赵长喜-航天器工艺设计-生产性

1、中国空间技术研讨院航天器工艺设计-消费性概论赵长喜 :zhaoyz529126.1 航天器设计消费性根本概念从根本上来说，设计师的义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任务。因此，普通设计师对消费独一关怀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资料和工艺要素即产品的工艺设计。这些要素往往会被忽视，潜在的问题到消费阶段才发现，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，提高了研制本钱。.假设在最初的设计中就思索消费性，那么可以减少那些为满足消费性而引起的产品功能特性改动的情况发

2、生，也会排除或减少呵斥消费性难题。从而提高产品可靠性、消费的稳定性、降低本钱、缩短研制周期.二次大战期间，产品设计消费性的重要性和影响得到暴露。有很多配备由于在设计时未思索产品的消费性，使得组织社会大消费时产生困难。为了使一项设计被多个消费厂商容易的制造，往往要求重新设计该产品新设计风险、需求验证。呵斥制造周期延伸、本钱提高、资料供应困难。最终结果是新技术新武器配备不能及时配备部队，不能构成战斗力。.新技术、新工艺和新资料的出现，更突出了在初始设计阶段就思索消费性的必要性，以防止或排除往常会遇到的设计问题。消费性也称为工艺性是第二次世界大战以后开展起来的一门科学。它与可靠性、维修性等有关技术一

3、同成为研制新的军事配备系统必需思索的内容。1984年美国国防部组织编制了MIL-HDBK-727 Design Guidence for Producibility.1.1 消费性定义消费性的定义有几种：定义1：一个可以消费的设计工程，应是可以被任何具有一定技艺的工人，利用资源丰富的资料，在很短的时间内制造出产品。更适宜民用产品定义2：满足一定特性和技术形状的产品设计，采用可得到的消费技术，可以较容易、经济的消费、检测、实验和配备。-美国国防部.定义3：消费性是一个综合特性，当对配备进展设计和消费规划时，消费性使系统或配备的制造、装配、检测、实验、安装、校核和验收，具有最高的效率和最经济的费用

4、。-MIL-STD-1528(Manufacturing Management Program)定义4：消费性是一项设计和消费规划的假设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，并能符合必需的质量和性能要求。-更符合航天器研制的定义。.2 产品设计的要素机械性能、物理性能、化学性能，通常是选用资料的决议性目的。由于这些性能与成形性、切削性、衔接、热表处置等要素亲密相关，直接影响产品设计的可消费性。2.1 资料.对于航天器产品，资料既要满足地面环境要求制造、实验、储存、保管、运输、总装等，又要满足发射和在轨飞行环境要求。主要思

5、索要素：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；耐环境和载荷的综协作用应力腐蚀开裂、热弹性、冷焊等。.对于载人航天器还要思索毒性、霉菌、挥发份等要素。采用的资料应适宜于航天器的全寿命周期实验、储存、义务等真空：在空间运用中的资料，普通要求总质量损失小于1%；可凝结挥发物小于0.1%；接近光学资料外表的资料应附加实验。温度：选用资料的性能必需与运用温度环境相顺应。当运用环境温度超越资料的相变温度或玻璃化温度时，能够导致资料性能急剧下降，甚至失效。.热循环：应对经受热循环的资料进展评定，以保证资料在服役期间可以经受热循

6、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，会使资料发生疲劳和应力释放变形辐射：应对暴露在航天器外外表运用的资料的抗预定辐射总剂量的才干进展评价。原子氧：应对低轨道航天器外外表运用的资料进展抗原子氧才干进展评价。.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开展，低地球轨道环境效应影响日渐突出。而低地球轨道最重要、最危险的环境要素就是原于氧。美国宇航局(NASA)的飞行实验，进一步证明了原子氧是导致资料发生性能变化的主要缘由。原子氧与资料的相互作用可呵斥外表资料剥蚀及资料性能退化进而影响飞行器的运用寿命

7、。原子氧资料.原子氧是指低地球轨道Low Earth Orbit，LEO，通常以为高度为200km700km高度上以原子态氧存在的剩余气体环境。在这个轨道高度上，气体总压力为10-510-7 Pa， 原子氧在剩余大气中占主要成分，其中原于氧含量约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构成的。原子氧与航天器发生相互作用可以引起航天器构造资料的剥蚀老化，损害航天器热控涂层严重危害航天器的可靠运转。原子氧资料.原子氧与航天飞行器资料作用机理：作为LEO环境中含量最多的粒子，由于总压强极低，处于高真空形状，原子氧发生粒子间碰撞的几率极小。原子氧导致资料发生性能变化，

8、主要在于：一方面，原于氧具有很强的氧化性，可与资料直接发生氧化复原反响，另方面，飞行器以轨道速度飞行时，遭到原子氧以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，因此可引起资料外表性能的变化。原子氧资料.资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、外表形貌等诸多参数的变化，结果导致资料性能的损伤。原子氧与资料反响构成氧化物，它能够从外表资料中挥发出来，呵斥放气或可凝物的释出。例如，碳遭到原子氧作用时会“消逝，由于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零落显露的新颖外表那么又将被原子氧剥蚀，结果

9、呵斥较严重的质损。原子氧资料.原子氧敏感性资料：树脂基复合资料碳纤维、环氧树脂、聚酰亚胺摩擦资料固体光滑剂有环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等，金属和无机光滑膜会剥落 热控资料有机热控涂层、金属镀层、金属镀层的聚合物-OSR片光学资料发生质量损失、外表形状变化，从而引起光学性能的退化电力系统资料太阳电池片、银互连片原子氧资料.原子氧的防护：复合资料的维护：采用金属镀膜，能获得较好的维护效果。虽然镀膜有很好的防护效果，但它们的热膨胀系数与基底资料不同，在热循环过程中有能够会出现微小裂纹，导致原子氧从裂痕中渗入基体内部。玻璃质封锁剂经常被用于阻止原子氧经过外表缺陷侵蚀基体。典型的封锁剂有硅酸盐、硼

10、酸盐。有时它们以单层或多层玻璃体方式被用于维护层和基体之间，以减少热膨胀系数的不匹配，并加强维护层和基底的附着力。原子氧资料.摩擦和光滑部件的维护：最近研讨阐明，WS2具有优良的光滑性能，而且其耐氧化性能比MoS2的好。还可经过改良堆积方法和薄膜组分，以及经过各种能量离子该善薄膜构造与界面构造来提高空间光滑薄膜的性能。以陶瓷为基材的抗原子氧资料将取代原子氧敏感性的光滑剂，也将是一种开展趋势。原子氧资料.热控资料的维护：用等离子溅射将In2O3堆积构成导电膜，此膜既可防护原子氧攻击，也可防止资料静电荷的积累当荷电位到达一定值时，就会发生击穿而放电，放电脉冲进入电子系统时呵斥航天器缺点。有机热控涂

11、层柔软性好，耐高低温冲击，工艺性能好，是不可替代的空间热控资料。在各类有机热控涂层中，有机硅涂层耐真空紫外辐照才干和抗原子氧侵蚀才干最强，是空间飞行器外表较理想的热控涂层。原子氧资料.光学资料的维护：一切的金属镜都需维护，最常采用的维护层是SiO2和Al203。复合防护膜不仅可防止原子氧侵蚀，还能改善镜的反射才干，用SiO2+TiO2结合维护铑镜，就可到达上述双重效果。原子氧资料.太阳电池阵的维护： 金属和有机涂层用来作银互连片的维护层，实验证明Al、Au、Pa镀膜下适宜对银互连片进展维护。普通地，金属镀层都有缺陷，一旦原子氧经过缺陷，与银接触，银的氧化物就开场构成，氧化的银层就会零落，显露新

12、外表银那么又被氧剥蚀，这样周而复始，银互连片的完好性就会遭到破坏，将失去导电作用。原子氧资料-END.空间碎片：根据航天器所在轨道和部位，进展空间碎片对资料的影响评价。抗老化：用于长期载人航天器的橡胶和合成橡胶应进展抗老化、低温、臭氧、加热老化等评价。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。.常用资料规范电极电位材料电极电位(V)材料电极电位(V)材料电极电位(V)Li-3.045Mg-2.363Be-1.847Al-1.662Ti-1.628Zn-0.763Fe-0.440C-0.277Ni-0.

13、250Sn+0.150Cu+0.153Ag+0.854Pb+1.610Au+1.682.腐蚀：应思索资料整个寿命周期储存、运输、发射等所经受的腐蚀及其耐腐蚀性。应力腐蚀：用于构造资料时，应选择具有耐应力腐蚀的资料。.由拉应力和腐蚀介质结协作用而引起的低应力脆性断裂称为应力腐蚀。不论是韧性资料还是脆性资料都能够产生应力腐蚀断裂。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呵斥的，而是在应力和化学介质的结协作用下，按特有机理产生的断裂。其断裂抗力比单个要素分别作用后再叠加起来的要低很多。应力腐蚀资料.应力腐蚀产生的条件只需在拉伸应力作用下才干引起应力腐蚀开裂。这

14、种拉应力可以是外加载荷呵斥的应力，也可以是各种剩余应力，如焊接剩余应力，热处置剩余应力和装配应力等。普通情况下，产生应力腐蚀时的拉应力都很低，假设没有腐蚀介质的结协作用，机件可以在该应力下长期任务而不产生断裂。应力腐蚀资料.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，这种腐蚀介质普通都很弱，假设没有拉应力的同时作用，资料在这种介质中腐蚀速度很慢。产生应力腐蚀的介质普通都是特定的，也就是说，每种资料只对某些介质敏感，而这种介质对其它资料能够没有明显作用，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，但反响过来不锈钢对氨气，黄铜对氯离子就不敏感。应力腐蚀资料.应力

15、腐蚀产生的条件普通只需合金才产生应力腐蚀,纯金属不会产生这种景象。合金也只需在拉伸应力与特定腐蚀介质结协作用下才会产生应力腐蚀断裂。应力腐蚀资料.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实验时氯离子的含量有很严厉的要求。应力腐蚀资料.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，氨溶液铝合金：湿空气，NaC

16、l水溶液，海水，工业大气，海洋大气应力腐蚀资料-END.Aluminium alloys with high resistance to stresscorrosion crackingWroughtCastAlloyConditionAlloyCondition1000 seriesAll355.0, C355.0T62011T8356.0, A356.0All2024, rod barT8357.0All2219T6, T8B358.0 (Tens50)All(E) 2419T8359.0All(E) 2618T6, T8380.0, A380.0As cast3000 seriesAll

17、514.0 (214)As cast5000 seriesAll518.0 (218)As cast6000 seriesAll535.0 (Almag 35)As cast(E) 7020T6A712.0, C712.0As cast7049T737149T737050T737075T737475T73.Aluminium alloys with moderate resistance to stresscorrosion crackingWroughtCastAlloyConditionAlloyCondition2024 rod, bar, extrusionT6, T62319.0,

18、A319.0As cast2024 plate, extrusionsT8333.0, A333.0As cast2124 plateT82048 plateT84032T65083All 35086All 35456All 37001T75, T76(E) 7010T7367049T767050T736,T767075T767175T736,T767475T767178T76Russian Al-Li 1420 and 1421soln. treat + age.Steel Alloyswith low resistance to stresscorrosion crackingSteel

19、AlloyConditionCarbon steel (1000 series)Above 1 370 MPaLowalloy steel (4130, 4340, etc.)Above 1 370 MPa(E) D6AC, H-11 steelAbove 1 450 MPastainless steelAll18 Ni Maraging steel, 200 gradeAged at 900 F18 Ni Maraging steel, 250 gradeAged at 900 F18 Ni Maraging steel, 300 gradeAged at 900 F18 Ni Maragi

20、ng steel, 350 gradeAged at 900 FAM 350 stainless steelBelow SCT 1000AM 355 stainless steelBelow SCT 1000Custom 455 stainless steelBelow H1000PH 15-7 Mo stainless steelAll except CH90017-7 PH stainless steelAll except CH900 KovarAll.Aluminium Alloyswith low resistance to stresscorrosion crackingAlumi

21、nium Alloys-WroughtAluminium Alloys-CastAlloyConditionAlloyCondition2011T3, T4295.0 (195)T62014AllB295.0 (B195)T62017All520.0 (220)T42024T3, T4707.0 (607, tern-alloy 7)T62024 ForgingsT6, T62, T8D712.0 (D612,40E)As cast2024 PlateT62(E) Al-Li 2080T8(E) 2618T3, T47001T67005All(E) 7020Weldments7039All70

22、75T67175T67079T67178T67475T6(E) Al-Li 8090All(E) BS L93T6(E) Russian Al-Li 1441 and 1460All.Copper Alloyswith low resistance to stresscorrosion crackingCopper alloys CDA no.1Condition (% cold rolled)226050353504434067250, annealed68710, 40762A, 25, 507663877038, 50, annealed782501.Copper Development

23、 Association alloy number.2.Rating based on listed conditions only.Magnesium Alloyswith low resistance to stresscorrosion crackingMagnesium AlloyConditionAZ61A All AZ80AAllWE54(Y-Nd-Gd-Zr,使用温度可达300度,抗拉强度达到280 MPa、屈服强度205 MPa、伸长率为4.0%)AllZCM711(镁基碳化硅复合材料)All.用一种复杂的方案来满足设计目的，会带来本钱的大幅度添加。普通来说，假设设计超越了功能

24、要求，就会添加分量、增大制造本钱，并添加可靠性、可获得性、维修性所需的费用。一个复杂的设计，由于添加了制造和装配本钱，因此需求添加研制费用，延伸研制周期。2.2 设计的简化.零件构造要素必需符合规范规定。如：螺纹、花键、齿轮、中心孔、空刀槽等的构造和尺寸都应符合国家规范规定。尽量采用规范件和通用件。规范件和通用件在产品中所占的比例是评定产品设计规范化程度的一个重要目的。采用规范件、通用件，不仅可以简化设计，防止反复的设计任务，而且可以降低产品制造本钱，产品消费周期也短。 如：非标螺栓，自制本钱远高于规范件，由于加工方法的差别，质量和性能也低于规范件机械设计简化措施.两种键槽构造外形-例如图a所

25、示键槽外形只能用消费率较低的键槽铣刀加工图b所示构培育能用消费率较高的三面刃铣刀加工。被加工外表外形应尽量简单 .图b所示构造比图a所示构造加工面积小，工艺性好。气缸套任务外表构造-例如尽量减少加工面积 .图b、图c所示构造不但省料而且消费效率高,它的工艺性就优于图a所示构造。箱体零件耳座构造-例如尽量减少加工面积 .零件螺孔构造设计-例如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。假设设计允许，宜将螺孔改成图左上角的构造。尽量减少加工过程的装夹次数 .仅在很少情况下，才会只需一种资料或一种制造方法，可以满足设计目的要求。多数情况是几种资料或几种方法都可以消费出合格的产

26、品。确定可替代的资料和方法可以预防因短少可用资料和方法而呵斥消费薄弱环节，因此能极大的提高产品的消费性。资料、容差、弯曲半径等对选择制造方法均有直接影响。这些要素是非常重要的消费性要素。2.3 消费方法可交换性.不用要的过高的规定容差和外表粗糙度，对消费性会产生很坏的影响。假设容差和外表粗糙度规定过高，就会需求更多特殊的和昂贵的制造工序。随着容差和外表粗糙度要求的提高，制造过程需求的劳动量和工人的技艺程度会显著提高。好的消费性只需求规定到对设计目的来说是绝对必要的质量规范的下限。2.4 容差要求.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胜利消费至关重

27、要的。不清楚或含混的设计资料，好像一切不准确的资料一样，对消费性都是有害的。2.5 技术资料.3 消费规划的要素a. 消费率和产量消费规划中的消费率和方案产量，是用以衡量和配备组装和总装所需的工艺配备和设备的决议性准那么。错误的判别将会如滚雪球一样在时间和金钱上呵斥宏大损失，或者呵斥产能缺乏和消费周期的延后。例如：消费线建立，消费单元建立.b. 工艺配备工艺配备是指为了完成特定产品，能使某些通用机床设备顺应特种用途的要求，而设计制造的一套或一系列辅助配备。工艺配备既可以提高生效率，也可以在低消费率时提高产质量量和消费的稳定性。工艺配备的质量和费用，与消费率成正比。工艺配备对设备才干影响很大，同

28、时对消费性有严重影响。.c. 人力对任何消费规划，掌握一定的专项劳动技艺是至关重要的。对于一些特定产品，特别是对于航天器研制产品而言，操作者的劳动技艺程度，是实现产品工艺的必要保证。d. 设备当一些独特的设备是可以消费某产品的独一设备时，这些设备的可获得性对该产品的消费性就是极为重要的。.e. 资料的可获得性资料的可获得性对胜利的消费的任何产品，都是一个很关键的要素。资料的交付期，能否与安排的消费方案相吻合，是确定消费性的一个要素。好的消费性规划，即使没有规定适当的替代资料，也要保证资料不成为关键，且资料对地域不敏感。.4 消费和检验要求a. 高消费率的消费和检验一项产品进展高生率消费的设计，

29、必需在构型、尺寸和容差方面，与高消费率消费方法相一致。并不是任何资料都适用于高生率消费方法，因此，必需留意确保所选择的资料，既能满足高消费率消费，又能满足设计目的所要求的性能。(钣金成形、超塑热成形)在规划消费时，思索与消费率相顺应的检验方法，对消费性也是极为重要的。复材自动化.b. 低消费率的消费和检验在高消费率消费中，消费费用可以在大量零件上摊销，这为改良消费性提供了很多时机。但由于低消费率消费具有劳动密集的特点，同时消费性改良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。而此时产量添加时，本钱降低的趋势反而减少。一方面由于在这种消费程度下，大部分检验任务

30、都是手工完成的。另一方面，数控加工更多的是工序集中，不太适宜批量消费。设计师应尽量防止那些只能用专门研制的检验方法才干检测的特殊质量要求。.5 本钱和时间要求a. 最低本钱为使设计具有好的消费性，普通要对零部件和制造方法加以简化和规范化。一个系统的费用中包含大量要求如：可靠性、维修性、平安性等的费用，这些要求交错在一同，对总的研制费用影响很大，这些都是设计消费性所要思索的。.a. 最短时间一个设计可以满足性能特性，并能本钱很低，但却不能在规定的时间内提交运用，这种设计也是没有消费性的。保证所需的资料、人力、制造方法、检测手段等均可以得到，才干保证产品能在最短的时间内送到用户手中。.6 质量和性

31、能要求在为获得消费性各要素的过程中，最根本的是不能为了获得最正确的消费性要素，而与设计性能目的产生矛盾或有不利影响。消费性的目的应是：一项设计不仅能符合性能目的，同时也能以最经济的方法进展消费。.7 消费性和研制阶段不同的工程，根据其工程规模艰苦工程或其他工程，决议消费性思索的深度。一个工程的不同研制阶段，消费性思索的内容和深度也不同，消费性要与各研制阶段任务亲密结合起来。. 阶段内容方案阶段初样阶段正样阶段定型阶段生产性活动关键材料风险分析制造工艺生产规划制造技术的可获得性风险分析构件标准化周期与费用生产规划评价材料评价工艺评价检查和试验评估计划和费用保证生产准备生产性规划评价新材料和新工艺

32、分析设计更改分析生产性改变分析替换项目验证生产性支持手段制造工程设计工程材料工程制造工程设计工程方法工程工装工程质量工程制造工程设计工程生产工程规划工程方法工程工装工程质量工程材料工程制造工程设计工程.7.1 方案阶段方案阶段要对消费性进展初步估计，主要是对如今的和估计中的工艺可行性和消费才干进展评价。把现有工艺技术程度和需求开展的工艺技术区别开来，明确重点和措施。主要任务如下：可替代的制造方法和装配方法；可替代的机床才干；在制造技术、检测实验、质量、本钱和进度等方面的需求与可获得性；关键资料情况及预测；风险评价和处理风险的措施和保证条件。.7.2 初样阶段初样阶段的重点是设计验证，此时的消费

33、性思索与方案阶段相比，范围缩窄，而工程增多。主要任务如下：确保所用制造工艺是可得到的或有充分方案的；不断改良消费可行性及风险分析；当设计进入详细设计时，按性能要求和设计约束条件，评定设计消费性；对零部件和资料进展最大程度的规范化；对关键消费方法、工艺配备、实验设备等进展评价；关注那些早期可以发现的艰苦消费性要素，如：关键资料、工艺配备、制造方法和过程、设备等。.7.3 正样阶段正样阶段一切消费设备和支持设备必需完好，并证明可以完成义务。在此阶段，消费性的一个重要方面是找出产品的全部关键特性，优化消费流程，改良检测和实验程序。.7.4 定型阶段定型阶段并不意味着消费性任务的终了，需求设计和消费协同任务改良消费性，特别是对研制周期长、质量不稳定的工程。虽然此时的消费性影