應(yīng)用六西格瑪方法 提高復(fù)合材料拉伸試件FTY

張 娟，劉熠崟，周洪飛

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

六西格瑪是一套科學(xué)的質(zhì)量提升工具和質(zhì)量管理方法，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化企業(yè)質(zhì)量管理[1]，以提高產(chǎn)品質(zhì)量水平。影響樹(shù)脂基復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的因素，除了纖維的拉伸強(qiáng)度、樹(shù)脂含量等材料本身的特性以外，試驗(yàn)件的制備質(zhì)量、試驗(yàn)件尺寸等對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度有著重要影響[2-3]。本文介紹了應(yīng)用六西格瑪方法來(lái)分析解決某成熟預(yù)浸料產(chǎn)品的復(fù)合材料拉伸試件FTY（一次合格率）案例，為六西格瑪在復(fù)合材料試件制備領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 統(tǒng)計(jì)分析確定關(guān)鍵影響因素

通過(guò)頭腦風(fēng)暴，從“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”6個(gè)方面識(shí)別可能影響復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的所有因素，繪制魚(yú)刺圖見(jiàn)圖1。對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行分析，確定少數(shù)可能的關(guān)鍵影響因素。

圖1 拉伸試件拉伸強(qiáng)度魚(yú)刺圖

其中，試件成型過(guò)程中下料方式、固化溫度、固化時(shí)間、熱壓罐控溫精度、熱壓罐控壓精度、壓機(jī)控溫精度、壓機(jī)控壓精度、機(jī)加精度及樹(shù)脂紅外光譜都一致，影響可忽略。

試樣厚度、試樣長(zhǎng)度、試樣寬度、溫度、濕度、操作者技術(shù)等級(jí)、工作時(shí)間都是在拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中的影響因素。對(duì)拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析，GRR為30.28%，ndc為5，結(jié)果見(jiàn)圖2，GRR＞30%，此測(cè)量系統(tǒng)需做改進(jìn)[4]。

圖2 改善前拉伸強(qiáng)度的測(cè)量系統(tǒng)分析

經(jīng)分析，在拉伸強(qiáng)度測(cè)試中，裝載試樣時(shí)試樣對(duì)中程度對(duì)測(cè)試結(jié)果影響很大，由于每次測(cè)試對(duì)中程度不同，造成結(jié)果差異大。為消除測(cè)定時(shí)試樣對(duì)中程度的影響，對(duì)試件裝卡工序進(jìn)行改進(jìn)，在模具上做定位標(biāo)記，固定試件裝卡位置，保證每次測(cè)試試件對(duì)中程度一致。改進(jìn)后，進(jìn)行拉伸強(qiáng)度的測(cè)量系統(tǒng)分析，GRR為12.56%＜30%，ndc為10＞4，可接受，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 改善后拉伸強(qiáng)度的測(cè)量系統(tǒng)分析

因此，本研究將主要對(duì)纖維拉伸強(qiáng)度、纖維拉伸強(qiáng)度離散系數(shù)、預(yù)浸料樹(shù)脂含量、加強(qiáng)片規(guī)格、粘貼加強(qiáng)片膠膜規(guī)格、試板厚度6個(gè)主要因素對(duì)復(fù)合材料試件拉伸強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析。

加強(qiáng)片規(guī)格、粘貼加強(qiáng)片膠膜規(guī)格為可區(qū)分型數(shù)據(jù)，采用箱線圖、雙樣本T檢驗(yàn)方法，對(duì)兩個(gè)因素進(jìn)行分析比較，見(jiàn)圖4、圖5。從箱線圖看，不同規(guī)格加強(qiáng)片、不同規(guī)格粘貼加強(qiáng)片膠膜對(duì)試件拉伸強(qiáng)度影響不明顯；進(jìn)一步進(jìn)行雙樣本T檢驗(yàn)，P值分別為0.972、0.873，均大于0.05，說(shuō)明加強(qiáng)片規(guī)格、粘貼加強(qiáng)片膠膜規(guī)格對(duì)試件拉伸強(qiáng)度均沒(méi)有影響。

圖4 拉伸強(qiáng)度-加強(qiáng)片規(guī)格箱線圖

圖5 拉伸強(qiáng)度-粘貼加強(qiáng)片膠膜規(guī)格箱線圖

纖維拉伸強(qiáng)度、纖維拉伸強(qiáng)度離散系數(shù)、預(yù)浸料樹(shù)脂含量、試板厚度為連續(xù)型數(shù)據(jù)，從其與拉伸強(qiáng)度的矩陣圖（圖6）可看出，纖維拉伸強(qiáng)度離散系數(shù)及試板厚度與拉伸試件的拉伸強(qiáng)度有相關(guān)性。進(jìn)一步對(duì)纖維拉伸強(qiáng)度離散系數(shù)和試板厚度與拉伸強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，P值分別為0.01、0，均小于0.05，說(shuō)明兩者對(duì)試件拉伸強(qiáng)度均有影響。

圖6 連續(xù)性數(shù)據(jù)影響因素對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度矩陣圖

用一般線性模型對(duì)纖維拉伸強(qiáng)度離散系數(shù)和試板厚度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響做綜合分析，P值分別為0.992、0，纖維拉伸強(qiáng)度離散系數(shù)的P值大于0.05，試板厚度的P值僅為0，說(shuō)明與試板厚度相比，纖維拉伸強(qiáng)度離散系數(shù)對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響甚小，可忽略，而試板厚度對(duì)試件拉伸強(qiáng)度有決定影響。進(jìn)一步計(jì)算試板厚度對(duì)拉伸強(qiáng)度影響的貢獻(xiàn)率為81%，殘差誤差占19%。

理論上，試件厚度與復(fù)合材料中纖維的體積含量相關(guān)，纖維的體積含量越大，試件越薄，拉伸強(qiáng)度也越大。雖然纖維的拉伸強(qiáng)度和預(yù)浸料樹(shù)脂含量決定復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，但在本研究工作中，由于纖維的拉伸強(qiáng)度和預(yù)浸料樹(shù)脂含量波動(dòng)小，其影響體現(xiàn)不出來(lái)。纖維拉伸強(qiáng)度的離散系數(shù)對(duì)試件拉伸強(qiáng)度也有影響，但與試件厚度相比，影響甚微，可忽略。

2 對(duì)癥下藥確定實(shí)施改進(jìn)方案

確定試板厚度為復(fù)合材料試件拉伸強(qiáng)度的關(guān)鍵影響因素，將其與拉伸強(qiáng)度做擬合線圖（圖7），如要試板拉伸強(qiáng)度達(dá)到2400MPa指標(biāo)要求，試板厚度應(yīng)控制在0.976mm以下，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求試板厚度最低為0.92mm。

圖7 試板厚度與拉伸強(qiáng)度擬合線圖

試板成型時(shí)，可以通過(guò)吸膠控制試板厚度。進(jìn)行一系列成型試驗(yàn)，確定試板厚度與纖維面密度、試板重量與成型時(shí)吸膠鋪貼封裝方式的關(guān)系，見(jiàn)表1。根據(jù)預(yù)浸料的纖維面密度、預(yù)成型板件的重量，對(duì)照表1確定鋪貼封裝方式。黑色區(qū)域，采用不加吸膠材料鋪貼封裝方式；白色區(qū)域，采用加一層可剝布鋪貼封裝方式；灰色區(qū)域，采用加一層薄玻璃布鋪貼封裝方式。

表1 拉伸試板吸膠鋪貼封裝對(duì)照表

3 改進(jìn)效果

通過(guò)改進(jìn)試板鋪貼組裝成型工藝，用吸膠方式精確控制板件厚度，改進(jìn)前后復(fù)合材料試板的拉伸強(qiáng)度控制圖對(duì)比見(jiàn)圖8。改進(jìn)后，試板拉伸強(qiáng)度平均值由2452MPa提高到2568MPa，試件FTY由62.3%提高到97.2%。

圖8 改進(jìn)前后復(fù)合材料試板的拉伸強(qiáng)度控制圖

4 結(jié)論

（1）六西格瑪旨在用數(shù)據(jù)說(shuō)話，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)歸納、科學(xué)分析，找到影響產(chǎn)品質(zhì)量、造成產(chǎn)品缺陷、產(chǎn)品不合格的關(guān)鍵因素，針對(duì)性地開(kāi)展有效的改進(jìn)措施，并通過(guò)改進(jìn)前后數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，對(duì)改進(jìn)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終實(shí)現(xiàn)質(zhì)量提升，滿足顧客需求。

（2）通過(guò)應(yīng)用六西格瑪方法對(duì)某成熟預(yù)浸料產(chǎn)品的復(fù)合材料拉伸試件拉伸強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行綜合分析，準(zhǔn)確確定實(shí)際工作中影響拉伸試件拉伸強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，并通過(guò)針對(duì)性改進(jìn)措施，使試件FTY由62.3%提高到97.2%。

（3）該研究證明六西格瑪是分析、解決復(fù)合材料力學(xué)試件制備及力學(xué)性能測(cè)試問(wèn)題的有效方法，為六西格瑪質(zhì)量管理方法在分析研究、控制提升復(fù)合材料試件制備質(zhì)量領(lǐng)域的應(yīng)用提供案例參考。