丁東

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324）

樹(shù)脂基復(fù)合材料是樹(shù)脂作為連續(xù)相和增強(qiáng)材料共同構(gòu)成的一類(lèi)復(fù)合材料，其中樹(shù)脂可分為熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂，增強(qiáng)材料可分為纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)等類(lèi)別[1]。在航空領(lǐng)域，近年來(lái)，纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用比例越來(lái)越大，而熱壓罐成型工藝是纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料應(yīng)用最多、最為常見(jiàn)的一種成型方式。熱壓罐成型工藝的制件具有纖維體積含量高、力學(xué)性能可靠等優(yōu)點(diǎn)[2]，熱壓罐成型工藝生產(chǎn)的制品占航空領(lǐng)域復(fù)材制品的比例高達(dá)80%以上，其成型的構(gòu)件多用于航空器主承力和次承力結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)熱壓罐成型工藝過(guò)程的審核越來(lái)越受到行業(yè)內(nèi)的關(guān)注，本文從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)方面對(duì)纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的熱壓罐成型工藝過(guò)程控制進(jìn)行了分析，對(duì)該工藝過(guò)程的審核進(jìn)行了探討。

1 熱壓罐成型工藝介紹

熱壓罐成型工藝是將復(fù)合材料毛坯、蜂窩夾心結(jié)構(gòu)或膠接結(jié)構(gòu)用真空袋密封在模具上，置于熱壓罐中，在真空或非真空的狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)升溫、加壓、保溫保壓、降壓泄壓過(guò)程，使其成為所需要的形狀和質(zhì)量狀態(tài)制品的成型工藝方法。纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的熱壓罐成型工藝流程如圖1 所示。

圖1 熱壓罐成型工藝流程圖

2 工藝過(guò)程審核

熱壓罐成型工藝過(guò)程對(duì)產(chǎn)品造成影響的因素十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的工藝過(guò)程由于難以得到所加工材料內(nèi)部狀態(tài)變化的信息，因而只能遵循經(jīng)驗(yàn)，一旦原材料、工作環(huán)境稍有波動(dòng)，復(fù)合材料產(chǎn)品性能就暴露出可重復(fù)性較差、隨爐件數(shù)據(jù)離散性大等缺點(diǎn)[3]，因此，必須對(duì)該成型工藝過(guò)程進(jìn)行過(guò)程控制。從圖1 可以看出，纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓罐成型工藝的過(guò)程控制涉及人員、設(shè)備、工裝、材料、工藝方法、環(huán)境、檢測(cè)等各方面，因此，針對(duì)該成型工藝的審核也應(yīng)圍繞這些方面進(jìn)行。

2.1 人員控制方面

從事復(fù)合材料航空制件的操作及檢驗(yàn)人員需經(jīng)過(guò)相應(yīng)的培訓(xùn)，經(jīng)考核后持證上崗。審核時(shí)，可以關(guān)注如下方面：組織是否有相應(yīng)的資質(zhì)管理程序，并得到實(shí)施；對(duì)于無(wú)損檢測(cè)人員的資質(zhì)是否按照NAS410 或者等效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理；對(duì)于人員的培訓(xùn)是否充分，操作和檢驗(yàn)人員需要按照他們工作所涉及的內(nèi)容來(lái)進(jìn)行培訓(xùn)和認(rèn)證。

2.2 設(shè)備控制方面

纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的熱壓罐成型工藝涉及的設(shè)備比較多，如低溫材料存放的冷庫(kù)，下料過(guò)程中可能需要自動(dòng)下料機(jī)，鋪層過(guò)程可能需要激光定位儀、自動(dòng)鋪帶機(jī)、自動(dòng)鋪絲機(jī)、熱隔膜成型機(jī)等，固化過(guò)程需要熱壓罐。

2.2.1 冷庫(kù)

冷庫(kù)主要存放預(yù)浸料或膠膜等低溫材料，對(duì)于它的控制重點(diǎn)關(guān)注如下方面：冷庫(kù)的溫度設(shè)置是否滿(mǎn)足材料存放溫度要求；程序是否規(guī)定當(dāng)材料存放溫度超過(guò)規(guī)定范圍后該如何處理，并確保材料外置時(shí)間記錄表及時(shí)更新；冷庫(kù)是否至少安裝一個(gè)溫度顯示器，便于對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控；對(duì)于冷庫(kù)的溫度記錄可以采用設(shè)備自動(dòng)記錄或經(jīng)常手動(dòng)記錄的方式，當(dāng)有溫度偏差時(shí)，溫度記錄能夠保證追溯性；首次使用或大修冷庫(kù)后，進(jìn)行一次溫度均勻性測(cè)試，在日常管理中除保養(yǎng)設(shè)備外，還需要進(jìn)行周期性的系統(tǒng)精度測(cè)試。

2.2.2 自動(dòng)下料機(jī)

對(duì)于自動(dòng)下料機(jī)的控制，可以關(guān)注設(shè)備的校驗(yàn)、維護(hù)保養(yǎng)、數(shù)控程序的控制等方面，另外，還需要進(jìn)行周期性的設(shè)備鑒定試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容為按照特定的形狀進(jìn)行自動(dòng)下料，完成下料后，對(duì)切割好的料片進(jìn)行測(cè)量，需滿(mǎn)足要求，以此來(lái)驗(yàn)證設(shè)備能力。

2.2.3 激光定位儀

對(duì)激光定位儀進(jìn)行審核時(shí)，可關(guān)注工裝與激光定位儀之間的相對(duì)位置，進(jìn)行定位的系統(tǒng)是否進(jìn)行了鑒定，是否進(jìn)行了周期性的運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容為采用生產(chǎn)時(shí)相似數(shù)目的參考點(diǎn)和定位程序?qū)⒐ぱb與激光定位儀進(jìn)行定位，在特定的工裝上進(jìn)行投影，對(duì)投影線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試，查看線(xiàn)寬等來(lái)驗(yàn)證激光定位儀的功能。

2.2.4 自動(dòng)鋪帶機(jī)

利用自動(dòng)鋪帶（ATL）技術(shù)可提高定位精度，鋪疊速度幾乎是手工鋪疊速度的10 倍，在生產(chǎn)過(guò)程中材料利用率高、廢品產(chǎn)出少[4]。應(yīng)對(duì)自動(dòng)鋪帶機(jī)進(jìn)行周期性校驗(yàn)，包括監(jiān)控鋪帶頭壓靴壓實(shí)力和壓輥壓實(shí)力的系統(tǒng)、定位工裝與自動(dòng)鋪帶機(jī)之間的相對(duì)位置的系統(tǒng)，如果設(shè)備有對(duì)熱源溫度進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)時(shí)，也需對(duì)該溫度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行精度校驗(yàn)。另外，設(shè)備除需正常的維護(hù)保養(yǎng)外，還需要進(jìn)行周期性的運(yùn)行試驗(yàn)，運(yùn)行試驗(yàn)根據(jù)正常零件自動(dòng)鋪帶參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在平面工裝上鋪不同鋪層角度的預(yù)浸帶，每個(gè)方向至少鋪3 條預(yù)浸帶，單個(gè)方向的預(yù)浸帶長(zhǎng)度大于自動(dòng)鋪帶機(jī)在該方向最大行程的1/2，每個(gè)方向的預(yù)浸帶中，至少應(yīng)有一條預(yù)浸帶兩端的切割角度分別為45°和90°，最后對(duì)鋪好的鋪層進(jìn)行測(cè)量，需滿(mǎn)足相應(yīng)要求。在審核該設(shè)備時(shí)，可以重點(diǎn)關(guān)注周期性校準(zhǔn)、設(shè)備維護(hù)、運(yùn)行試驗(yàn)等內(nèi)容。

2.2.5 自動(dòng)鋪絲機(jī)

自動(dòng)鋪絲技術(shù)兼?zhèn)淞死w維纏繞和自動(dòng)鋪帶的優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性[5]。對(duì)自動(dòng)鋪絲機(jī)進(jìn)行周期性校驗(yàn)，校驗(yàn)內(nèi)容包括：鋪絲機(jī)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的校驗(yàn)，如重復(fù)定位精度和定位精度；定位工裝與自動(dòng)鋪絲機(jī)之間的相對(duì)位置系統(tǒng)的校驗(yàn)；監(jiān)控鋪絲頭壓輥壓實(shí)力系統(tǒng)的校驗(yàn)；當(dāng)有加熱能力時(shí)，還需要對(duì)熱源溫度進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)。除這些系統(tǒng)的周期性校驗(yàn)外，設(shè)備需要有維護(hù)和保養(yǎng)計(jì)劃，另外，需對(duì)設(shè)備進(jìn)行周期性的運(yùn)行鑒定試驗(yàn)，運(yùn)行鑒定試驗(yàn)一般在不同曲率的工裝上進(jìn)行，根據(jù)不同鋪層角度選擇不同預(yù)浸絲束端頭偏差，如選擇0%、50%及100%進(jìn)行鋪絲，鋪層完成后對(duì)絲束帶精度進(jìn)行測(cè)量，需滿(mǎn)足公差要求。審核該設(shè)備時(shí)，可查看設(shè)備相應(yīng)的計(jì)量報(bào)告、試驗(yàn)報(bào)告及維護(hù)保養(yǎng)情況等。

2.2.6 熱隔膜成型機(jī)

直觀上，熱隔膜成型過(guò)程較為簡(jiǎn)單，但實(shí)際上該成型過(guò)程受預(yù)浸料物理特性、工藝參數(shù)調(diào)控、幾何特征等多重因素綜合影響[6]。熱隔膜成型機(jī)配有預(yù)浸料鋪層、工裝和設(shè)備相互定位的系統(tǒng)，同時(shí)還配有溫度監(jiān)視、控制和記錄系統(tǒng)及對(duì)真空壓力進(jìn)行監(jiān)控和記錄的系統(tǒng)，對(duì)熱隔膜成型機(jī)進(jìn)行周期性校驗(yàn)時(shí)要包含上述系統(tǒng)的校驗(yàn)，在審核該設(shè)備時(shí)，可關(guān)注該設(shè)備校驗(yàn)及保養(yǎng)情況。

2.2.7 熱壓罐

對(duì)于熱壓罐的控制，審核時(shí)可關(guān)注如下幾點(diǎn)：熱壓罐的鑒定過(guò)程，包括熱壓罐空載及滿(mǎn)載狀態(tài)下的運(yùn)行試驗(yàn)，在不同設(shè)定溫度下的實(shí)際升降溫速率、保溫、壓力等是否滿(mǎn)足要求；熱壓罐周期性溫度均勻性測(cè)試及系統(tǒng)精度測(cè)試；熱壓罐壓力及真空壓力系統(tǒng)周期性測(cè)試；熱壓罐溫度、真空壓力及壓力儀表精度周期性測(cè)試；熱電偶的校準(zhǔn)，包括控溫?zé)犭娕?、記錄熱電偶、?bào)警熱電偶等；隨爐熱電偶的使用次數(shù)控制；熱壓罐維護(hù)保養(yǎng)等。

2.3 工裝控制方面

對(duì)于航空復(fù)合材料成型工裝，需要滿(mǎn)足外形尺寸（長(zhǎng)、寬、高等）、形位尺寸（平面度、垂直度、平行度、直線(xiàn)度等）、外表面的光潔程度等，并對(duì)工裝進(jìn)行室溫及高溫氣密性試驗(yàn)。另外，根據(jù)工裝的特點(diǎn)，還需要進(jìn)行工裝熱分布測(cè)試，通過(guò)測(cè)試得出領(lǐng)先偶及滯后偶位置，以便制真空袋時(shí)在相應(yīng)位置放置隨爐熱電偶。

2.4 材料控制

纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的熱壓罐成型工藝涉及的材料主要分為工藝材料和飛走材料。工藝材料又分為可接觸材料和不可接觸材料，可接觸工藝材料包括塑料/牛角刮板、白棉紗手套、脫模布、脫模劑、可剝布、隔離膜、標(biāo)記筆等，不可接觸工藝材料包括丁酮、丙酮、真空袋密封膠條、真空袋薄膜、透氣氈等。飛走材料包括預(yù)浸料、蜂窩、膠膜等[7]。

對(duì)于工藝材料的控制，在審核中可關(guān)注所用的工藝材料是否符合規(guī)定的牌號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)要求、工藝材料的控制是否有程序規(guī)定等。對(duì)于飛走材料的控制，除關(guān)注以上要求外，在審核過(guò)程中還需關(guān)注如下幾方面：組織的程序中能否保證易變質(zhì)材料的存儲(chǔ)壽命、力學(xué)性能壽命及操作壽命等的追溯性；對(duì)材料的存儲(chǔ)壽命延期等的規(guī)定是否滿(mǎn)足客戶(hù)要求；在易變質(zhì)材料的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，是否有相應(yīng)的控制，保證材料外置時(shí)間和溫度可控；材料的存放是否能滿(mǎn)足要求，如預(yù)浸料和膠膜需要末端支撐存儲(chǔ)，不能產(chǎn)生疊痕，下料完成后的材料放回冷庫(kù)時(shí)需要密封存放，防止材料受到損壞或污染等；易變質(zhì)材料的解凍過(guò)程是否滿(mǎn)足要求，如是否在潔凈間解凍、開(kāi)袋前是否解凍完全、保證密封袋表面無(wú)水珠等；對(duì)于入庫(kù)待檢材料、過(guò)期或不合格材料是否進(jìn)行相應(yīng)的控制，與合格材料進(jìn)行分離等。

2.5 工藝方法控制

纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的熱壓罐成型工藝主要涉及工裝準(zhǔn)備、下料、鋪貼及預(yù)壓實(shí)、制真空袋、固化、脫模及加工等過(guò)程。

2.5.1 工裝準(zhǔn)備

工裝準(zhǔn)備前，操作人員需核對(duì)工裝號(hào)信息，再領(lǐng)取相應(yīng)的輔料如脫模劑、脫模布、丁酮、手套等，另外人員需佩戴正確的勞防用品。進(jìn)行工裝清理后再施加脫模劑或貼脫模布，最后干燥工裝。審核過(guò)程中，可關(guān)注工裝信息是否完整、領(lǐng)取輔料是否正確、工裝清理過(guò)程是否滿(mǎn)足要求、脫模劑的施加是否滿(mǎn)足要求，如施加2層脫模劑間的時(shí)間間隔及脫模劑的干燥時(shí)間，如果施加脫模布時(shí)，還需要關(guān)注脫模布的使用是否滿(mǎn)足要求，如脫模布是否為對(duì)接而不允許搭接等。

2.5.2 下料

對(duì)于手工下料，在審核過(guò)程中需要關(guān)注材料存放是否滿(mǎn)足要求、料片尺寸是否符合圖紙或工藝文件中的要求，料片的標(biāo)記方式等方面的控制。如果采用自動(dòng)下料時(shí)，則需關(guān)注如下方面：檢查臺(tái)面情況是否平整、清潔，基準(zhǔn)調(diào)整和真空吸附時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制情況，刀具是否滿(mǎn)足要求，數(shù)控程序是否進(jìn)行了相應(yīng)的控制，料片的標(biāo)記和尺寸是否滿(mǎn)足要求，剩余材料的存放處置等。

2.5.3 鋪貼及預(yù)壓實(shí)

在鋪貼之前，操作人員需要確認(rèn)工裝準(zhǔn)備是否滿(mǎn)足要求，接收料片時(shí)需核實(shí)料片批次、卷號(hào)、剩余操作壽命、剩余力學(xué)性能壽命等信息，輔助材料是否滿(mǎn)足規(guī)定要求，量具是否在計(jì)量有效期內(nèi)。鋪貼時(shí)，可以關(guān)注如下幾方面：鋪貼的基準(zhǔn)線(xiàn)是否正確，與工藝文件中規(guī)定的是否一致；鋪貼的方向是否滿(mǎn)足要求；如果鋪層進(jìn)行拼接時(shí)，是否滿(mǎn)足拼搭接要求；如果采用自動(dòng)鋪帶、自動(dòng)鋪絲、熱隔膜機(jī)進(jìn)行鋪層或預(yù)成型時(shí)，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，并核對(duì)運(yùn)行的數(shù)控程序是否正確；查看鋪貼的預(yù)浸料是否按照要求制成臨時(shí)真空袋，并抽真空進(jìn)行預(yù)壓實(shí)。

2.5.4 制真空袋

在鋪貼和預(yù)壓實(shí)后，對(duì)預(yù)浸料鋪層制真空袋，審核該過(guò)程時(shí)可關(guān)注如下方面：制真空袋是否符合操作規(guī)范或工藝文件要求，如隨爐熱電偶的位置是否與工裝熱分布測(cè)試后得到的領(lǐng)先偶和滯后偶位置一致，熱電偶是否放置在零件余量區(qū)，真空嘴的放置是否滿(mǎn)足要求，拐角區(qū)、凸起和凹陷區(qū)真空袋余量是否足夠，是否用手指或刮板壓實(shí)，避免架橋；制真空袋后，是否按要求進(jìn)行了真空泄露檢查。

2.5.5 固化

固化過(guò)程的控制對(duì)于復(fù)合材料熱壓罐成型工藝來(lái)說(shuō)比較重要，其過(guò)程涉及到了熱量傳遞、固化反應(yīng)、樹(shù)脂流動(dòng)、纖維密實(shí)、氣泡的形成、生長(zhǎng)及遷移等多種物理、化學(xué)及其耦合變化[5]。在審核該過(guò)程時(shí)可以關(guān)注如下方面：固化程序中設(shè)置的固化參數(shù)是否滿(mǎn)足規(guī)范或工藝文件要求；當(dāng)出現(xiàn)異常情況，如真空袋中正壓力超差、熱電偶顯示不正常等，程序中是否有處置的規(guī)定；固化完成后，核查固化的實(shí)際參數(shù)，如升降溫速率、保溫溫度和時(shí)間、真空壓力、正壓力及保壓時(shí)間等是否滿(mǎn)足工藝要求；是否能確保固化溫度及時(shí)間、設(shè)備編號(hào)、固化批次號(hào)、固化程序號(hào)等均進(jìn)行了記錄并保存；熱電偶溫度記錄的時(shí)間間隔是否滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.5.6 脫模及加工

脫模前操作人員應(yīng)做好防護(hù)工作，如拆真空袋時(shí)佩戴防滑手套，搬運(yùn)轉(zhuǎn)移零件時(shí)佩戴棉線(xiàn)手套。脫模時(shí)，審核該過(guò)程時(shí)可關(guān)注如下幾方面：是否用剪刀將隨爐熱電偶剪斷，防止暴力拉扯；楔形脫模工具是否使用非金屬材料，防止劃傷零件或工裝；是否有暴力敲擊脫模工具或零件的現(xiàn)象。

脫模后需要對(duì)制件進(jìn)行手工加工時(shí)，需注意如下要求：操作人員是否穿戴好防塵服、全面罩、手套等勞防用品；劃線(xiàn)時(shí)使用的工具或標(biāo)記筆是否符合要求；除塵裝置是否已開(kāi)啟；切割和打磨是否滿(mǎn)足要求，打磨時(shí)對(duì)打磨區(qū)周?chē)欠襁M(jìn)行了保護(hù)。

脫模后需要對(duì)制件進(jìn)行機(jī)械加工，還需要關(guān)注如下方面：設(shè)備狀態(tài)是否完好，數(shù)控程序控制是否滿(mǎn)足規(guī)定要求，是否使用正確的工裝，使用的量具是否在有效期內(nèi)，加工后的零件是否進(jìn)行了清潔和保護(hù)。

2.6 環(huán)境控制

對(duì)于熱壓罐成型工藝來(lái)說(shuō)，環(huán)境控制包含一般工作間控制和潔凈間控制。一般工作間應(yīng)保持清潔、明亮，當(dāng)有產(chǎn)生大量粉塵的操作時(shí)，需要在單獨(dú)區(qū)域操作。審核潔凈間控制時(shí)，可關(guān)注如下方面：潔凈間的控制程序是否滿(mǎn)足規(guī)范要求，是否按照規(guī)定對(duì)區(qū)域內(nèi)溫濕度進(jìn)行控制，是否定期對(duì)區(qū)域內(nèi)的顆粒度進(jìn)行檢查，操作人員進(jìn)入潔凈間時(shí)是否穿戴相應(yīng)的工作服、工作鞋和工作帽，是否禁止在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行大量打磨操作，是否禁止在該區(qū)域內(nèi)對(duì)工裝涂脫模劑等。

2.7 檢測(cè)過(guò)程控制

加工完成復(fù)材制件后，除滿(mǎn)足圖紙要求的外形尺寸外，還需要對(duì)制件的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢查，對(duì)于復(fù)合材料制件一般采用超聲檢測(cè)方法。在對(duì)超聲檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行審核時(shí)，可以關(guān)注以下方面：無(wú)損檢測(cè)人員的控制；設(shè)備及探頭的周期性校準(zhǔn)；無(wú)損檢測(cè)工藝卡的編制是否符合要求；檢測(cè)用的對(duì)比試塊是否滿(mǎn)足要求，對(duì)比試塊的生產(chǎn)記錄及驗(yàn)證記錄是否保存等。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在航空領(lǐng)域，對(duì)纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的熱壓罐成型工藝應(yīng)用較為廣泛，通過(guò)對(duì)該成型工藝過(guò)程中人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)的審核，能保證該成型過(guò)程在受控的條件下進(jìn)行，以提高復(fù)合材料制件的質(zhì)量合格率。