復合材料鋪層方向制造符合性驗證方法研究

摘 要 近幾年來，隨著復合材料工藝的普遍應用，復合材料制造符合性問題日益凸顯，影響航空裝備質量，特別是國產(chǎn)大飛機制造符合性問題，逐步引起用戶及主制造商重視。一旦復合材料制造過程得不到有效控制，出現(xiàn)工藝過程參數(shù)或結果與規(guī)定的不相符，對產(chǎn)品質量將產(chǎn)生較大影響。本文將結合以往復合材料制造過程中出現(xiàn)的質量問題，針對復合材料鋪層方向錯誤質量問題開展調查分析，研究其制造符合性的驗證方法，以便準確識別故障產(chǎn)品范圍，分析根本原因并制定改進措施，控制質量成本損失。

關鍵詞 質量問題調查；符合性驗證；光學顯微鏡；熱揭層試驗

Research on Verification Method of Manufacturing

Conformance in the Layering Direction of

Composite Materials

LIU Pingyang

（Harbin Aviation Industry Group， Harbin 150066）

ABSTRACT In the recent years， with the widespread application of composite technology， the problem of composite material manufacturing conformity has become increasingly prominent， which affects the quality of aviation equipment ，especially the problem of domestic large aircraft manufacturing conformity ，and gradually attracts the attention of users and main manufactures. Once the composite material manufacturing process is not effectively controlled， the process parameters or results are inconsistent with the regulations， which will have a greater impact on product quality. This paper will combine the quality problems in the past composite manufacturing process， analyze the quality problem of the wrong direction of the composite material layup， and study the verification method of its manufacturing conformance， in order to accurately identify the scope of the fault product， analyze the root cause and make the corrective action， control the quality cost loss.

KEYWORDS quality problem investigation; conformity verification; optical microscopy; heat stripping test

通訊作者：劉萍洋，女，研究生，高級工程師。研究方向為質量管理。 E-mail： liupingyang@avic.com

1 引言

復合材料用作航空結構材料近年來在國內外取得了人所共知的快速發(fā)展。以航空而言，國外軍用飛機復合材料站全機結構質量已達到約50%的水平，直升機、無人機、通用飛機則已達到80%～90%的水平。國內雖有差距，但近年來也有了長足的進步，復合材料結構質量已達到結構總質量的40%以上。盡管復合材料仍存在著成本高、產(chǎn)品成型自動化程度低等問題，但是，隨著人類社會對航空更高力學性能及減重要求的增加，復合材料在航空工業(yè)上的應用將會有更大的發(fā)展。

隨著復合材料工藝的普遍應用，復合材料制造符合性問題日益凸顯，影響航空裝備質量，特別是國產(chǎn)大飛機制造符合性問題，逐步引起用戶及主制造商重視。復合材料制造屬于特殊過程，其輸出結果在后續(xù)的檢驗或試驗中不易或不能經(jīng)濟地被驗證，只能通過破壞性檢測驗證其結果，其問題或缺陷在產(chǎn)品投入使用后或服務交付后才會被發(fā)現(xiàn)。一旦復合材料制造過程得不到有效控制，出現(xiàn)工藝過程參數(shù)或結果與規(guī)定的不相符，對產(chǎn)品質量將產(chǎn)生較大影響。

鋪層過程是復合材料制造過程中的重要環(huán)節(jié)，需要進行過程管控，確保各項參數(shù)滿足設計和工藝要求，一旦鋪層方向錯誤，將影響強度值，進而不能滿足產(chǎn)品預期要求。因此，有必要對鋪層方向符合性驗證方法進行研究，尋求最為高效、準確的驗證方法，識別產(chǎn)品影響范圍，有針對性的制定改進措施，避免不合格產(chǎn)品在投入使用后或服務交付后被發(fā)現(xiàn)，造成更為嚴重的質量損失，影響公司信譽。本文將結合以往復合材料鋪層方向錯誤質量問題進行分析，研究其制造符合性的驗證方法，以便準確識別故障產(chǎn)品范圍，控制質量成本損失。

2 問題調查與分析

由于纖維取向不同，鋪層順序不同等都會造成制品強度差異很大，影響產(chǎn)品性能，針對復合材料鋪層錯誤問題進行了調查分析。

2.1 問題描述

用于設計許用值試驗的復合材料試片在切割過程中發(fā)現(xiàn)，部分試驗件纖維方向錯誤，貼膜面第一層鋪層纖維方向應為為±45°，實際為0/90°，鋪層纖維方向錯誤。

鋪層方向對層合板力學性能影響較大，其中以45°作為最外層的層合板力學性能最佳。因此，試片鋪層方向錯誤將影響試驗結果，導致試驗失效。

2.2 調查過程

當出現(xiàn)任何不合格時，應對不合格造成的后果進行處理，以減少損失、風險和影響，如對已放行產(chǎn)品和服務的追回，對已造成顧客抱怨或投訴進行處理等。要采取糾正措施消除產(chǎn)生不合格的原因，在實施任何糾正措施前，組織應針對已發(fā)生的不合格狀態(tài)進行調查，分析判斷不合格的性質及其影響。通常不合格調查包括以下內容：

（1）問題的范圍。

（2）問題影響了哪些方面，確定受問題影響的因素。

（3）對組織、顧客及其他相關方的實際影響有哪些。

鋪層質量問題調查過程中可以分別從人、機、料、法、環(huán)、測六個方面進行確認以上內容。

（1）人員：核查操作人員和檢驗人員是否經(jīng)過崗位專業(yè)技能培訓，通過崗位專業(yè)技能考核，取得相應的崗位操作證且在有效期內，必要時持有等級資格證書；

（2）設備：試片制造過程采用手工鋪層，不涉及設備；

（3）材料：復查制造指令，確定實際使用預浸料的材料符合文件要求；

（4）方法：工藝文件應符合上層文件要求，對工藝參數(shù)的控制方法、檢驗方法等應有具體的規(guī)定，明確質量控制條款，詳細規(guī)定人員資質、材料、設備、工裝、儀器、儀表要求，工藝過程、方法、參數(shù)以及操作程序具體內容，檢驗檢測方法、環(huán)境和安全等具體規(guī)定，確保文件的充分性、適宜性及可操作性。工藝文件變更應滿足設計及標準化要求。對于民航受控文件的更改，應按規(guī)定呈報中國民用航空局（CAAC）批準。對顧客有要求控制的文件，應提交顧客代表審簽。

（5）環(huán)境：在CCA內實施鋪層工序，無環(huán)境變化。

（6）檢測：檢驗人員應按現(xiàn)行有效的工藝文件對各工序進行過程跟蹤、監(jiān)督和檢查，監(jiān)督檢查工藝規(guī)程的執(zhí)行情況和原始記錄的記錄情況，按要求開展檢測、化驗、分析試驗等，確認操作人員的操作過程符合工藝文件的規(guī)定。檢測方法應符合工藝文件及相關標準的要求。

經(jīng)調查分析，試驗件制造工序為：“蒙皮-膠膜-蜂窩-膠膜-蒙皮”。在膠膜未到車間的情況下，操作者利用操作臺，提前分別實施了上、下蒙皮預浸布的鋪貼。待膠膜準備好后，再將蒙皮轉移到平板工裝上，按“蒙皮-膠膜-蜂窩-膠膜-蒙皮”的總體順序完成試板鋪貼。由于預浸布為同一種材料，形成蒙皮后外部仍帶有保護膜，且多人集體操作，在轉移到平板工裝過程中，操作者對于蒙皮的正反方向、蒙皮上下位置等的判別存在疏漏，檢驗員通過目視檢查來判斷鋪層符合性，過程把關不嚴，存在錯漏檢情況，導致部分試板的預浸料纖維方向顛倒。

3 鋪層方向符合性驗證方法研究

質量問題解決的第一項是確認問題，只有充分的認識問題，識別問題影響范圍，才能確保措施有效性。因此，在切割后發(fā)現(xiàn)部分試片鋪層方向錯誤后，需對所有試驗件的制造符合性進行驗證，確定影響范圍，對鋪層錯誤試片進行補制。針對鋪層方向問題，分別采用打磨、光學顯微試驗及熱揭層試驗方法進行符合性驗證。

3.1 打磨方法研究

3.1.1 符合性驗證方案

采用砂紙打磨第一層鋪層，通過第一層與第二層纖維對比，識別第二層鋪層的纖維方向，確認纖維方向符合性。但繼續(xù)打磨第二層鋪層，對比第二層與第三層鋪層的纖維方向，則層與層之間界面不清晰，纖維方向不易識別，因此打磨法雖然操作方法簡單，但僅適用于2～3層鋪層零件。第二層纖維方向如圖1所示。

3.1.2 小結

打磨方法僅適用于3層以下鋪層的零件，對于較多鋪層零件，通過打磨方式不能清晰識別各層纖維方向，且打磨周期較長，效率低。

3.2 光學顯微試驗方法研究

3.2.1 試驗原理

采用光學顯微鏡對表面纖維形貌及內部缺陷進行識別分析。光學顯微鏡的基本原理是利用光學原理將微小物體放大成像的光學儀器，取與纖維軸向垂直的截面作為試樣，進行磨制、拋光后利用光學顯微鏡將試樣放大到足以觀察的程度，來判斷試樣截面纖維方向。

3.2.2 符合性驗證方案

采用磨拋機打磨試件，先用粗砂紙粗磨，再用細砂紙進行磨制。每換一道工序都需要用流動的水將試樣沖洗干凈。拋光過程中盡量多去除試樣的尖角、飛邊，防止試樣在拋光時飛出及損傷拋光布。拋光后試樣在流動的水下沖洗干凈，吹干后方可進行觀察。

采用金相顯微鏡觀察截面，調節(jié)瞳間距，用雙手握住雙目筒組件，通過目鏡觀察，調節(jié)雙目視場，直到左右視場完全重合圖像清晰。將倍數(shù)調到所需放大倍數(shù)，使用調焦旋鈕對樣品精確聚焦。待成像清晰后，通過目鏡進行觀察、分析、測量等。試驗過程中可將顯微倍數(shù)分別設置為100、200、500、1000倍，以識別截面纖維方向。

3.2.3 小結

受復合材料表面粗糙度及放大倍數(shù)影響，通過放大截面無法準確識別鋪層纖維方向，此種方法適用于孔隙率檢測。

3.3 熱揭層試驗方法研究

3.3.1 試驗原理

復合材料熱揭層試驗是一種有損檢測方法，利用樹脂高溫下的熱解特性，使樹脂基復合材料層間分離，觀察復合材料層間形貌。

熱揭層是基于樹脂熱解特性發(fā)展的一種試驗方法。復合材料基體樹脂固化成型后在一定的溫度下能夠熱解，產(chǎn)生一部分低分子量的氣體物質而揮發(fā)出去，大部分的低分子聚合物依然留在了原來的位置，保留各鋪層的完整性，使得層板各層之間分離，通過人工揭開，可以觀察到層板界面損傷和缺陷形貌，同時可清楚識別纖維方向。

3.3.2 符合性驗證方案

在試驗件上沿試驗件長度方向取樣，試樣面積不要太小，太小熱解時容易松散不利于揭層；也不宜太大，太大試驗的中間區(qū)域樹脂熱解不充分，層級不能充分分離，揭層時容易破壞表面形貌，造成試驗失敗。為保證試驗效果，提高試驗效率，通過多次試驗，確定取樣尺寸為30mm×20mm，保持試樣的長度方向與試驗件長度方向一致，并及時在試樣上進行序號標記，保證試樣標記的可追溯性，具體驗證方案如下：

（1）在取樣試塊的上、下表面分別做好序號和相應表面的標識。

（2）采用熱揭層試驗方法驗證鋪層方向，熱揭層試驗成敗的關鍵在于熱解溫度及保溫時間的選擇。熱解溫度和保溫時間取決于基體樹脂的型號、層板的厚度以及固化工藝等因素，很難給出一個通用的標準的熱解溫度和保溫時間，因此在進行熱揭層試驗前應用相同層板的邊角余料進行探索，確定參數(shù)后再開展驗證。厚度的變化影響熱揭層的工藝參數(shù)，隨面積和厚度的增大，熱解溫度和保溫時間也需相應增加。經(jīng)試驗，選擇設定參數(shù)：400℃，2小時。燒制完成后，試樣表面層完整，纖維不松散，局部出現(xiàn)須狀，從截面看，各層之間自然分離，層間微微張開，每個單層保存完整。試樣熱解冷卻后用鑷子逐層進行剝離，目視檢查鋪層纖維方向。

（3）試驗件進行熱揭層試驗時，及時進行標識轉移，保證標記的可追溯性，逐層剝離并拍照。在進行拍照時要做好試驗件編號、上下表面、每層鋪層序號和理論方向的標識，并做好符合性記錄。

（4）將各層鋪層方向與工藝規(guī)程中規(guī)定的鋪層方向進行比對，確認試片鋪層符合性。

3.3.3 小結

通過試驗確定熱揭層試驗的熱解溫度和保溫時間，燒制完成后可準確識別復合材料鋪層纖維方向。

4 根本原因分析及糾正措施

4.1 根本原因分析

常用的根本原因分析方法有因果圖（魚刺圖）、5WHY法、FMEA分析等，也可以將問題原因分兩種：發(fā)生端和流出端原因。在使用5WHY法的過程中，可分別從這兩方面進行分析。發(fā)生端即從“制造”的角度，思考為什么會發(fā)生；流出端包括：從“檢驗”的角度、從“體系”“流程”的角度，思考為什么沒發(fā)現(xiàn)，為什么沒有從系統(tǒng)上預防事故。

復合材料鋪層錯誤問題的發(fā)生端是操作過程，流出端分別為檢驗過程和車間質量管理體系，從這兩個方面分析問題的根本原因為：

操作者、檢驗員對產(chǎn)品制造過程的質量管控意識不強。操作者未按工藝規(guī)程給出的“逐層鋪貼”順序要求進行試板鋪層；檢驗員對制造過程質量監(jiān)控不到位，存在錯漏檢問題；管理上沒有識別存在的風險，未采取有效的控制措施。

人員操作、工藝方法對產(chǎn)品質量的影響最為直接，變化因素也最為復雜，根據(jù)產(chǎn)品結構特點和驗收技術條件要求，策劃、制定合理的工藝方法，嚴格管控人員操作，是復合材料產(chǎn)品質量好壞的關鍵。

4.2 糾正措施

糾正措施是為消除已發(fā)現(xiàn)不符合或其他不期望情況的原因所采取的措施，通過該措施的實施，可防止同類不符合的再次發(fā)生。糾正措施分為兩種：應對問題表面原因的立即措施和根本原因糾正措施。

4.2.1 立即糾正

立即糾正為消除已發(fā)現(xiàn)的不符合所采取的措施，復合材料鋪層方向錯誤問題的立即糾正為對存在問題的試驗件按設計要求進行補制。

4.2.2 根本原因糾正措施

糾正措施必須與產(chǎn)生原因相對應。組織應評審所采取的糾正措施的有效性，確認其是否達到了消除不合格的原因并防止再發(fā)生或在其他場合發(fā)生的預期目的。

4.2.2.1 細化工藝規(guī)程編制

針對鋪層方向問題增加防差錯設計，合理增加操作和檢驗的控制點，明確簡單并可操作的識別方法，完善相關工藝文件。

4.2.2.2 加強過程控制監(jiān)督

對完善后的工藝文件實施評審，并將鋪層纖維方向控制內容列入工藝文件會簽的強制要求。開展專項質量巡檢，對制造過程加強監(jiān)督檢查。

對操作人員不僅要進行靜態(tài)水平控制，如專業(yè)知識、上崗證、經(jīng)驗等，更為重要的是控制操作人員的動態(tài)水平，如質量意識、對生產(chǎn)指令內容熟練程度、工藝紀律執(zhí)行情況等。檢驗員應按照工藝流程對過程要素和工序中形成的產(chǎn)品質量特性要求進行控制。復合材料制件過程時間較長、工序多，經(jīng)常變化工作場地，對人員調整和變化必須嚴格控制，保證工序流程作業(yè)的符合性。

4.3 預防措施

預防措施是為消除潛在不合格或其他潛在不期望情況的原因所采取的措施。預防措施可以是風險管理、防錯、失效模式及效果分析、設計評審和全面預防性維護等。針對管理上的薄弱環(huán)節(jié)或漏洞，健全和完善規(guī)章制度，從制度上避免質量問題的發(fā)生。

鋪層方向錯誤問題的預防措施為強化風險識別管控。應明確管理要求，制定風險管控措施，培訓各類人員生產(chǎn)現(xiàn)場管控措施及要求，提高人員質量意識。

5 結語

本文針對復合材料試驗件鋪層方向錯誤問題，分別采用打磨、光學顯微鏡及熱揭層試驗三種方法進行符合性驗證研究，識別出不同驗證方法適用的情況，其中熱揭層試驗方法在確定熱解溫度和保溫時間并燒制完成后，可準確識別復合材料鋪層纖維方向，是最為高效、準確的判定方法。在充分識別質量問題影響范圍的基礎上，開展根本原因分析，制定改進措施，加強過程管控，為復合材料產(chǎn)品質量改進提供參考和思路。

參 考 文 獻

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