新时期运载火箭工艺装备管理面临的挑战及发展分析

王晓双 李特

天津航天长征火箭制造有限公司 天津 300462

引言

艺装备作为一种机床辅助设备，其主要作用是确保产品生产制造与装配过程中实现位置、精度与方向的准确，并保证相关特定功能实现，要求功能与使用保持协调，统一传递基准，保持主要几何模型的随行性，相关工程信息能够继承。使用工艺装备能够更好地提升产品质量，获得更高的生产效率，有效防范由于位置误差等因素造成的操作失误与缺陷，降低制造难度，控制生产成本。由于运载火箭的生产制造中需要用非常多的零件，并且结构复杂、定位难、精确度要求高，测量时稳定性不高，实际生产过程中需要使用大量的工艺装备。近年来，随着我国航天事业的发展，对于工装的需求逐渐增大，对于工装的管理也提出了更高的要求。

1 我国运载火箭工艺装备管理面临的挑战

我国火箭工装发展的前期主要是学习借鉴苏联设计制造方法，实行串行模式生产，生产装配和产品调试环环相扣，制造与协调基于工装。在火箭制造中涉及机床夹具、刀量具、模具、吊索具、架车、托架、焊接夹具、铆接夹具、装配夹具、样板、测试系统、配气试验台、包装箱、组合夹具等多种工艺装备[1]。每一个火箭制造工艺装备还能根据种类进行细分，比如在铆接型架中就可以细分为筒状结构铆接型架、异型非对称装配型架、薄壁端框铆接型架等不同类型；在焊接工装中又可以细分为贮箱环纵缝自动焊接系统、法兰盘自动焊接系统、大喷管自动焊接系统等种类；模具也可以根据具体用处细分为拉伸、凸孔、拉弯、蠕变成形、旋压成形、非金属材料的热成形、磁脉冲成形等模具种类；模线样板可以细分为各类切钻、画线、化铣、检验样板等，其中又可以涵盖内外形样板、检验模样板、展开样板、毛料样板、骨架样板、切割钻孔样板、切面样板、夹具样板、化铣样板、阳极化样板、装配样板等更细的类别；机床夹具又可以细分为车、铣、刨、磨、钻等各类夹具。

工艺装备种类繁多，涉及管理的内容也十分复杂，主要分为设计及制造、保管、使用与维护、维修与报废等四大部分，简单概括如下[2]：①工装设计及制造：工艺装备根据产品设计图样、工艺规程、有关工艺设备设计的技术标准进行设计制造，确保满足产品的形位公差和尺寸公差要求，保证具有较好的加工工艺性和装配工艺性，进一步保证加工精度和产品质量；②工装保管：通过建立工艺装备保管台账进行管理，确保工艺装备合格证上的图号、编号等证物相符、数量正确，定位或定库存放。定期检查工装质量，发现问题及时处理。对于库存半年以上的工艺装备重新投入使用时需进行检验，合格后方可使用；③工装使用与维护：操作人员应正确使用工装，保持工艺装备的完好，进行定期清洁检查，一般在每班工装使用后对工装进行清扫，检查易损件使用情况，发现易损件有损坏的情况及时更换，检查润滑油使用情况，按规定定量定时添加润滑油；④工装维修与报废：对于修理和定期校验过程中发现的不合格工装由技术人员提出处置要求。涉及工装损坏需要维修，维修后的工艺装备需要进行检验，合格后才能投入使用。需要报废的工艺装备，经审批后办理报废手续，报废工装隔离存放，并做出红色标识以免误用。

随着我国航天事业的不断发展，航天研制的工艺装备在航天领域所发挥的作用也越来越明显，当前火箭的研制型号和发射需求不断增多，工艺装备数量随之大量增加，传统的工装已经无法适应发展的需要。现在我国运载火箭工艺装备管理面临的挑战主要体现在以下几方面[3]：①工装设计通用性差：大部分火箭的零部件生产都是建立在专用的工装基础之上的，不仅要求自身的强度与刚度达到一定的标准，还要能够对产品加工完成精准定位，因此，结构相类似的产品如果应用的型号不一样，也要单独完成工装的设计。②工装使用柔性差。对于比较复杂的工装结构，无论是设计还是工艺的定型，在整个过程中都需要进行不断地修改与调试，而产品状态一旦发生变化，工装结构也需要随之调整。③工装缺乏系统化管理。部分工装由于应用到独立体系的车间中，信息不能及时进行共享，因此会出现大量工装的重复设计与重复使用，有些工装可能会在十几年后再度运用。在这样的使用环境下，工装出现的数量不断增加，这意味着生产制造一发火箭需要大量的时间成本和经济成本。

2 我国运载火箭工艺装备管理的发展趋势

针对传统的工装管理模式面临的发展困境，需要研制具有通用性的标准化工装，才能够满足火箭生产制造的快适应需求，避免重复配置；建立柔性工装设计体制，根据实际情况工装能够进行自适应调整；建立工装系统化管理机制，对工装设计及制造、保管、使用与维护、维修与报废全流程进行系统化管理，全面管控工装的生命周期，将限制工装利用起来；引进新技术，引导工装向自动化、信息化、智能化方向发展，提高生产效率，提升工装整体质量水平。

2.1 工装设计标准化发展

运载火箭工装标准化主要指的是通用化、模块化等特点，能够有效减少不必要的重复设计，不管是产品的研制成本，还是产品需要的研制周期都得到有效的削减，整体设计质量大大提升，并且产品更加可靠。标准化工装在评估过程中会涉及不同状态中不同阶段的工装技术，做好量化，在明确参数后根据已有的模块化工装技术基础，生产多样的产品，不仅能够满足运载火箭的制造需求，还可以保持使用性能的稳定性，实现整体结构的简单与低成本[4]。以吊装和架车为例，目前我国火箭制造领域中成熟的吊装，无论是零件还是结构形式，或者是设计的起吊方案，都在实践中形成了大量经验，只需要在设计钓具过程中根据需要起吊的内容选择模块，修改尺寸，就能做好模块化设计，大大缩短设计与生产的周期。同理，在对架车进行设计时，也需要考虑应用的场所的不同，对各个零部件进行标准化设计，在压缩现有架车主体件的同时搭建参数化的元件库，指导工装拼装过程，促进架车标准化发展。

2.2 工装设计柔性化发展

柔性工装凭借的是非刚性可调定位技术，能够对零部件进行再加工与装配。柔性工装具有更为开放的结构，能够更好地连接更先进的自动化设备，弥补了存在于传统工装中的刚性缺陷，有效降低了生产成本，使零件的生产周期进一步缩短，整体生产效率得到明显提升。柔性工装中最重要的是如何进行柔性定位，只有把握好定位才能更好地把控产品位置，确保产品应力，获得更高水平的定位。

利用数字化协调系统自动充足模块的柔性，不需要借助更加专业的工具辅助装配，可避免出现传统工装重复利用、需要更高费用、周期更长等问题。自适应柔性工装，其在结构上具体表现出模块化，在空间上则表现出更大范围的运动调整空间，能够实现小范围精确调整。真空吸盘式装配也是柔性工装领域中比较新颖的技术，具有很强的充足性，削减了不必要的工装数量，装配效率与质量得到显著提升。柔性工装在保证整体产品加工质量的同时，减少了工具损耗，提升了装配效率，装配精度也得到了提升，与常规装配工艺相比优势更加明显。

2.3 工装系统化管理机制

传统工装使用及维护过程依托工艺装备保管台账进行管理，而大型工厂在制造过程中往往采用多个空间独立的车间，甚至包含跨地域厂区合作制造的情况，部分工装由于应用到独立体系的车间中，信息不能及时进行共享，会出现工装的重复设计与重复使用的情况。在这样的使用环境下，工装出现的数量不断增加，增加了火箭制造的时间成本和经济成本[5]。工装系统化管理机制即通过建立工装管理系统进行工装线上管理，实时查询工装数量、位置、状态等信息，各车间资源统一配置。工装管理系统对于工装设计及制造、保管、使用与维护、维修与报废全流程状态进行管理，管理内容应包括设计阶段性进展、制造或采购进度、工装位置、是否在用、定期检查结果、有无损坏、损坏状态评估、申请维修、维修进度、申请报废、报废进度等。系统底层对工装进行不同类型的树状分类，根据工装用途的不同分为铆接工装、焊接工装、总装测试工装等；根据工装的尺寸分为大型、中型、小型工装；根据工装位置分为不同厂房内的工装等等，并以此分类依据对工艺装备进行标签制定，后续工作人员进行查找时可直接通过关键词进行分类查找，并通过树状结构锁定具体工装位置，实现工艺装备的高效响应。

2.4 企业工装技术的自动化、信息化、智能化发展

工艺装备管理的最终目的是提高生产效率和质量，除了采用工艺装备设计标准化、柔性化，提升工装使用及维护过程中管理手段之外，工艺装备自身的性能提升也十分重要。高效便捷的工装可以有效提高生产效率和质量，因此，促进企业工装技术的自动化、信息化、智能化发展十分必要。

随着我国火箭装备研制水平的不断提高，自动化、智能化等新技术在火箭新型号中得到了大量应用，比如在运载火箭整流罩中实现装备自动铆接，其中就涉及了自动识别、自动选送钉、双机器人钻铆、产品柔性定位装夹等新技术，箭体铆接已经实现了绿色发展；喷涂装备机器人应用，在壁板化铣网格表面完成胶膜的喷涂，并进行刻型，可以有效减少了常规工艺中涉及的起吊、定位、转运等作业程序，在很大程度上减少了铣壁板在生产时间，生产效率得到明显提升提升了生产过程的自动化水平和机械功能性，并保障了生产安全；搅拌摩擦焊接技术及设备的应用，让火箭贮箱的工艺装备上实现了“铣切”与“焊接”一体化；研发3D打印技术，能够更好地满足火箭制造需要用到的各种复杂金属构建的快速高效使用[6]。新技术研发与投入不断提升着我国火箭制造工艺装备的水平，工艺装备自身实力的提高和扩大的产品包容性也为其管理提供了便利。

进入信息化社会后，在过去生产中存在的比较复杂的工序都能够借助现代计算机网络技术来完成。在工艺装备中所涉及的数字化技术主要覆盖设计、制造与检测三个环节，在三维环境中，可以借助制图软件对零件完成设计建模，在模型上完成装配，在不断的定位与检查中优化设计结构，再借助数控加工设备完成模型的模拟加工，基于数字化监测设备与技术进行工装检测。数字化工装能够在一定程度上取代传统的实物模拟工装，不需要生产过多的标准样件，工装数量可以减少，并且能够同时开展零件的设计制造与检验工作，保持工艺装备的一致性与协调性，提升火箭生产制造的精确度，使生产效率明显提升。

3 结束语

当前，我国运载火箭的工艺装备管理正朝着标准化、柔性化、系统化、数字化与智能化的方向进步和发展。管理升级对于运载火箭工艺装备的提升至关重要。同时，对企业来说工艺装备管理的进步也意味着能够进一步降低生产中涉及的劳动工作强度及成本。火箭制造企业有必要在大力发展火箭制造工艺、提高工装核心技术水平的基础上不断完善工艺装备的管理制度，促进我国航天制造业的发展。