飛機零組件材料選用和替代管理程序研究

李紅蕊，種煜

（中航西安飛機工業集團股份有限公司西飛設計院，西安710089）

0 引 言

材料選用和替代是飛機零組件設計工作中的重要技術基礎內容之一。材料選用技術貫穿于整個設計階段，用于指導設計人員解決飛機零組件設計過程中哪些材料可選和如何選取材料的問題，是確保材料設計工作有效開展的基礎。材料替代技術主要出現在生產階段，用于解決零組件生產過程中哪些材料可等效替代和如何替代的問題，是技術人員處理代料問題必須掌握的知識技能。開展這兩項技術工作研究對于零組件設計中材料應用技術和管理能力的有效提升至關重要。

長期以來，設計人員在開展飛機零組件設計工作時對于材料的選擇主要參考舊圖樣，多數情況下都是直接照搬舊圖樣中選用的材料，對于材料本身的特性和用途缺乏足夠認識和考慮，行業內雖已有不少供設計人員直接使用的技術資料，但卻缺乏有效的材料選用和替代技術管理體系，導致設計人員日常工作中除了采取“沿用”或者繼續“仿制”的對策以外，基本沒有其他更有效的技術手段。近年來隨著新研型號的不斷推進，此種對策已經極大地限制了設計水平的提高和新研型號技術水平的發展，并成為制約航空產品向設計能力進一步提升的主要短板之一。因此，為了有效提升零組件設計中材料應用技術和管理能力，現急需對材料信息標準化及材料管理架構進行研究，通過建立統一的材料選用和替代技術管理程序，運用先進的質量管理方法，不斷優化材料選用和材料替代工作，確保新研型號設計工作快速推進。

近年來，國內外學者在不同領域的材料管理、選用和替代方面，已進行了大量的研究。國外M.F.Ashby 等對機械設計領域的材料選擇程序進行了研究，開發并實現了一種新型“四步走”的材料選擇程序，即分析材料需求—篩選出候選材料—對候選材料進行排序—確定最佳材料，并展望了此方法在機械設計領域的應用。國內，王一龍提出對飛機產品建立專門的航空材料以及材料標準并實行單獨管理，對于航空制造行業的健康可持續發展意義重大；藍元沛等提出，科學、合理選材的實施需要科學的選材方法來實現，工程領域選材方法的制定對于設計人員正確選材至關重要；材料替代方面，王程成對航空材料“嚴格落實代用料質量控制”問題進行了深入探討，提出詳細代料原則和規定的制定，對于保證裝機材料的質量極為重要；張日洪提出，替代料的管理對于制造業控制材料采購成本、制造成本、訂單及時交付、控制原材料庫存資金流動等方面意義重大，只有建立替代料管理程序才能從根本上解決企業內部難題。

綜合上述研究來看，國內外雖已有不少研究者對不同領域的材料管理、選用和替代程序進行了研究，但大多僅論述了企業內現有材料管理制度的滯后性以及材料管控程序的建立對于各領域內技術工作的重要性，針對實際設計生產使用的材料技術管理程序并沒有提出具體有效的解決方案。

本文從對飛機零組件設計中材料應用現狀的分析入手，制定一套切實可行的適用于飛機零組件設計的材料選用和替代技術管理程序，并以某型機機體結構密封材料的選材為例，驗證程序的有效性。

1 材料選用和替代技術

材料選用工作貫穿于整個設計階段，從設計人員提出所需材料的選用需求開始，歷經概念設計、初步設計及詳細設計三個階段，到最終形成產品規范。材料替代工作則主要出現在飛機試飛與批生產階段，由零件生產部門在生產急需或設計圖樣中所選材料不可得時提出。對于靜強度、疲勞強度等試驗機或試驗件，原則上不辦理代料，如因某些特殊原因確需辦理代料的，應使用性能相同或性能稍低的材料進行替代。為了做好材料選用和替代工作，首先從了解設計階段的材料選用需求以及生產階段的材料替代需求入手，必須按順序解決好以下三方面的技術問題，研究思路如圖1 所示。

圖1 研究思路Fig.1 The perspectives of the research

（1）解決流程問題：建立統一的材料管控流程。

（2）解決哪些材料可選和如何選取應用問題：制定材料優選目錄，建立材料選用管理程序。

（3）解決哪些材料可互相等效替代和如何替代問題：制定材料等效替代目錄，建立材料替代管理程序。

1.1 建立材料管控流程

由于飛機產品所用到的材料品種和材料標準數量巨大，零組件設計中材料牌號、狀態、規格、材料標準的選擇以及圖樣材料信息標注甚至材料的術語、定義、數據等都需要設計人員達成共識。如果對飛機設計中所用的材料以及材料標準缺少必要的管理，飛機所用材料及材料標準必然處于無序化狀態，飛機研制和生產進度必然受到很大程度的制約。因此，在飛機產品設計源頭建立一套統一的材料管控流程，對型號的順利研制以及持續發展意義重大。

眾所周知，材料技術人員是材料管控體系制度的制定者，零件設計人員是材料管控體系制度的執行者。要建立完整可行的材料管控體系，首先應從捕獲材料選用的需求開始。那么如何捕獲材料的選用需求，從而確保零件設計人員得到正確合理的材料信息，或許只能讓材料技術人員與零件設計人員從技術層面實現有效對接，除此可能別無他法。根據多年來在飛機上的材料設計應用經驗，可以采用的實施方案如圖2 所示。

圖2 實施方案Fig.2 The process of the implementation

從圖2 可以看出：策劃（P）和實施（D）階段是確保零件設計人員得到正確合理材料信息的關鍵所在。只有回答了P、D 階段材料技術人員與零件設計人員的“WHAT、WHY、HOW”三個問題，即“哪些材料允許選用、為什么要選用某個（些）材料、如何選擇和替代材料”，才能制定出符合零件設計人員使用需求的材料優選清單、材料等效替代清單以及材料選用替代管理控制程序文件。同時，為了保證文件體系的先進性與適用性，還應在后續的檢查（C）和改進（A）階段中，隨時根據設計及生產需要對材料選用、替代管理和應用技術文件體系進行審查和改進，只有這樣，這套材料管控體系才算具備了相應的設計應用技術基礎。

根據對眾多材料及其標準、規格、應用特點的分析、總結和歸納，同時借鑒國外相關公司某些技術的設計應用經驗，完整的材料管控流程如圖3 所示，其中所有工作都以確保設計人員正確選材為目標。

圖3 材料管控流程Fig.3 The procedure of material management

（1）制定材料選用/替代控制程序和要求

在開展飛機主產品材料選用及替代工作之前，零組件設計人員必須首先了解材料選用和替代技術的工作流程，并嚴格按照該流程來進行選材。這項技術內容的制定一般由材料技術人員依據多年來飛機設計中有關材料的應用經驗來完成，具體內容將在2.2 和2.3 中展開闡述。

（2）建立材料優選目錄和材料等效替代目錄

在制定了材料選用/替代控制程序和要求的基礎上，還需參考國內航空用材料的生產和供應現狀，并結合行業內目前在材料的采購、加工工藝以及實際庫存等方面的實際情況，制定材料優選目錄和材料等效替代目錄，以規范飛機設計中材料的選用/替代要求和范圍，為零組件設計人員提供材料選用/替代方面的技術支持。

（3）建立新材料選用管理流程

對于首次在飛機型號中擬選用的新研和新選材料，還需建立新材料管理流程進行管控。應按下述步驟鑒定合格后才可將其轉為正常原材料管理：設計人員提出新材料選用需求；技術人員制定新材料技術規范；組織實施新選材料技術鑒定；采購新材料并進行入廠驗收；合格后納入材料優選目錄，轉為正常原材料管理。

（4）建立材料設計選用指南

除上述要求外，還需制定設計選用指南。選用指南是規定產品設計過程中應遵循的技術準則、方法和基本要求的一類知識手冊，對于缺乏經驗的年輕設計人員來說，通過材料設計選用指南，能很快掌握這項基礎技術的設計應用，從而優化設計過程中“認識—實踐—再認識”的摸索過程，自主設計能力肯定會大幅提高。

（5）對材料標準/規范的有效性進行管理

對生產部門而言，近年來供貨渠道多變，材料標準來源眾多并且內容差別較大，因此需要對飛機設計圖樣及文件中用到的材料標準/規范的有效性進行規范管理，如建立材料現行標準目錄，規定這些材料標準的現行版次信息以及在實際生產中的使用要求，以避免造成生產現場材料使用混亂、零件返修、報廢等問題。

（6）圖樣的材料標準審簽

對于所有的設計圖樣和文件，如果其中標注有材料標識，則這些設計圖樣和文件在其正式發放前，都應該提交材料主管單位進行材料標準化審查，審簽人員應對圖樣中選用的材料是否滿足各類文件要求以及所選材料的材料標識是否正確完整進行審核并簽署，并且所給處理意見應滿足相關文件的規定。

1.2 制定材料選用管理程序

解決了流程問題之后，下一步需要解決哪些材料可選和如何選取應用的問題。長期以來，飛機持續走仿制的運行模式使得設計階段中材料及材料標準選用管理的重要性沒有凸現出來，以至于設計工作中缺乏大批相對完善和實用的材料及材料標準選用管理技術文件。因此在開展飛機材料的設計工作之初優先制定材料選用管理程序，對于材料管控體系的建立和飛機產品向設計能力的提升顯得尤為重要。經過對當前設計工作中的選材程序進行總結和分析，同時參考相關領域內的先進技術標準，材料選用管理程序流程如圖4所示。

圖4 材料選用管理程序Fig.4 The procedure of material selection management

（1）材料選用需求提出

零組件設計所需材料的選用需求通常由零組件設計人員提出。材料選用需求的提出應充分考慮零組件的所有與使用材料相關的設計要求，并力求這些所有的相關設計要求都能被滿足。零組件設計要求中與使用材料相關的設計要求通常主要包括但并不限于以下內容：功能要求；載荷要求（包括動載荷、靜載荷以及沖擊載荷）；可靠性要求；使用環境要求；維修性要求；經濟性要求；使用壽命要求；外形尺寸和重量要求；加工和制造要求；質量檢查要求。

（2）候選材料確定

在確定候選材料之前，零組件設計人員必須首先明確零組件設計要求中與使用材料相關的設計要求的具體指標或數據范圍，并盡可能將其轉化為對相關材料使用特征信息（如材料種類、品種、牌號或材料名稱、供應狀態、規格、顏色、材料規范/標準等）的需求，即制定材料優選目錄，候選材料的確定必須以這些使用特征為依據。

（3）篩選候選材料

對于同一個零件，當有多個候選材料滿足設計需要時，設計人員應在保證材料采購渠道暢通，不影響生產任務的前提下優先選擇經濟性最好的材料。材料的經濟性一般應著重考慮以下4 方面的因素：材料的價格因素；材料加工成本或生產技術成本；材料的庫存現狀；材料的維修以及處置成本等。

（4）確定材料標識及其標注要求

在設計圖紙中，材料標識通常由其主要材料信息組成，一般包括材料名稱、牌號、規格、材料標準等，各個信息之間采用“-”來連接，如：聚四氟乙烯板-δ1.5-GJB 3026，對于確定選用的材料，零組件設計人員應按以下原則來確定該材料的材料標識：滿足具體的設計要求；滿足具體材料的基本采購要求；符合規定的材料規范/標準或材料主管單位確定的材料信息；一個材料標識對應唯一的一個材料。

而對于所有正式發出的設計圖樣和文件，不允許標注不完整、不準確以及材料信息隨意簡化或者隨意組合的材料標識。材料標識的標注位置應盡可能固定和統一，應以清楚準確表達所用材料的材料標識為前提，必要時可在文件適當位置將該文件采用的所有材料的標識以列表的形式匯總給出，以確保生產部門能快速準確獲取到這些材料標識的相關規定。

（5）確定其他相關設計要求

其他相關設計要求主要包括零件的制造、加工、成形、表面處理、熱處理、無損檢查以及裝配要求（裝配要求僅適用于裝配件）等。為了確保零組件后續的順利生產、加工、裝配和使用，零組件設計人員還應根據具體的設計需求并結合相關工藝要求對該零組件的其他設計細節進行確定，并在規定位置給出所確定的設計要求。

（6）材料標識的審查

材料主管單位技術人員應對圖樣中選用的材料是否滿足各類文件要求，以及所選材料的材料標識是否正確完整進行審核并簽字確認。

1.3 制定材料替代管理程序

理論上來說，零件設計人員只要遵循上述材料選用管理的程序要求，就能高質量完成圖樣中的材料選材工作。但是在實際生產過程中，由于渠道、質量或者其他不可抗力因素，導致所選材料不可得或生產急需時頻繁提出材料替代問題。因此為了避免延誤生產進度，保證生產現場狀況的有序進行，還需對材料替代問題發生后的處理過程進行總結和分析，制定材料替代管理程序，如圖5 所示。

圖5 材料替代管理程序Fig.5 The procedure of material substituting management

（1）材料替代問題的提出和接收

材料替代問題一般由零件生產部門提出，僅當設計圖樣中規定的材料不可得或者生產急需的情況下才允許提出。設計人員通過判斷替代材料各方面性能指標是否均能滿足（或不降低）零件的所有設計要求并不影響產品使用功能的實現來決定是否接收生產部門提出的材料替代問題。

（2）代料單的接收

零件設計人員應負責接收生產部門提出的自己負責設計零件的“代料單”，并應按權限處理該“代料單”所提的問題。

（3）替代可行性分析或評估

替代可行性分析或評估可結合具體零件的所有相關設計要求進行。如果替代可行性分析或評估結果滿足所有相關設計要求，則允許替代，否則不允許替代。

（4）簽署和批準

在簽署處理結論為允許替代的代料單時，應先提交材料專業技術人員會簽，以確保采用替代材料的材料標識正確完整和措施可行，并且所給處理意見應滿足相關文件的規定。材料專業技術人員通過后還需提請用戶代表批準，用戶代表同意則允許代料，用戶代表不同意，材料代料單立即作廢。對于民用飛機，按照主制造商要求，應報適航工程委任代表會簽。

2 實例驗證

為驗證材料選用和替代管理程序在飛機設計與生產中的實際實施效果，本程序在某型軍用飛機上進行應用。

2.1 材料選用程序

在進行某型機機體結構密封材料的選材工作時，零件設計人員采用新型材料選用程序替代傳統的直接參考舊圖樣中材料的做法，材料選用程序如圖6 所示。

圖6 某型機機體結構密封材料選用程序Fig.6 The selection procedure of sealing materials of a certain aircraft structure

（1）對機體結構密封材料的選用需求進行分析：因機體結構具有電磁脈沖防護能力，需采取針對性電磁脈沖防護措施，在針對艙門、口蓋、縫隙及孔等典型結構的防護方法中，需選用導電密封劑。

（2）結合該需求，零件設計人員在對應飛機型號的選材目錄中篩選確定兩種候選材料：HM315A導電有機硅密封劑和HM1776 導電聚硫代醚密封劑。

（3）對兩種候選材料的主要性能及用途進行分析對比，發現HM315A 導電有機硅密封劑適合用于金屬導電材料接口縫內的電連接密封，而HM1776 導電聚硫代醚密封劑更適合用于復合材料整體油箱以及電子設備艙的密封，飛機機體結構大多采用強度很高的金屬材料，因此選定HM315A 導電有機硅密封劑用于機體結構的密封。

（4）確定HM315A 的材料標識，完成圖樣的發放。

2.2 材料替代管理程序

材料替代管理程序的實施保證生產現場狀況的有序運行。例如在制造某型機電氣系統使用的導電墊片時，設計圖樣中所選T3 銅合金材料庫存緊缺，零件供應部門按照材料替代管理程序開展材料替代工作，具體工作流程如圖7 所示。

圖7 某型機電氣系統導電墊片材料替代程序Fig.7 The substituting procedure of conductive gasket in the electrical system of a certain aircraft

（1）零件供應部門結合庫存情況，查閱相關圖樣或文件，提出“用T2 銅合金代替T3 銅合金材料”的代料申請。

（2）設計人員在收到代料申請后，對T2 和T3銅合金材料的各方面性能指標進行分析對比，判斷出“T2 銅合金均能滿足導電墊片的所有設計要求”，同意接收生產部門提出的“代料單”。

（3）設計人員對代料問題進行替代可行性及評估，給出“允許使用T2 銅合金代替T3 銅合金”的最終意見。

（4）零件供應部門在收到回復的代料單后，選用T2 銅合金完成導電墊片的生產。

綜上所述，材料選用和替代管理程序的制定是確保材料管控體系有效運行的最佳策略，只有將這兩項技術基礎的應用都落到實處，飛機產品的研制能力才能真正提升，企業高質量發展才能得到根本保證。

3 結束語

本文從對飛機零組件設計中材料應用現狀的分析入手，指出了目前設計人員在材料應用工作中存在的問題，給出了今后開展材料選用和替代工作應重點關注的技術內容以及應該遵循的工作流程，制定了切實可行的材料選用和替代技術管理程序，并對所提出程序的與時俱進性和所建立數據庫的管理提出了建議。此項工作的開展將對于指導設計人員正確選材起到關鍵作用，并且對于解決今后新型號飛機材料設計及生產過程中的實際問題以及提升整個航空制造企業的產品正向設計能力大為有益。

但結合目前航空企業的高質量發展戰略要求來看，僅制定材料選用和替代技術管理程序還是遠遠不夠的，今后可在此基礎上繼續開展適應于三維數字化設計的材料數字化管理和應用技術的研究，包括基于材料選擇器的研發和材料數據庫軟件的建立，為飛機零組件的材料設計工作提供強有力的技術支持。