运载火箭制造工艺装备的现状与发展趋势

王德志，白景彬，戴 钦，王佐友，高可攀

（1.首都航天机械有限公司，北京100076；2.北京长征火箭装备科技有限公司，北京 100076）

0 引言

工艺装备简称工装，是在产品生产制造、装配测试过程中保证其位置、方向、精度以及实现特定功能的机床辅助设备，要求其具有功能和使用协调性、基准传递的统一性、主要几何模型的随行性、工程信息的继承性[1]。工装的使用可以保证产品质量、提高生产效率、减少操作失误和缺陷、减少生产制造的工艺难度，降低了生产成本。由于运载火箭产品零件数量多、形状结构复杂、材料不易加工、定位可靠性差、精度等级高、测量稳定性低等特点，使得在生产制造过程中需要的工艺装备数目巨大。近年来随着我国北斗导航、探月工程等航天科技重大专项的实施，运载火箭的需求量在逐年增加，由“十二五”期间的13～16发/年增加到目前的25～30发/年。运载火箭型号也由常规的长征二号、长征三号等到新研制服役的长征五号、长征十一号，以及在研的重型运载火箭。工艺装备的需求也在不断增加，特别是柔性化、通用化工装，以及新技术、新工艺的装备需求在大幅提升。

1 发展现状

我国火箭工装最早沿袭前苏联的设计制造方法，零件基于相互联系原则制造，从零部件生产到装配、测试，各个环节之间是依次利用和依靠的关系，整个生产过程主要采用串行模式，采用各类工装作为制造和协调依据。火箭制造工艺装备种类较多，包括机床夹具、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。不同工装根据类别还可以细分，如铆接型架有筒状结构铆接型架、异型非对称装配型架、薄壁端框铆接型架等；焊接工装有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；模具包括拉伸、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；模线样板包括各类切钻、划线、化铣、检验样板等，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；机床夹具则包括车、铣、刨、磨、钻等各类夹具，特别是大型壁板类零件的车铣夹具，刀量具、钳工工具等。

大部分火箭零部件的生产都需要一套专用工装，自身还要具有强度好、刚度高，能够控制产品在加工过程中精确定位的特点[2]，因此即便是结构类似的产品，由于不同型号使用，工装也需单独设计。有的工装结构复杂，从设计完成到工艺定型期间需要经历多次更改和试制。由于生产加工的批量小，或者产品在不同的阶段使用，有些工装随着产品使用的结束就完成了其历史使命。有些工装是因为使用车间自成体系，相关信息无法有效共享，造成工装的重复设计使用；有些工装两次使用间隔几年甚至十几年。面对这种模式，工装的使用陷入了一种恶性循环中，工装的数量越来越多，据不完全统计，211厂（我国最大的火箭制造总装企业）目前具有工装6000多种近十万件，这造成火箭的生产准备周期长，工装制造成本高。并且多年来，工装一直被看成生产系统中的配角，未引起足够重视，也未形成一个系统，一直跟在产品后边处于被动状态。随着火箭型号的逐渐增多，尤其是新型三维数字化火箭的成功发射，使得传统的工装已经不能满足生产的需要。快速响应的标准化、通用化工装，可重复配制、可调整的柔性工装，以及机器人数控工装、真空吸盘辅助工装等新技术工装日益被提上转型日程。同时，工装管理系统的水平和质量也需要不断提高，实施工装全生命周期管控，合理利用现有闲置工装，推进工装预警机制，促进企业发展[3]。

2 发展趋势

2011年中国航天白皮书指出，为满足空间站工程、载人航天、月球探测等航天工程的需要，开展“无毒、无污染、低成本、高可靠、适应性强、安全性好”的新一代运载火箭研制，满足我国未来30年空间技术发展的需要。这促使了火箭研制型号在不断增加的同时向两极化发展，一方面要求火箭可靠性高、成本低、快速响应；另一方面火箭运载能力不断提升。随着并行工程、CAD/CAM/CAE、先进制造技术的发展，大量数字化设计制造软件以及先进的数控设备、定位测试仪器的广泛应用，也使工装朝着通用化、标准化、柔性化、数字化和智能化的方向发展；而随着航天“工业4.0”的不断加码，一大批数字化车间、工业机器人、增材制造技术、先进测试技术等不断应用升级，需要开发高端工艺装备用来解决其存在的制造技术问题。面对着产品可靠性提高、制造技术的革新、产品生命周期的缩短、单位成本降低和交付使用时间的提前，必须加速火箭制造工艺装备的设计与制造技术进行革命性的改变。

2.1 工装的标准化发展

火箭工装的标准化主要包括模块化、系列化、通用化，可以减少其重复设计制造，降低研制成本、缩短研制周期、提高设计质量，并能满足产品的可靠性、维修性等方面的要求[4]。工装的标准化设计需要对处于不同状态的工装进行阶段性的评估和量化，即通过工装成熟度的动态变化进程来描述其相关设计活动[5]。标准化设计首先要进行局部组件主参数和系列形状确定，将其称之为设计族。选择相应设计族为研究对象，根据航天工艺装备模块化工作基础，确保适用产品多样性，并追求在满足使用要求的同时使工装的性能更稳定、质量更可靠、结构更简单、成本更低。

在火箭的吊装领域，其技术的标准化基础非常好，在所用标准件、结构形式、起吊方案上积累了很多数据和经验。在吊具设计时根据起吊类型、起吊载荷、被吊产品尺寸选用合适的模块，并对一些关键尺寸进行修改，完成其模块化设计。这不仅能缩短工装设计开发周期，还能缩短其生产准备周期。架车的情况与吊具类似，架车按结构形式主要分为水平架车、垂直架车、对接架车，主要使用对象是火箭壳体、贮箱、部段，用于不同厂房、不同工位中的转运和对接。以车身、接口、承重、外形参数等进行标准化设计，一方面可对现有架车主体件进行压缩，将不同尺寸的架车整合为通用性架车，另一方面可以组建参数化元件库，实现快速虚拟设计，并以此为指导加快工装拼装过程，还方便设计变更，尤其在应用Pro/E软件进行系列化设计方面具有良好的优势。模具标准化发展要求一方面对市场上现有的模具标准产品进行通用和互换，如模具所需要的模架、与机床连接用的各种模柄、专用螺钉、弹簧等。另一方面对现有的一些模具汇编成企业标准，如《落料模汇编》《缺口冲模汇编》《拉伸模汇编》《拉弯模汇编》。通过标准可以使相关人员快速地了模具成形工艺，设计人员可以从中查到已有零件在新产品中的应用，尽量考虑型号设计的继承性，提高利用率，缩短设研制周期。

工装标准化实施后，通用的工装占有比例将大幅度提高，专用工装的标准化程度也将提高，工装中使用的通用结构件和标准件的比例也会增加；多数工装可以通过对已有工装的修改和调整来完成，最终以一套工装或少量几套工装满足该系列全规格产品的研制，实现火箭零部件生产与所需工装由1对1向N对1转变。

2.2 工装的柔性化发展

柔性工装是指基于非刚性可调定位技术实现产品零部件的加工和装配，并在信息化支持下，将柔性化单元作为基础，借助控制手段来满足多种生产所需要的工艺装备技术。柔性工装结构开放，便于与先进自动化设备连接，克服了刚性工装的缺点，能够降低工装制造成本、缩减准备周期、提高生产效率。柔性工装顺应了精益制造理念的潮流，促使火箭工装分级别发展、向着先进性以及成熟性发展[6]。

柔性工装的关键技术是柔性定位，通过可调的定位技术控制产品的位置并释放应力，通过对位置、结构、孔径、基准面的综合控制，提升其定位水平[7]。火箭柔性工装主要是通过数字量协调系统完成柔性模块的自动化重组，这种形式节省了专业的型架、夹具、辅助工具等，解决了传统工装重复利用率低、周期长、费用高、投产工作量大等问题，为公司应对市场的高效、快速、低成本提供了强有力的技术和质量保证。例如，在火箭贮箱焊接工装正朝着高效率、高精度方向发展，精密组合焊接工装系统将成为未来发展的重点[8]。自适应装配也是一种柔性工装，其在机械结构上是一种模块化单元结构[9]，在空间内具有比较大范围的运动调整能力，还具有小范围的精确运动调整能力。真空吸盘式装配工装是一种新兴的柔性装配加工技术，具备强大的可重组性，能减少大量的工装使用，装配效率及质量随之大幅提高。在提高工作效率的同时兼顾了加工精度、加工质量及工具损耗等，具有常规单一加工技术无法比拟的优势[10]。一些先进的测量技术，如激光跟踪仪、红外感应翼、光栅尺、5G传输技术等应该被用在在柔性工装中，以达到生产要求的测量和定位精度。将现代工装与各辅助测量系统、控制系统、定位系统紧密集成，将各项关键技术有机集成起来，形成综合系统，柔性化工装能得到更好的实施应用。总的来说，柔性工装关键技术的突破将给火箭制造业的发展带来巨大的机遇，通过生产过程中的数字化全流通缩短产品研制周期，逐渐取代了靠模拟量传递的刚性工装，是未来火箭制造工艺装备的一个重要发展方向。

2.3 工装的数字化、智能化发展

随着科技的进步，数字化、智能化技术不断被应用于工业生产中，利用计算机和信息网络可以完成很多传统生产中比较复杂及困难的工序。工装的数字化包括数字化设计、数字化制造和数字化检测。在三维环境下，用制图软件进行工装零部件设计建模，将产品数模在工装上进行预装配，进行定位和干涉检查并不断进行结构优化。然后利用数控加工设备对工装模型的关键特征型面、互换协调交点等进行模拟加工，同时利用数字化检测设备完成工装检测[11]。采用数字化工装替代传统的实物样件模拟，可以减少标准样件、模线样板等工装数量，实现零部件的设计、制造、检验同步进行，能够更好地实现制造装配过程中的协调性和一致性，保证其精度，提高火箭生产制造的效率。例如，在神州五号舱外航天服研制过程中，第一次全数字化设计了航天服躯干壳体和通风管路系统的成型模具，为我国载人航天做出了重要贡献。

“工业4.0”在全球工业领域掀起一场风暴，它描绘了制造业的未来愿景，将现代信息技术与传统工业生产相结合，也就是是智能化和物联网的结合。在火箭研制过程中，氢氧发动机喷管延伸段均由数百根GH3600高温合金变截面薄壁螺旋方管焊接而成，现有的制造工艺需要10余台专用工装以及高技能焊接人员，并且合格率不高，时间节点无法保证，未来开发火箭发动机喷管管束智能生产线，满足我国运载火箭的高强密度发射需求。而对于阀门类产品属于运载火箭飞行过程中有动作类的产品，属于单点失效影响全局的部件，对于阀门的装配精度、可靠性要求很高。目前每年生产的阀类产品300多种约6 000件，具有“多品种、小批量"的特点。随着批产任务的增多，迫切需求寻找一种自动化、智能化的生产方式来满足生产的需要，因此开发发动机阀门柔性装配生产线势在必行。同样，火箭泵类产品由于装配精度高、结构复杂，工作环境恶劣，工作介质特殊等因素，对于多余物控制要求十分严格，零件装配前均需进行超精密清洗和多余物检查。工人劳动强度大，所需工装多，效率很低，清洗效果受人员影响很大。因此开发以自动装夹、五轴联动变位机器人、工艺参数精确控制、多余物在线检测的全自动化绿色清洗设备，替代传统工艺，满足运载火箭氢氧发动机大型泵、阀机械加工金属零件精密、超精密清洗能力。

2.4 工装的新技术替代升级

近年来我国航天业发展十分迅速，航天专用制造工艺装备在航天制造领域发挥了不可或缺的作用，其专用性、特殊性为航天制造的整个过程提供了有力保障，尤其在铆接、焊接、实验、总装等领域，更显出其独特性。随着装备研制技术的迅速发展，自动化、智能化、数字化技术在新型号研制中展示了很好的应用前景。例如，开发运载火箭整流罩自动铆接装备，突破产品铆接的自动识别技术、自动选钉送钉技术、双机器人钻铆技术、产品柔性定位装夹技术，打造绿色制造和快速制造的箭体铆接技术及装备。当前，机器人的安全性、应用性和功能性都在不断提高，尤其对制造业的发展影响很大[12]。因此采用机器人喷涂装备实现壁板化铣网格保护胶膜的喷涂及刻型，一方面发挥机器人夹具的优势作用，减少常规起吊、夹紧定位、转运等工装设施；另一方面缩短化铣壁板生产周期，大大提高生产效率。采用搅拌摩擦焊接技术及设备替代熔焊工艺，实现火箭贮箱“铣切”与“焊接”一体化。开展增材制造（3D打印）设备研制，满足运载火箭前舱前段组合体金属骨架、融合体、多星支撑结构、捆绑支座等大尺寸复杂金属结构件的快速研制和高质量制造。开发集弯头矫形机器人成型、同位矫形、在线测量技术为一体的大直径薄壁高温合金推弯成型装备，实现弯头热推弯成型数字化制造，满足重型运载火箭220t发动机和箭体增压输送系统管路的研制和生产需求。针对型号中某些高强度钢铁材料电镀锌具有氢脆隐患、有些复杂零件电沉积锌难度大等问题，开发磁控溅射表面镀锌工艺装备，将金属锌作为靶材，在真空环境下用电子轰击靶材激发出等离子体，沉积在需要镀锌的产品表面上，实现零部件的物理气象沉积。

此外，要加大技术进步投入力度，开展新技术新方法的预研，加快形成自主知识产权、标准和品牌；加强技术交流，及时了解相关产品的前沿技术，在新项目、新产品的开发过程中，获得技术支持与合作；加强校企联合研发，积累工程应用实践经验，保持长久创新动力，提升技术实力，保持技术领先，实现我国火箭制造工艺装备的新突破。

3 结论

运载火箭生产制造企业作为军工企业其发展关系着国家战略需求和国防建设能力，在当前背景下，其工艺装备的标准化、柔性化、数字化、智能化发展，以及新材料、新技术、新方法的应用，对提高工艺的稳定程度，降低劳动工作强度很有帮助，可以不断推进航天制造企业精益生产和敏捷制造等先进技术的发展。但目前尚处在初级阶段，只是局部、小范围的初步实践和运用，需要加大资金与技术支持，进一步开展工艺规划、系统研究、原型设计。同时，作为火箭制造企业应该立足于技术进步，强化火箭制造工艺装备的关键技术，在提升火箭制造水平的同时，将其工艺装备的发展推向一个新的高度，起到对制造和生产深层次地促进与发展作用。