研究，采用零件表面微观工艺(结构）特征分析方法研究产品合格率低、产品失效等问题，采用零件微观特征性与产品技术特征匹配性概念，作为一个全新的高性能产品制造技术的顶层思想。

也就是从零件制造的微观工艺层面开展研究，关注零件个体的那些隐性特征参数，了解零件要实现的功能特性(机理）和与产品设计原理的匹配性，从具体的微小现象、因素进行控制和改进。具体就是建议在产品制造过程中，在关注传统的零件制造要素——精度以及零件所具有的机械性能之外，提出零件制造要研究零件与产品设计原理(机理）匹配性和性能符合性，要关注零件的非尺寸要素——电场、磁场、力、力矩、气流、气氛、应力大小、方向、纹理方向和微观形貌等与产品性能的影响关系和影响程度(物理效应与作用原理），并将其列入评价零件合格与否标准中。使产品制造阶段的工艺设计指导思想，从关注结构参数、装配精度转变为重视个体零件、部组件单元制造与产品设计原理的匹配程度。

要找到和打开这些产品制造技术最基础的底层技术的 “黑匣子”，就要创新、就要转型。研究途径的创新和转型，创新的是理念，转的是研究方向和学术思路，转变现有的技术认知思维方式。我国高端产品制造技术的基础技术研究就应当进入系统科学、机理探索的层面上来，产品制造技术的创新在于机理探索，探索零件制造形成的微观特征状态对产品性能的影响规律与影响程度的机理，随着产品性能的提高，产品制造就不只是控制零件加工精度就可以生产制造出有合格性能的产品了。

本文研究了惯性器件和军用电磁继电器产品特点以及制造工艺的具体情况，提出了尽快形成和建立自主的产品制造技术体系思想。建议以某一量级仪表精度水平的产品为基准建立惯性器件制造工艺技术基准体系，以某一可靠性等级电磁继电器产品为基准建立军用电磁继电器制造工艺技术基准体系，使得不同精度水平、不同可靠性等级产品的生产制造有可参考的产品生产基准规范、细则和工艺标准，也为一代一代产品的研制奠定科学的、有继承性的工艺技术认知基础和产品制造技术特征的核心技术基础。

本研究提出创新性的产品制造技术思想，就是希望在高性能产品生产制造中，能够认识到这些概念，系统地开展零件微观特征与产品设计原理匹配性研究，将其作为产品制造技术提升的自主可控、核心原创的顶层思想。通过这一系列产品制造技术的创新思想和方法以发展面向预定性能(精度或可靠性等级）的产品精确制造技术，从而建立起我国高端产品设计、制造、装配的新模型、新方法和新的工艺理念，形成我国自主创新的产品制造技术体系。为彻底解决航天高端产品制造合格率低、参数稳定性差、可靠性不高等影响产品工程应用的瓶颈问题，提供原创性核心技术和制造技术原型，为建立(惯性仪表、军用电磁继电器）产品制造工艺技术基准体系奠定科学和技术基础。

3 结论

从原理上讲，工程制造技术上的许多问题并没有太深的科学原理，也谈不上高大上。但是，正是生产企业长久保持不变的产品制造技术体系认知的现状，造成了目前这种长期摆脱不了的高端产品生产制造的困境，继续沿用传统的机械产品制造技术特征理念已无法满足采用光、机、电、磁、气等原理的机电产品制造。国家投入了巨额的固定资产投资改造经费，重点生产企业的硬件能力可以说与工业化国家已无明显差距，可由当今世界上最先进、最高精度的装备生产制造出的高精度、高精密的合格零件装配出的产品依然合格率低，工程用产品可靠性问题依然没有得到解决。这充分说明，高精尖的制造设备并不是实现产品性能的主要决定因素，单纯的引进、升级制造设备作为提升产品品质途径是不完善的。

基于高性能产品制造技术特征研究提出的全新产品制造思想，实际上也论述了制造企业在产品工程技术体系认知和细化上还存在很大的拓展空间和潜力。在制造工艺基础技术科学研究方面还有许多未知的机理问题需要深入研究和探索，特别是要认识到产品制造技术特征与产品设计技术特征的匹配性作用和建立起相互映射关系。虽然这些不是高大上的技术问题，不是国际科学界研究的热点问题，但它是一个产品制造技术最基础的技术科学问题，是一个需要我们亟待解决的问题。军工产品制造技术最基础的技术科学问题（软差距）如得不到及时解决，将会严重制约工业4.0的应用，最终将演变成为战略层面的问题——影响一个国家战争持续能力，导致战争失败。

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Research and Analysis on the Manufacturing Technology Characteristics'Present Situation of High Performance Products

CHEN Bai⁃fan1,CHEN Xi2,LIN Sa3,SU Lei4,ZHAO Lei1
(1.Beijing Institute of Aerospace Control Devices,Beijing 100039;2.Beijing Aerospace Institute of Microsystems,Beijing 100094;3.The Military Representative Office of the Navy's 239 Factory,Beijing 100036;4.Beijing Aerospace Automatic Control Institute,Beijing 100039）

U666.1

A

1674⁃5558(2017）07⁃01326

10.3969/j.issn.1674⁃5558.2017.05.016

2016⁃09⁃22

陈白帆，男，研究员，研究方向为高精度惯性仪表、高可靠电磁继电器制造可靠性、工艺可靠性设计、零件表面微观工艺特征性、零件制造与产品设计原理匹配性。