復(fù)合材料熱壓罐固化工藝零件制造生產(chǎn)效率及產(chǎn)能提升研究與實(shí)踐

肖棟

摘要：復(fù)合材料是運(yùn)用先進(jìn)的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料，但是其高昂的成本及其所需的復(fù)雜工藝使得其生產(chǎn)過程中的效率及產(chǎn)能成為一個重要的因素，而且不同工序的不確定性依然是一個難以跨越的難題。本文主要介紹了復(fù)合材料在制造過程中的各種不確定因素，并探討了相應(yīng)的優(yōu)化措施，旨在優(yōu)化排產(chǎn)，控制不確定因素，從而提升制造產(chǎn)能。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；產(chǎn)能提升；熱壓罐固化工藝；5G技術(shù)；精益生產(chǎn)

一、整理制造過程中的不確定因素

復(fù)合材料熱壓罐固化工藝的零件制造過程大致分為以下工序：預(yù)浸料準(zhǔn)備、預(yù)浸料切割、模具準(zhǔn)備、鋪貼、固化、機(jī)械加工。每道工序都可能因?yàn)楦鞣N不確定因素拉低生產(chǎn)效率。

（一）材料準(zhǔn)備

預(yù)浸料通常儲存在為-18℃以下的環(huán)境中，在運(yùn)輸及解凍時，如果暴露于超過溫度范圍的環(huán)境中，則需要計(jì)算額外扣除暴露壽命，不但會造成成本增加，而且會給正常排產(chǎn)造成困擾。

（二）材料切割

預(yù)浸料完全解凍后方可進(jìn)行裁切。選擇自動化設(shè)備裁切需要準(zhǔn)備好自動化程序，選擇手工裁切則需要付出更多的時間和人力成本。每片料片通常有不同的纖維方向要求，對于固定幅寬的預(yù)浸料卷而言，需要合理排版，以獲得更高的材料利用率。

（三）模具準(zhǔn)備

模具是復(fù)合材料零件成型的重要依托。無論是平板型零件還是曲面型零件，都需要合適的成型模具。

1.模具的型面特征

復(fù)合材料零件的成型模具，需要根據(jù)零件外形來定制，并通過氣密、熱分布等測試后方能投入使用。

2.模具的型面質(zhì)量

模具的型面質(zhì)量直接決定著零件表面質(zhì)量的好壞。型面質(zhì)量容易受到環(huán)境因素影響。不良的環(huán)境會造成模具出現(xiàn)銹蝕、凹陷、彎折等損傷。良好的存放管理及有效的維護(hù)保養(yǎng)對零件順利生產(chǎn)十分重要。

（四）鋪貼

鋪貼工序作為復(fù)合材料熱壓罐固化工藝的核心工序，對零件生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量都起到至關(guān)重要的作用。除工藝方法以外，主要分為環(huán)境因素、材料因素、人為因素、設(shè)備因素等。

1.環(huán)境因素

預(yù)浸料的鋪貼需要在控制溫濕度等條件的潔凈間內(nèi)進(jìn)行，這些條件會直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。

2.材料因素

在切割完的預(yù)浸料片中，有一定概率存在缺陷。一旦出現(xiàn)，就必須重新解凍、裁切，以替換問題料片，對正常排產(chǎn)造成干擾。

3.人為因素

人為因素在任何生產(chǎn)制造過程中都無法避免。預(yù)浸料鋪貼中，對多余物的控制是最為重要也最困難的一部分。

4.設(shè)備因素

隨著科技的發(fā)展，鋪貼已逐步走向自動化路線。自動鋪貼雖然提高了操作效率，但是對操作人員專業(yè)水平以及責(zé)任感的要求也更高。

（五）零件固化

熱壓罐固化是預(yù)浸料鋪貼后的最終成型工序。將鋪貼成型的預(yù)浸料，經(jīng)過特定的高溫高壓，成型為堅(jiān)固的復(fù)合材料零件。這道工序?qū)χ普婵沾馁|(zhì)量要求很高，漏袋、破袋等會造成零件出現(xiàn)不可逆的損傷。另外，同一罐內(nèi)盡量拼入更多的零件，也是一個重要的提升產(chǎn)能、節(jié)流開支的途徑。

（六）機(jī)械加工

固化后的復(fù)合材料零件還需要進(jìn)行機(jī)械加工，以達(dá)到最終外形尺寸。機(jī)械加工的成敗主要取決于數(shù)控編程、零件裝夾、工人操作等因素。此時的零件已經(jīng)固化，一旦加工失誤，修補(bǔ)方法復(fù)雜，成本也很高，甚至無法修補(bǔ)。好的機(jī)械加工，目標(biāo)應(yīng)是提前排除影響因素，一次做好。

二、優(yōu)化排產(chǎn)，在生產(chǎn)前期規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

（一）生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)現(xiàn)場管理改善

1.根據(jù)零件的緊急程度，合理安排好初步生產(chǎn)計(jì)劃

要做好生產(chǎn)月度計(jì)劃的編制、實(shí)施和管控流程，首先應(yīng)使生產(chǎn)計(jì)劃清晰準(zhǔn)確，計(jì)劃、進(jìn)度、操作流程、現(xiàn)場問題等因素應(yīng)匯總形成圖表，直觀呈現(xiàn)計(jì)劃進(jìn)度及其影響因素。將各個項(xiàng)目計(jì)劃先拆分后排列，解決不同產(chǎn)品相同生產(chǎn)工序難度不同、進(jìn)度不同的問題，縮短產(chǎn)品整體完成周期。

2.將產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)度放在首位，優(yōu)化流程、提高效率

生產(chǎn)現(xiàn)場是各種生產(chǎn)要素的集合，是班組各項(xiàng)管理功能的“聚焦點(diǎn)”，班組所有的生產(chǎn)落實(shí)、計(jì)劃實(shí)施、任務(wù)完成，全部依托生產(chǎn)現(xiàn)場。 生產(chǎn)現(xiàn)場，既包括生產(chǎn)一線各基本生產(chǎn)車間的作業(yè)場所，又包括輔助生產(chǎn)部門的作業(yè)場所，如庫房、實(shí)驗(yàn)室和鍋爐房等。通過實(shí)施各類現(xiàn)場管理手段，可以提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低事故發(fā)生率，提升生產(chǎn)效率。

表2? 管理優(yōu)化舉例

[手段 效果 質(zhì)量看板 生產(chǎn)過程、質(zhì)量問題可視化 安全記錄 定期檢查，提升現(xiàn)場安全性 行跡管理 防止物品丟失、縮短尋找時間 一流環(huán)境建設(shè) 工作環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化、縮短尋找時間 ...... ]

（二）做好產(chǎn)前配套

“兵馬未動，糧草先行”。配套工作是復(fù)合材料制造過程中重要的前提條件和必備要素。復(fù)材零件產(chǎn)前配套工作周期長、資源種類多，對數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性、及時性均有嚴(yán)格要求。想要提升配套效率，降低生產(chǎn)成本，就需要在排產(chǎn)時對是否符合生產(chǎn)條件進(jìn)行嚴(yán)格核實(shí)，同時在執(zhí)行時嚴(yán)格把握時間，謹(jǐn)防配套準(zhǔn)備失去時效性。通過可視化管理，可以有效避免生產(chǎn)過程停滯，大大提高產(chǎn)能。

三、減少不確定因素，提升復(fù)合材料的制造產(chǎn)能及生產(chǎn)效率

減少復(fù)合材料制造過程中的各道工序的不確定因素，需要通過日積月累的工作實(shí)踐積攢經(jīng)驗(yàn)。

（一）材料管控

低溫預(yù)浸料在運(yùn)輸和儲存過程中，存在超溫或者受潮的風(fēng)險(xiǎn)，需要使用有效的過程記錄手段，嚴(yán)格控制低溫預(yù)浸料的儲存環(huán)境，實(shí)時監(jiān)控及追溯其合格性，管控好材料性能，保證成型后復(fù)合材料零件合格。

（二）模具

需要建立可控的儲存環(huán)境，分項(xiàng)目、分構(gòu)型、分種類、分材質(zhì)、分用途管理各類工裝，加大前期基礎(chǔ)建設(shè)投入和時間投入，減少后期管理成本。做好模具庫房賬目，做好三號定位，減少出入庫時間。定時檢查實(shí)物狀態(tài)，及時返修異常，以杜絕臨時發(fā)現(xiàn)異常臨時處理的情況。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，好的模具管理工作可節(jié)約至少30%的準(zhǔn)備時間。

（三）鋪貼

鋪貼是復(fù)合材料制造的核心工序。手工鋪貼效能尤其受操作人員技能水平影響。制定標(biāo)準(zhǔn)操作作業(yè)法，要求每一個操作人員做到現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)化、流程標(biāo)準(zhǔn)化，節(jié)拍流水標(biāo)準(zhǔn)化，杜絕跳工序、代簽字等現(xiàn)象發(fā)生，做到上下道工序無縫銜接，發(fā)揮人員優(yōu)勢，通過管理手段實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率提升。

同時，根據(jù)理論知識和實(shí)踐能力，可對組員進(jìn)行綜合評定，做好本專業(yè)鋪貼工作，在任務(wù)分配時劃定交叉區(qū)域，參與不同鋪貼工作，確保手工技術(shù)雙提升。

（四）零件固化

“超正壓”現(xiàn)象在復(fù)合材料固化工序中常常出現(xiàn)。它是指真空袋內(nèi)壓力超過上差的異常狀態(tài)，嚴(yán)重影響復(fù)合材料制造的生產(chǎn)效率、零件合格率以及生產(chǎn)成本。針對超正壓問題，本研究梳理了2019年～2020年約600罐的固化信息，通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析并結(jié)合制造工藝流程，從復(fù)合材料零件固化過程中的漏氣和導(dǎo)氣兩方面，采用故障樹分析工具，初步找出了可能的8大方面原因：打袋人員、打袋方法、膩?zhàn)訔l、真空袋、工裝氣密、真空嘴、熱壓罐真空管路通道、透氣氈等。其次，制定嚴(yán)密的試驗(yàn)驗(yàn)證方案，對可能原因進(jìn)行逐一排查，開展試驗(yàn)，對每一次數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行全面透徹的分析并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，定位出超正壓問題的主要原因，在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，通過不同試驗(yàn)方法，重復(fù)進(jìn)行問題復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證，證明問題定位準(zhǔn)確。集思廣益，勇于創(chuàng)新，大膽提出新透氣性材料的應(yīng)用，根據(jù)其高溫高壓下良好的導(dǎo)氣性特征，制定出解決措施，通過定點(diǎn)試驗(yàn)，局部推廣驗(yàn)證了該措施的有效性。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)成員的共同努力，復(fù)合材料零件固化超正壓率由原來的30%左右降低至7%以下，有效解決了一直困擾生產(chǎn)現(xiàn)場的超正壓問題。

（五）機(jī)械加工

復(fù)合材料零件通常具有對機(jī)加邊緣粗糙度水平的要求。我們通過規(guī)定刀具使用壽命、工況匹配等方法，Ra3.2銑削合格率由40%提升至95%。通過使用特制砂輪、改進(jìn)加工夾具，實(shí)現(xiàn)了Ra0.8某型缺口零件的自制。零件銑削加工返工率從60%降低至5%以下。

四、先進(jìn)生產(chǎn)理念的推廣

重技術(shù)、簡流程、易操作、防錯失、杜絕浪費(fèi)是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目研制成功、市場成功、商業(yè)成功的基本要素。強(qiáng)化理念，樹意識，將先進(jìn)文化建設(shè)納入到車間文化建設(shè)中，貫穿到關(guān)鍵崗位人員的思想和工作中，并結(jié)合工作特點(diǎn)，提出了符合現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際的精益文化。

（一）第一階段

重點(diǎn)在于宣貫意識理念和培訓(xùn)方法、工具，打造精益現(xiàn)場，并將精益理念運(yùn)用到生產(chǎn)現(xiàn)場，開展精益課題的研究，優(yōu)化設(shè)備資源。通過制定年度工作計(jì)劃，加強(qiáng)過程跟蹤、階段性收益評價(jià)，對年度總?cè)蝿?wù)進(jìn)行匯總和審核，2021年度各項(xiàng)精益項(xiàng)目收益矚目：①效率提升，各項(xiàng)目全年節(jié)省總工時約合月均工時的1/4。②質(zhì)量提升，人為千工時故障率同比下降3.7%，千工時內(nèi)部報(bào)廢率同比下降60%。③經(jīng)濟(jì)收益提升，總體經(jīng)濟(jì)收益提高25%左右。

（二）第二階段

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)改善，構(gòu)建精益工廠。為保證精益工廠順序推進(jìn)，先后明確落實(shí)了作業(yè)區(qū)、崗位職責(zé)、崗位任務(wù)及KPI目標(biāo)，提高設(shè)備利用率、提高人員出勤工時利用率、轉(zhuǎn)運(yùn)過程合理化、工序設(shè)置合理化等。通過每周各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，調(diào)查研究各項(xiàng)利用率波動原因，提出并落實(shí)利用率提升方案。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，僅設(shè)備利用率一項(xiàng)，就較上一年度年提升約25%。

（三）第三階段

形成精益文化，推動供應(yīng)鏈精益管理。在不影響正常生產(chǎn)秩序的前提下，借助黨建、培訓(xùn)、比賽等途徑，強(qiáng)化精益理念，加深精益制造參與程度，推動精益評價(jià)體系持續(xù)改進(jìn)，做到聯(lián)動和形式的轉(zhuǎn)變，完善職能管理和標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)法，營造精益氛圍。

五、新技術(shù)的運(yùn)用

（一）5G技術(shù)的運(yùn)用

5G技術(shù)走向復(fù)合材料生產(chǎn)運(yùn)用的道路上需要攻克的最大難題是其與復(fù)材生產(chǎn)技術(shù)要求、操作實(shí)際情況和設(shè)備運(yùn)行情況融合。要實(shí)現(xiàn)大型鋪放設(shè)備的近距離監(jiān)控，就得找到無論何時都不會被360度旋轉(zhuǎn)的鋪放頭遮擋的攝像機(jī)位和不會被纏繞的布線方式?？墒窃谠O(shè)計(jì)精巧、零件繁雜的鋪帶機(jī)身上“動手腳”并不容易。攝像機(jī)肯定只能布置在靠近零件鋪貼面的地方，線纜從機(jī)頭頂部一路連下來，要是想不被旋轉(zhuǎn)的機(jī)頭纏繞，不垂墜下來污染裸露的原材料，最好是能像橡皮筋一樣能伸會縮。改造完成的鋪放檢驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)際，它將鋪放質(zhì)量檢查的效率提升到3倍以上，且得益于5G的大帶寬和低延時特性，檢測端精度能夠達(dá)到微米級，且不受距離、空間、檢測操作熟練程度等外部因素的影響，直接就能揪出拼縫超差和鋪放夾雜的問題。檢測數(shù)據(jù)還長期儲存在云端，實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)過程可追溯。

（二）先進(jìn)生產(chǎn)工藝的運(yùn)用

高科技工業(yè)的發(fā)展往往離不開先進(jìn)工藝的運(yùn)用，復(fù)合材料制造同樣如此。復(fù)合材料液體成型技術(shù)是復(fù)材先進(jìn)低成本制造技術(shù)的代表，液體成型技術(shù)研制存在對真空度、溫度及預(yù)成型體精度等都有極高的控制要求。同樣地，先進(jìn)技術(shù)在研制階段充滿著挑戰(zhàn)性，在第一次進(jìn)行高溫注膠試驗(yàn)的時候，溫度升高到140℃，結(jié)果外真空袋壓力突然由-96KPa下降到-80KPa，翻看試驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)前真空度檢驗(yàn)一切正常，更換真空儀表真空度依然穩(wěn)定在-80KPa。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時使用的真空密封膠雖然耐200[℃]高溫，但部分材質(zhì)卻在升溫過程中硬化，結(jié)合另一種密封膠一起使用，再進(jìn)行真空注膠可解決這個問題。

六、結(jié)束語

合理控制復(fù)合材料制造過程中各道工序中的不確定性，推廣先進(jìn)生產(chǎn)理念和運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)，均對提升復(fù)合材料制造的產(chǎn)能及生產(chǎn)效率有顯著作用。但是實(shí)際生產(chǎn)中的問題千差萬別，仍要具體問題具體分析，希望本文所提供的思路可以有所助益。

參考文獻(xiàn)：

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