航天器工艺设计生产性课件

1、赵长喜-航天器工艺设计-生产性2022/7/29赵长喜-航天器工艺设计-生产性1 航天器设计生产性基本概念从根本上来说，设计师的任务就是要设计出能满足功能要求的产品，也就是要保证设计的产品正常工作。因此，一般设计师对生产唯一关心的事就是该设计能不能制造出来。在设计中潜在着制造该设计的材料和工艺因素（即产品的工艺设计）。这些因素往往会被忽视，潜在的问题到生产阶段才发现，反过来再更改优化设计。这种“救急”行为在航天器产品研制中时常发生，严重影响了研制进度，降低了产品的质量和可靠性（更改很难完美），提高了研制成本。赵长喜-航天器工艺设计-生产性如果在最初的设计中就考虑生产性，则可以减少那些为满足生产

2、性而引起的产品功能特性改变的情况发生，也会排除或减少造成生产性难题。从而提高产品可靠性、生产的稳定性、降低成本、缩短研制周期赵长喜-航天器工艺设计-生产性二次大战期间，产品设计生产性的重要性和影响得到暴露。有很多装备由于在设计时未考虑产品的生产性，使得组织社会大生产时产生困难。为了使一项设计被多个生产厂商容易的制造，往往要求重新设计该产品（新设计风险、需要验证）。造成制造周期延长、成本提高、材料供应困难。最终结果是新技术新武器装备不能及时装备部队，不能形成战斗力。赵长喜-航天器工艺设计-生产性新技术、新工艺和新材料的出现，更突出了在初始设计阶段就考虑生产性的必要性，以避免或排除往常会遇到的设计

3、问题。生产性（也称为工艺性）是第二次世界大战以后发展起来的一门科学。它与可靠性、维修性等有关技术一起成为研制新的军事装备系统必须考虑的内容。1984年美国国防部组织编制了MIL-HDBK-727 Design Guidence for Producibility赵长喜-航天器工艺设计-生产性1.1 生产性定义生产性的定义有几种：定义1：一个可以生产的设计项目，应是可以被任何具有一定技艺的工人，利用资源丰富的材料，在很短的时间内制造出产品。（更适合民用产品）定义2：满足一定特性和技术状态的产品设计，采用可得到的生产技术，能够较容易、经济的生产、检测、试验和装备。-美国国防部赵长喜-航天器工艺设计

4、-生产性定义3：生产性是一个综合特性，当对装备进行设计和生产规划时，生产性使系统或装备的制造、装配、检测、试验、安装、校核和验收，具有最高的效率和最经济的费用。-MIL-STD-1528(Manufacturing Management Program)定义4：生产性是一项设计和生产规划的若干特征或要素的组合，它能使设计所规定的产品，按规定的产能，经过一系列权衡之后，以最少的费用，最短的时间制造出来，并能符合必须的质量和性能要求。-更符合航天器研制的定义。赵长喜-航天器工艺设计-生产性2 产品设计的要素机械性能、物理性能、化学性能，通常是选用材料的决定性指标。因为这些性能与成形性、切削性、连接

5、、热表处理等因素密切相关，直接影响产品设计的可生产性。2.1 材料赵长喜-航天器工艺设计-生产性对于航天器产品，材料既要满足地面环境要求（制造、试验、贮存、保管、运输、总装等），又要满足发射和在轨飞行环境要求。主要考虑因素：耐腐蚀；耐力学环境（动态、静态）；耐真空性能；失重特性；抗辐射；耐热循环；耐飞行特殊的其它工况（原子氧、放气、易燃性、气味等）；耐环境和载荷的综合作用（应力腐蚀开裂、热弹性、冷焊等）。赵长喜-航天器工艺设计-生产性对于载人航天器还要考虑毒性、霉菌、挥发份等因素。采用的材料应适合于航天器的全寿命周期（试验、贮存、任务等）真空：在空间应用中的材料，一般要求总质量损失小于1%；可

6、凝结挥发物小于0.1%；接近光学材料表面的材料应附加试验。温度：选用材料的性能必须与使用温度环境相适应。当使用环境温度超过材料的相变温度或玻璃化温度时，可能导致材料性能急剧下降，甚至失效。赵长喜-航天器工艺设计-生产性热循环：应对经受热循环的材料进行评定，以保证材料在服役期间能够经受热循环引起的热应力。特别是低地球轨道（LEO），航天器差不多每90min进出地球阴影一次，温度在-160+120度范围交变，会使材料发生疲劳和应力释放变形辐射：应对暴露在航天器外表面使用的材料的抗预定辐射总剂量的能力进行评价。原子氧：应对低轨道航天器外表面使用的材料进行抗原子氧能力进行评价。赵长喜-航天器工艺设计-

7、生产性随着低地球轨道卫星（对地观测）的迅速增多，加上载人航天和空间站技术的发展，低地球轨道环境效应影响日渐突出。而低地球轨道最重要、最危险的环境因素就是原于氧。美国宇航局(NASA)的飞行实验，进一步证实了原子氧是导致材料发生性能变化的主要原因。原子氧与材料的相互作用可造成表面材料剥蚀及材料性能退化进而影响飞行器的使用寿命。原子氧资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性原子氧是指低地球轨道（Low Earth Orbit，LEO，通常认为高度为200km700km高度）上以原子态氧存在的残余气体环境。在这个轨道高度上，气体总压力为10-510-7 Pa， 原子氧在残余大气中占主要成分，其中原于氧含量

8、约80，分子氮约20%。原子氧是太阳光中紫外光线与氧分子相互作用并使其分解而形成的。原子氧与航天器发生相互作用可以引起航天器结构材料的剥蚀老化，损害航天器热控涂层严重危害航天器的可靠运行。原子氧资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性原子氧与航天飞行器材料作用机理：作为LEO环境中含量最多的粒子，由于总压强极低，处于高真空状态，原子氧发生粒子间碰撞的几率极小。原子氧导致材料发生性能变化，主要在于：一方面，原于氧具有很强的氧化性，可与材料直接发生氧化还原反应，另方面，飞行器以轨道速度飞行时，受到原子氧以7-8km/s的相对速度的撞击，由于此时原子氧的平均动能高达4-5 eV，因此可引起材料表面性能的变

9、化。原子氧资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性材料暴露在空间原子氧环境下，多数都会产生质损，引起热学、光学、机械、表面形貌等诸多参数的变化，结果导致材料性能的损伤。原子氧与材料反应形成氧化物，它可能从表面材料中挥发出来，造成放气或可凝物的释出。例如，碳受到原子氧作用时会“消失”，因为碳具有较大的原子氧剥蚀速度，碳的氧化物极易挥发。银涂层将与原子氧相互作用生成氧化物并随即脱落露出的新鲜表面则又将被原子氧剥蚀，结果造成较严重的质损。原子氧资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性原子氧敏感性材料：树脂基复合材料（碳纤维、环氧树脂、聚酰亚胺）摩擦材料（固体润滑剂有环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等，金属和无机

10、润滑膜会剥落） 热控材料（有机热控涂层、金属镀层、金属镀层的聚合物-OSR片）光学材料（发生质量损失、表面形态变化，从而引起光学性能的退化）电力系统材料（太阳电池片、银互连片）原子氧资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性原子氧的防护：复合材料的保护：采用金属镀膜，能获得较好的保护效果。尽管镀膜有很好的防护效果，但它们的热膨胀系数与基底材料不同，在热循环过程中有可能会出现微小裂纹，导致原子氧从裂缝中渗入基体内部。玻璃质封闭剂经常被用于阻止原子氧通过表面缺陷侵蚀基体。典型的封闭剂有硅酸盐、硼酸盐。有时它们以单层或多层玻璃体形式被用于保护层和基体之间，以缩小热膨胀系数的不匹配，并加强保护层和基底的附着力

11、。原子氧资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性摩擦和润滑部件的保护：最近研究表明，WS2具有优良的润滑性能，而且其耐氧化性能比MoS2的好。还可通过改进沉积方法和薄膜组分，以及通过各种能量离子该善薄膜结构与界面结构来提高空间润滑薄膜的性能。以陶瓷为基材的抗原子氧材料将取代原子氧敏感性的润滑剂，也将是一种发展趋势。原子氧资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性热控材料的保护：用等离子溅射将In2O3沉积形成导电膜，此膜既可防护原子氧攻击，也可避免材料静电荷的积累（当荷电位达到一定值时，就会发生击穿而放电，放电脉冲进入电子系统时造成航天器故障）。有机热控涂层柔软性好，耐高低温冲击，工艺性能好，是不可替代的空

12、间热控材料。在各类有机热控涂层中，有机硅涂层耐真空紫外辐照能力和抗原子氧侵蚀能力最强，是空间飞行器表面较理想的热控涂层。原子氧资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性光学材料的保护：所有的金属镜都需保护，最常采用的保护层是SiO2和Al203。复合防护膜不仅可防止原子氧侵蚀，还能改善镜的反射能力，用SiO2+TiO2联合保护铑镜，就可达到上述双重效果。原子氧资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性太阳电池阵的保护： 金属和有机涂层用来作银互连片的保护层，实验证明Al、Au、Pa镀膜下适合对银互连片进行保护。一般地，金属镀层都有缺陷，一旦原子氧通过缺陷，与银接触，银的氧化物就开始形成，氧化的银层就会脱落，露

13、出新表面银则又被氧剥蚀，这样周而复始，银互连片的完整性就会受到破坏，将失去导电作用。原子氧资料-END赵长喜-航天器工艺设计-生产性空间碎片：根据航天器所在轨道和部位，进行空间碎片对材料的影响评估。抗老化：用于长期载人航天器的橡胶和合成橡胶应进行抗老化、低温、臭氧、加热老化等评估。电化学相容性：当双金属（包括碳）接触时，选择所用的配偶允许的最大电势值：有控制环境要求(温度或湿度控制)为0.5V；无控制环境为0.25V。赵长喜-航天器工艺设计-生产性常用材料标准电极电位赵长喜-航天器工艺设计-生产性赵长喜-航天器工艺设计-生产性腐蚀：应考虑材料整个寿命周期（贮存、运输、发射等）所经受的腐蚀及其耐

14、腐蚀性。应力腐蚀：用于结构材料时，应选择具有耐应力腐蚀的材料。赵长喜-航天器工艺设计-生产性由拉应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂称为应力腐蚀。不论是韧性材料还是脆性材料都可能产生应力腐蚀断裂。应力腐蚀并不是金属在应力作用下的机械性破坏与在化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加所造成的，而是在应力和化学介质的联合作用下，按特有机理产生的断裂。其断裂抗力比单个因素分别作用后再叠加起来的要低很多。应力腐蚀资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性应力腐蚀产生的条件只有在拉伸应力作用下才能引起应力腐蚀开裂。这种拉应力可以是外加载荷造成的应力，也可以是各种残余应力，如焊接残余应力，热处理残余应力和装配应力

15、等。一般情况下，产生应力腐蚀时的拉应力都很低，如果没有腐蚀介质的联合作用，机件可以在该应力下长期工作而不产生断裂。应力腐蚀资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性应力腐蚀产生的条件产生应力腐蚀的环境总是存在特定腐蚀介质，这种腐蚀介质一般都很弱，如果没有拉应力的同时作用，材料在这种介质中腐蚀速度很慢。产生应力腐蚀的介质一般都是特定的，也就是说，每种材料只对某些介质敏感，而这种介质对其它材料可能没有明显作用，如黄铜在氨气氛中，不锈钢在具有氯离子的腐蚀介质中容易发生应力腐蚀，但反应过来不锈钢对氨气，黄铜对氯离子就不敏感。应力腐蚀资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性应力腐蚀产生的条件一般只有合金才产生应力腐蚀

16、,纯金属不会产生这种现象。合金也只有在拉伸应力与特定腐蚀介质联合作用下才会产生应力腐蚀断裂。应力腐蚀资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性常见合金的应力腐蚀介质碳钢：荷性钠溶液，氯溶液，硝酸盐水溶液，H2S水溶液，海水，海洋大气与工业大气。奥氏体不锈钢：氯化物水溶液，海水，海洋大气，高温水，潮湿空气（湿度90%），热NaCl，H2S水溶液，严重污染的工业大气（所以不锈钢水压试验时氯离子的含量有很严格的要求）。应力腐蚀资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性常见合金的应力腐蚀介质马氏体不锈钢：氯化的，海水，工业大气，酸性硫化物航空用高强度钢：海洋大气，氯化物，硫酸，硝酸，磷酸铜合金：水蒸汽，湿H2S，氨溶

17、液铝合金：湿空气，NaCl水溶液，海水，工业大气，海洋大气应力腐蚀资料-END赵长喜-航天器工艺设计-生产性Aluminium alloys with high resistance to stresscorrosion cracking赵长喜-航天器工艺设计-生产性Aluminium alloys with moderate resistance to stresscorrosion cracking赵长喜-航天器工艺设计-生产性Steel Alloyswith low resistance to stresscorrosion cracking赵长喜-航天器工艺设计-生产性Aluminiu

18、m Alloyswith low resistance to stresscorrosion cracking赵长喜-航天器工艺设计-生产性Copper Alloyswith low resistance to stresscorrosion cracking赵长喜-航天器工艺设计-生产性Magnesium Alloyswith low resistance to stresscorrosion cracking赵长喜-航天器工艺设计-生产性用一种复杂的方案来满足设计指标，会带来成本的大幅度增加。一般来说，如果设计超过了功能要求，就会增加重量、增大制造成本，并增加可靠性、可获得性、维修性所需的

19、费用。一个复杂的设计，由于增加了制造和装配成本，因而需要增加研制费用，延长研制周期。2.2 设计的简化赵长喜-航天器工艺设计-生产性零件结构要素必须符合标准规定。如：螺纹、花键、齿轮、中心孔、空刀槽等的结构和尺寸都应符合国家标准规定。尽量采用标准件和通用件。标准件和通用件在产品中所占的比例是评定产品设计标准化程度的一个重要指标。采用标准件、通用件，不仅可以简化设计，避免重复的设计工作，而且可以降低产品制造成本，产品生产周期也短。 （如：非标螺栓，自制成本远高于标准件，由于加工方法的差异，质量和性能也低于标准件）机械设计简化措施赵长喜-航天器工艺设计-生产性两种键槽结构形状-示例图a所示键槽形状

20、只能用生产率较低的键槽铣刀加工图b所示结构就能用生产率较高的三面刃铣刀加工。被加工表面形状应尽量简单 赵长喜-航天器工艺设计-生产性图b所示结构比图a所示结构加工面积小，工艺性好。气缸套工作表面结构-示例尽量减少加工面积 赵长喜-航天器工艺设计-生产性图b、图c所示结构不但省料而且生产效率高,它的工艺性就优于图a所示结构。箱体零件耳座结构-示例尽量减少加工面积 赵长喜-航天器工艺设计-生产性零件螺孔结构设计-示例为加工图示零件螺孔，需作攻螺孔B、C，然后翻身装夹，再钻、攻螺纹孔。如果设计允许，宜将螺孔改成图左上角的结构。尽量减少加工过程的装夹次数 赵长喜-航天器工艺设计-生产性仅在很少情况下，

21、才会只有一种材料或一种制造方法，可以满足设计指标要求。多数情况是几种材料或几种方法都可以生产出合格的产品。确定可替代的材料和方法能够预防因缺少可用材料和方法而造成生产薄弱环节，因而能极大的提高产品的生产性。材料、容差、弯曲半径等对选择制造方法均有直接影响。这些因素是十分重要的生产性因素。2.3 生产方法可替换性赵长喜-航天器工艺设计-生产性不必要的过高的规定容差和表面粗糙度，对生产性会产生很坏的影响。如果容差和表面粗糙度规定过高，就会需要更多特殊的和昂贵的制造工序。随着容差和表面粗糙度要求的提高，制造过程需要的劳动量和工人的技能水平会显著提高。好的生产性只需要规定到对设计目标来说是绝对必要的质

22、量标准的下限。2.4 容差要求赵长喜-航天器工艺设计-生产性技术资料包括设计图样、技术要求等文件。技术资料所提供的资料可靠性，对一项设计产品能否成功生产至关重要的。不清楚或含混的设计资料，如同所有不准确的资料一样，对生产性都是有害的。2.5 技术资料赵长喜-航天器工艺设计-生产性3 生产规划的要素a. 生产率和产量生产规划中的生产率和计划产量，是用以衡量和配备组装和总装所需的工艺装备和设备的决定性准则。错误的判断将会如滚雪球一样在时间和金钱上造成巨大损失，或者造成产能不足和生产周期的延后。例如：生产线建设，生产单元建设赵长喜-航天器工艺设计-生产性b. 工艺装备工艺装备是指为了完成特定产品，能

23、使某些通用机床设备适应特种用途的要求，而设计制造的一套或一系列辅助装备。工艺装备既可以提高生效率，也可以在低生产率时提高产品质量和生产的稳定性。工艺装备的质量和费用，与生产率成正比。工艺装备对设备能力影响很大，同时对生产性有严重影响。赵长喜-航天器工艺设计-生产性c. 人力对任何生产规划，掌握一定的专项劳动技能是至关重要的。对于一些特定产品，特别是对于航天器研制产品而言，操作者的劳动技能水平，是实现产品工艺的必要保证。d. 设备当一些独特的设备是能够生产某产品的唯一设备时，这些设备的可获得性对该产品的生产性就是极为重要的。赵长喜-航天器工艺设计-生产性e. 材料的可获得性材料的可获得性对成功的

24、生产的任何产品，都是一个很关键的要素。材料的交付期，能否与安排的生产计划相吻合，是确定生产性的一个要素。好的生产性规划，即使没有规定适当的代替材料，也要保证材料不成为关键，且材料对地区不敏感。赵长喜-航天器工艺设计-生产性4 生产和检验要求a. 高生产率的生产和检验一项产品进行高生率生产的设计，必须在构型、尺寸和容差方面，与高生产率生产方法相一致。并不是任何材料都适用于高生率生产方法，因此，必须注意确保所选择的材料，既能满足高生产率生产，又能满足设计目标所要求的性能。(钣金成形、超塑热成形)在规划生产时，考虑与生产率相适应的检验方法，对生产性也是极为重要的。（复材自动化）赵长喜-航天器工艺设计

25、-生产性b. 低生产率的生产和检验在高生产率生产中，生产费用可以在大量零件上摊销，这为改进生产性提供了很多机会。但由于低生产率生产具有劳动密集的特点，同时生产性改进所节省的费用往往更大。当数控等自动化技术替代普通加工技术后，费用可以节省2/3。而此时产量增加时，成本降低的趋势反而减少。（一方面因为在这种生产水平下，大部分检验工作都是手工完成的。另一方面，数控加工更多的是工序集中，不太适合批量生产。）设计师应尽量避免那些只能用专门研制的检验方法才能检测的特殊质量要求。赵长喜-航天器工艺设计-生产性5 成本和时间要求a. 最低成本为使设计具有好的生产性，一般要对零部件和制造方法加以简化和标准化。一

26、个系统的费用中包含大量要求（如：可靠性、维修性、安全性等）的费用，这些要求交织在一起，对总的研制费用影响很大，这些都是设计生产性所要考虑的。赵长喜-航天器工艺设计-生产性a. 最短时间一个设计能够满足性能特性，并能成本很低，但却不能在规定的时间内提交使用，这种设计也是没有生产性的。保证所需的材料、人力、制造方法、检测手段等均可以得到，才能保证产品能在最短的时间内送到用户手中。赵长喜-航天器工艺设计-生产性6 质量和性能要求在为获得生产性各要素的过程中，最基本的是不能为了取得最佳的生产性要素，而与设计性能指标产生矛盾或有不利影响。生产性的指标应是：一项设计不仅能符合性能指标，同时也能以最经济的方

27、法进行生产。赵长喜-航天器工艺设计-生产性7 生产性和研制阶段不同的项目，根据其项目规模（重大工程或其他项目），决定生产性考虑的深度。一个项目的不同研制阶段，生产性考虑的内容和深度也不同，生产性要与各研制阶段工作密切结合起来。赵长喜-航天器工艺设计-生产性赵长喜-航天器工艺设计-生产性7.1 方案阶段方案阶段要对生产性进行初步估计，主要是对现在的和预计中的工艺可行性和生产能力进行评估。把现有工艺技术水平和需要发展的工艺技术区别开来，明确重点和措施。主要工作如下：可替代的制造方法和装配方法；可替代的机床能力；在制造技术、检测试验、质量、成本和进度等方面的需求与可获得性；关键材料状况及预测；风险评

28、估和解决风险的措施和保障条件。赵长喜-航天器工艺设计-生产性7.2 初样阶段初样阶段的重点是设计验证，此时的生产性考虑与方案阶段相比，范围缩窄，而项目增多。主要工作如下：确保所用制造工艺是可得到的或有充分计划的；不断改进生产可行性及风险分析；当设计进入详细设计时，按性能要求和设计约束条件，评定设计生产性；对零部件和材料进行最大程度的标准化；对关键生产方法、工艺装备、试验设备等进行评估；关注那些早期可以发现的重大生产性因素，如：关键材料、工艺装备、制造方法和过程、设备等。赵长喜-航天器工艺设计-生产性7.3 正样阶段正样阶段所有生产设备和支持设备必须完好，并证明能够完成任务。在此阶段，生产性的一

29、个重要方面是找出产品的全部关键特性，优化生产流程，改进检测和试验程序。赵长喜-航天器工艺设计-生产性7.4 定型阶段定型阶段并不意味着生产性工作的结束，需要设计和生产协同工作改进生产性，特别是对研制周期长、质量不稳定的项目。虽然此时的生产性影响不是很显著，但经过努力，使用新出现的制造工艺，并保证设计更改是可生产的，则可以显著提高产品质量和可靠性，并提高效率，降低成本，缩短周期。赵长喜-航天器工艺设计-生产性这一阶段的生产性活动包括以下内容：对工艺过程和方法进行分析，以提高产品质量；应用替代的材料；研究在制造性方面修改设计的项目；评价有关工程修改的建议，以保证生产性；采用新的制造工艺。赵长喜-航天器工艺设计-生产性8 生产性与其它领域的关系赵长喜-航天器工艺设计-生产性赵长喜-航天器工艺设计-生产性8.1 可靠性、有效性和维修性可靠性就是一个产品在规定的时间范围和确定的条件下，完成其预期功能的概率。可靠性工程作为一种工具发展起来，不仅用于设计，而且用于预测。有效性就是保证一个产品能在限定的时间内，可