一種通用航空玻璃纖維預(yù)浸料產(chǎn)品的過(guò)程控制與研究

2022-07-12 03:36:52張一川趙子豪

玻璃纖維 2022年3期

張揚(yáng)，王峰，張一川，趙子豪，魏剛

（1.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300；2.南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司，南京 210012）

0 前言

近些年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)復(fù)合材料在設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上的發(fā)展和成熟，先進(jìn)復(fù)合材料在軍機(jī)和民用飛機(jī)的用量都不斷擴(kuò)大，尤其是新研制的通用航空飛機(jī)全機(jī)身都采用復(fù)合材料［1-3］。在國(guó)家相關(guān)政策支持下，未來(lái)國(guó)產(chǎn)復(fù)合材料在民用飛機(jī)中的使用必然會(huì)越來(lái)越多，這為國(guó)內(nèi)復(fù)合材料上下游相關(guān)生產(chǎn)和研發(fā)企業(yè)帶來(lái)了巨大的商機(jī)。但是與國(guó)外復(fù)合材料體系相比，目前制約國(guó)產(chǎn)復(fù)合材料在民機(jī)上應(yīng)用的最主要原因就是預(yù)浸料制備整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的管控還無(wú)法滿足民機(jī)適航要求［4-6］。

質(zhì)量不是檢驗(yàn)出來(lái)的而是通過(guò)規(guī)范生產(chǎn)過(guò)程得到的。隨著統(tǒng)計(jì)技術(shù)在復(fù)合材料產(chǎn)品上的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，企業(yè)可以進(jìn)一步通過(guò)收集、整理與產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)的有效數(shù)據(jù)，來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量。運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)推斷原理，以部分（樣本數(shù)據(jù)）測(cè)全體（總體數(shù)據(jù)）的特性，并通過(guò)測(cè)量、描述和分析產(chǎn)品特性的變化，以形成數(shù)學(xué)模型，從而對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，提前預(yù)防質(zhì)量變異，降低缺陷、預(yù)防不合格品的產(chǎn)生，并為質(zhì)量的改進(jìn)指明方向［7，8］。

目前，國(guó)外民機(jī)材料供應(yīng)商主要通過(guò)實(shí)施一整套覆蓋復(fù)合材料生產(chǎn)“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”等每一個(gè)環(huán)節(jié)并被使用方批準(zhǔn)的過(guò)程控制文件（PCD）來(lái)進(jìn)行材料的生產(chǎn)和交付，并以此來(lái)保證所生產(chǎn)材料的質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性。國(guó)內(nèi)供應(yīng)商對(duì)預(yù)浸料生產(chǎn)中間過(guò)程控制普遍管控不足，大多采用出廠檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)判定整批次材料的質(zhì)量穩(wěn)定和一致性［9，10］。

由中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱中航復(fù)材）研制ACTECH?1203/EW301F/38中溫固化環(huán)氧玻璃纖維織物預(yù)浸料［11］，按照公司相關(guān)要求建立了預(yù)浸料生產(chǎn)的過(guò)程控制文件PCD（Process Control Document），并對(duì)預(yù)浸料的樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)和纖維面密度2項(xiàng)關(guān)鍵特性（Key Characteristic）進(jìn)行監(jiān)控。結(jié)果表明，預(yù)浸料樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)和纖維面密度的穩(wěn)定性和一致性良好，過(guò)程可控。同時(shí)，根據(jù)對(duì)預(yù)浸料關(guān)鍵特性過(guò)程能力分析，采取相應(yīng)措施來(lái)消除影響關(guān)鍵特性過(guò)程能力的誤差，進(jìn)一步提高預(yù)浸料的生產(chǎn)質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

樹脂：中溫固化改性增韌環(huán)氧樹脂ACTECH?1203，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司研制；

玻璃纖維織物：帶有藍(lán)色示蹤紗的后處理無(wú)堿玻璃纖維織物EW301F-127，南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司。

1.2 儀器和設(shè)備

分析天平：ME204，瑞士METTLER TOLEDO公司；

恒溫水浴鍋：HHWO-50L型，中國(guó)河南艾瑞德儀器設(shè)備有限公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：WGLL-125BE型，中國(guó)天津泰斯特儀器有限公司。

1.3 預(yù)浸料制備

采用熱熔兩步法，先將ACTECH?1203樹脂制備成樹脂膜，然后將樹脂膜與EW301F玻璃纖維織物復(fù)合制備預(yù)浸料。預(yù)浸料物理關(guān)鍵特性見表1。

表1 ACTECH?1203/EW301F/38預(yù)浸料物理關(guān)鍵特性

1.4 預(yù)浸料關(guān)鍵特性的測(cè)試

預(yù)浸料每批次根據(jù)抽樣規(guī)則，按HB 7736.3《復(fù)合材料預(yù)浸料物理性能試驗(yàn)方法第3部分：纖維面密度的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)浸料纖維面密度測(cè)定；按HB 7736.5《復(fù)合材料預(yù)浸料物理性能實(shí)驗(yàn)方法第5部分：樹脂含量的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)浸料中樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定。

2 結(jié)果和討論

2.1 過(guò)程能力（指數(shù)）和過(guò)程性能（指數(shù)）的差異

過(guò)程能力Cp（Process capability）是指過(guò)程在受控狀態(tài)下的實(shí)際加工能力，適用于統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定過(guò)程，過(guò)程只受普通原因影響，不考慮過(guò)程是否發(fā)生偏移。這個(gè)值越高，說(shuō)明數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度相對(duì)越小，過(guò)程能力強(qiáng)。過(guò)程能力指數(shù)Cpk（Process capability Index）是考慮過(guò)程有偏移情況下的過(guò)程能力，應(yīng)用前提是要過(guò)程穩(wěn)定且數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布。過(guò)程性能Pp（Process performance）不考慮過(guò)程的偏移，不要求過(guò)程穩(wěn)態(tài)，是過(guò)程長(zhǎng)期運(yùn)行的實(shí)際加工能力，過(guò)程包括特殊原因和普通原因影響。過(guò)程性能指數(shù)Ppk（Process performance Index）不要求過(guò)程穩(wěn)態(tài)，它體現(xiàn)的是總過(guò)程的波動(dòng)情況，不但考慮組內(nèi)差異，也考慮組間差異，既受普通因素影響，也可能有特殊因素。Cp、Cpk、Pp、Ppk的計(jì)算公式見（1）-（4）。與Ppk相比，Cpk更側(cè)重于過(guò)程本身，用組內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差去估計(jì)與規(guī)格限之間的關(guān)系，給出的是過(guò)程固有的能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的能力，它能用來(lái)對(duì)過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，其與過(guò)程有關(guān)的工藝參數(shù)中運(yùn)用的比較普遍；Ppk側(cè)重于過(guò)程所引發(fā)的結(jié)果，給出的是根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)前過(guò)程性能的估計(jì)，使用所有個(gè)體數(shù)據(jù)結(jié)合在一起來(lái)計(jì)算的整體標(biāo)準(zhǔn)差去估計(jì)，它對(duì)于預(yù)測(cè)未來(lái)沒(méi)有什么作用。一般產(chǎn)品在試生產(chǎn)初期，考慮到既存在普通因素又存在特殊因素，過(guò)程可能不是穩(wěn)定狀態(tài)，用Ppk比用Cpk衡量過(guò)程更能體現(xiàn)產(chǎn)品的目前過(guò)程狀態(tài)情況。

式中：

USL——公差上限，

LSL——公差下限，

X——樣本平均值，

σ——樣本組內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差，

s——樣本整體標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2 統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）

為了解工序的實(shí)際加工能力，即在“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”都確定的情況下，工序所具有穩(wěn)定受控的能力水平，很多公司往往只計(jì)算Cpk的指數(shù)來(lái)衡量過(guò)程能力是否足夠，這樣做是不科學(xué)的。事實(shí)上，進(jìn)入正常生產(chǎn)后應(yīng)該通過(guò)對(duì)Cp、Cpk、Pp以及Ppk等參數(shù)進(jìn)行分析，來(lái)判斷過(guò)程是否存在問(wèn)題。Cp、Cpk只由普通原因引起的子組內(nèi)變差決定，而Pp、Ppk是由子組內(nèi)變差和子組間變差所共同決定的。所以在實(shí)施SPC的時(shí)候，除了關(guān)注Ppk和Cpk的值，還需要將兩者進(jìn)行對(duì)比分析，得到當(dāng)前過(guò)程能力所處的狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)過(guò)程進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)Ppk遠(yuǎn)小于Cpk時(shí)，代表子組間變差比較大，有特殊原因存在，應(yīng)馬上尋找影響過(guò)程能力的特殊原因，加以消除，將其提高到過(guò)程能力指數(shù)水平，如果Ppk≥Cpk，說(shuō)明當(dāng)前的過(guò)程能力高于過(guò)程固有的能力，應(yīng)繼續(xù)保持當(dāng)前過(guò)程性能，并通過(guò)不斷對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)過(guò)程的不斷改進(jìn)。同時(shí)，如Pp和Ppk相差很大時(shí)，表明產(chǎn)品現(xiàn)有過(guò)程性能與規(guī)范中心存在偏移；如果Cp和Cpk相差很大時(shí)，則可預(yù)測(cè)產(chǎn)品的過(guò)程能力與規(guī)范中心發(fā)生偏移［12-15］。

2.3 預(yù)浸料關(guān)鍵特性過(guò)程能力控制（SPC）的應(yīng)用

2.3.1 樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)程能力

由圖1可見，數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體數(shù)據(jù)較規(guī)范中心偏高，總平均值為38.51%。由圖2可得，p＞0.05，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值服從正態(tài)分布。由圖3可見，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)卷間變異和均值趨于穩(wěn)定。由圖4可見，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值的Pp為1.59，Ppk為1.32；樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值的Cp為1.50，Cpk為1.25。Pp與Ppk差異較小，說(shuō)明數(shù)據(jù)均值未明顯偏離規(guī)范中心，同時(shí)，Ppk≥Cpk，說(shuō)明當(dāng)前的樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)際過(guò)程能力高于過(guò)程固有的能力，能力比較充分。

圖1 樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的運(yùn)行圖

圖2 樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗(yàn)圖

圖3 樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值的均值-極差控制圖

圖4 樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值的能力分析圖

2.3.2 纖維面密度過(guò)程能力

由圖5可見，數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求，纖維面密度整體數(shù)據(jù)較規(guī)范中心偏低，總平均值為292.70。由圖6可得，p值為0.087＞0.05，所以纖維面密度平均值服從正態(tài)分布。由圖7可得，纖維面密度卷間變異和均值趨于穩(wěn)定。由圖8可見，纖維面密度平均值的Pp為1.26，Ppk為0.92；纖維面密度平均值的Cp為1.25，Cpk為0.91。Pp與Ppk差異較大，說(shuō)明數(shù)據(jù)均值明顯偏離規(guī)范中心。同時(shí)，Ppk與Cpk均小于1，說(shuō)明纖維面密度的整體能力不足。

圖5 纖維面密度的運(yùn)行圖

圖6 纖維面密度樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗(yàn)圖

圖7 纖維面密度平均值的均值-極差控制圖

圖8 纖維面密度平均值的能力分析圖

2.3.3 消除上漿劑偏差后的實(shí)際樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)和纖維面密度過(guò)程能力

通過(guò)按照材料PCD逐項(xiàng)的梳理，最終找出影響纖維面密度過(guò)程能力原因：樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試方法洗脫樹脂時(shí)，也會(huì)把玻璃纖維織物中上漿劑一同洗脫，導(dǎo)致樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果較規(guī)范中心偏高；同理，纖維面密度規(guī)范實(shí)際是按照含有上漿劑組分規(guī)定的，而上漿劑被洗脫，導(dǎo)致纖維面密度較規(guī)范偏低，也導(dǎo)致其過(guò)程能力不足。通過(guò)以玻璃纖維織物面密度均值為295.40 g/m2，上漿劑含量1%，計(jì)算為2.95 g/m2，對(duì)樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)和纖維面密度的過(guò)程能力進(jìn)行修正，修正結(jié)果見圖9至圖16。修正后樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為37.89%，Pp為1.59，Ppk為1.53；修正后纖維面密度均值為295.60 g/m2，Pp為1.26，Ppk為1.23，通過(guò)修正，得出樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)和纖維面密度的過(guò)程均未明顯偏離理論規(guī)范中心，且能力比較充分，只是測(cè)試的方法與規(guī)范規(guī)定的測(cè)試方法存在差異，造成了纖維面密度過(guò)程能力偏低。后續(xù)我們將與纖維廠商溝通，統(tǒng)一方法，消除因測(cè)試方法不同造成的能力誤差。