淺析民用航空產品的特種工藝控制與評審

湯曉君　崔玉卉

摘 要 特種工藝由于其結果不能直接簡單由產品檢驗反映等特性，需要對其進行過程控制。而客戶對于供應商特種工藝的管理，則需要著重對其工藝過程進行審核。本文以熱處理類工藝為例，從人員控制、環境控制、材料控制、工藝方法、設備及計量等方面展開，介紹民用航空產業中特種工藝控制及對供應商特種工藝評審方面的要點。

關鍵詞 特種工藝 過程控制 工藝評審

一、概況

特種工藝是指那些具有復雜工藝特性、經加工后的產品性能重要且不易進行直接的檢驗并對產品質量具有決定性作用的工藝。例如，表面處理工藝和熱處理工藝等。因為其對產品性能和質量將產生重大影響，控制環節眾多且問題復現性較差，因此特種工藝的質量控制成為保證產品質量的最重要手段之一。同時，由于特種工藝產生的質量特性可檢驗性較差，又使得過程質量控制成為保證特種工藝質量的最重要方法。對零件在生產全過程中的各個可能影響產品質量的環節進行監控，從其過程的符合性入手進行控制，從而保證產品質量。

二、特種工藝控制及對供應商評審的要點

在某民機項目工藝規范體系中，特種工藝項目涉及熱處理、表面處理、無損檢測、焊接、復合材料、自動裝配、特種加工與測試測量八大類別，超過一百項特種工藝。對于這些工藝項目，有必要建立起一套特種工藝審核制度進行管理，對各供應商選用的每一項特種工藝進行評審，經批準后方可用于生產。

在航空航天領域，NADCAP（National Aerospace & Defense Contractors Accreditation Program）是最具權威性的特種工藝第三方認證機構，已有包括波音、空客、GE、羅·羅等數十家知名航空企業加入該項目。經過數十年的發展，Nadcap已建立起一套完善的特種工藝評審體系，評審內容涵蓋超過二十大項、一百余子項的特種工藝及相關控制項目。[1]雖然航空工業第三方認證目前已十分成熟，但其仍然存在一些局限性。近年來，在對各大供應商進行特種工藝評審的過程中發現，在第三方認證審核通過后依然不符合的情況屢見不鮮。這是由于第三方審核往往需要兼顧多個客戶，對于某一特定顧客的要求難以較深入地貫徹；而第二方審核人員直接代表顧客的利益，主觀上會更認真、深入地審核并發現問題。因此，客戶第二方審核的重要性不可被替代。

過程控制的有效性，取決于對過程中關鍵控制點的把握。從評審關注內容上講，工藝審核主要關注以下幾點：客戶方工藝規范/工程文件的要求；內部程序文件/指導現場人員操作的文件是否滿足客戶的要求；現場實際生產情況是否符合內部程序的要求；所有的記錄是否完整且符合要求（如圖1）。而從具體工藝控制要點上，一般而言從人員、環境、材料、方法、設備及測試計量等幾個方面要素分別著手。以特種工藝中最為常見的金屬熱處理類工藝為例，本文將從上述五方面進行詳述：

（一）人員控制

在工藝生產過程中，人員素質是確保質量的根本要素之一。熱處理工藝相關人員必須經過培訓并獲得上崗證后方能進行操作，人員資格的鑒定必須定期進行。對于在生產一線工作的現場操作與檢驗人員，應堅持培訓、考核、發證和持證上崗等一系列措施和辦法，對一些關鍵零件或特殊條件的熱處理，還應明確規定必須由一定等級以上的工人操作。因此，工藝評審時，審核員通過對操作人員/檢驗員的合格證、培訓教材、試卷等的審核，便可以確定人員控制是否滿足要求。

（二）環境控制

特種工藝生產環境通常包括廠房、溫度、濕度、照明度等條件。我國GJB509《熱處理工藝質量控制》就規定熱處理車間內溫度應不低于10℃，光照度不低于50lx。[2]這些生產環境不僅關系到熱處理生產的安全和環境保護，而且直接或間接影響熱處理質量。在對供應商的特種工藝評審中，曾發現有供應商在冬季由于環境溫度過低，導致鋁合金自然時效硬度不合格的情況出現。對于熱處理工藝，車間應有足夠的面積滿足各項設備技術要求，在車間內應設置擺放待處理工件、合格工件、不合格工件、返工工件等專門區域，滿足質量管理的規定。與設備相關的各種儀表應遠離灰塵、腐蝕性煙氣、避免振動，環境溫度應符合儀表要求，以保證儀表正常運行。同時，熱處理車間也應保持一定的溫度和照明，保證工序正確無誤地按照要求執行，避免因外部環境因素造成工件質量下降。

（三）材料的質量控制

特種工藝生產中涉及的材料包括原材料與工藝材料。在航空業中，原材料主要通過嚴格入廠驗收與庫房管理來保證，同時需將控制的理念延伸到供應商的生產過程，確保原材料供應商具備完善的質量體系以及符合客戶要求的工藝能力。在工藝評審中對工藝材料更為關注。工藝材料種類繁多，且在生產中直接與零件接觸，對實現零件工藝過程和保證零件性能與質量影響顯著。例如，鹽浴用鹽的pH值不合格，可能引起零件的腐蝕等問題；鋼制零件淬火時，若淬火發生老化，可能造成冷卻速率下降，降低零件強度。對工藝材料的通用要求是：在保證工藝過程正確實施的前提下，不應對工件產生有害影響。除了嚴格入廠復驗程序外，很多材料在貯存、運輸及生產過程中會發生變質，無法滿足工藝要求。因此，必須對材料的存儲、使用情況進行控制，必要時需對使用中的工藝材料進行定期分析。

熱處理工藝材料及槽液控制的主要內容，包括建立標準或技術條件、出廠入廠化驗及槽液周期分析。航空工業已制定了熱處理用鹽、熱處理用氣體、淬火介質、滲劑、涂料等標準。對常用熱處理槽液有明確的技術要求，并定期進行分析化驗。例如，AMS2759即有要求鹽槽必須定期進行中性測試，而淬火介質必須進行周期性的冷卻曲線比對或淬透性試驗。[3]在對供應商的工藝評審中，材料控制是其中的一個重點：對于規范/工程文件中規定的材料，首先需要檢查是否依照相應的材料規范進行采購，入庫后需要關注其使用是否已超出了復驗的有效期；對于需要定期分析的工藝材料（如槽液、溶液等），檢查其分析周期、分析結果是否符合。而這些往往是工藝評審過程中難以發現的不符合之處。

（四）工藝方法與文件記錄

特種工藝強調過程控制，而工藝過程中的操作方法與技術要求則是其中最主要的部分。特種工藝生產中，每一道工序都必須滿足規范的要求，每一個工藝參數也都必須依據規范或標準，因此要求從業人員嚴格標準化作業、杜絕一切無依據操作。在整個熱處理過程中，各道工序如清洗、裝掛、升溫保溫、淬火等，具體操作方法都有嚴格規程。這些要求都必須在內部程序以及對現場人員操作進行指導的文件（如操作規程、工藝指令等）中明確體現。為了保證方法的符合性，我們在進行特種工藝審核時，要對供應商用于指導現場操作的文件（操作規程/典型工藝規程/工藝指令等）進行審核，保證文件符合我方工藝規范/工程文件要求；而在特種工藝現場評審中，觀察工人的操作步驟，注意關鍵控制點，檢查操作過程是否符合現場的指導文件，這樣便可有效保證工藝方法的符合性。

在實現過程標準化的同時，特種工藝生產還必須做好執行情況和質量情況的原始記錄。記錄是保證產品可追溯性的根本。在熱處理工藝中，技術文件和資料包括說明書、操作規程、工藝規程、流程卡、生產記錄卡、溫度儀表記錄紙、質量檢驗記錄、合格證以及設備、儀表、工藝材料和人員資格等原始情況等。技術文件和原始記錄都必須妥善保存一定期限，從而保證產品全程的可追溯性。只有正確的記錄才能反映工藝過程的符合性。工藝評審中，審核員需要對上述各項記錄內容進行重點審查，杜絕偽造與篡改，確保記錄的完整性、正確性和有效性。

（五）設備及測試計量過程控制

特種工藝往往會采用到很多專用設備，在生產中設備參數變化會對產品特性造成直接影響。在熱處理設備控制體系中最重要的是對溫度的控制。熱處理工藝中零件對于加熱溫度十分敏感，如鋁合金固溶處理加熱溫度窗口一般在10℃左右，如果溫度偏高，易引起組織內晶粒粗大化，甚至導致晶界處共晶熔化產生過燒；反之如果溫度偏低，則會導致溶質原子溶解不完全，降低固溶強化作用，影響后續時效處理效果。因此，在整個熱處理過程中，設備的控制（包括熱處理爐及儀表、淬火槽等）無疑是其中最關鍵的一環，而設備的控制主要體現在各項計量校驗的有效性上。

熱處理爐的溫度測量系統應能準確地反映出真實溫度，具有足夠的精度、可靠性和穩定性。溫度測量系統通常包括傳感器（通常為熱電偶）、補償導線及儀表，均應按相應規范進行配置，并定期檢定合格。現場使用的溫度測量元件，由于環境氣氛和溫度的影響，可能老化或變質，從而影響控溫精度。因此，在保證傳感器有必要定期進行系統精度測試（S.A.T.），確保整個溫度測試系統有效性與準確性。此外，為使熱處理零件達到預期的使用性能，加熱過程中全部零件及零件的所有部位均應處于熱處理工藝參數要求的溫度范圍內。為此，熱處理爐必須定期進行爐溫均勻性測試（T.U.S.），保證爐膛中工作區各處的溫度均勻一致。對于系統精度測試與爐溫均勻性測試所需要的測試熱電偶與測試儀表，也應當加以嚴格控制。所有熱電偶及儀表應經過檢定處于有效狀態，并可追溯至國家標準。另外為避免熱電偶在長時間高溫環境下產生熱電勢的漂移，航空熱處理標準中對于各類熱電偶的累積使用次數或復校周期也都有明確規定。在本項目的規范體系中，高溫測量被單獨作為一項特種工藝列出。在工藝評審中，審核員需要逐級追溯整個工藝中涉及的儀表與傳感器（包括工藝設備上采用工作儀表/熱電偶，以及用于測試的儀表/熱電偶）的證書/校驗報告，直至外部的計量標準，從而確保每一級計量的有效性。

系統精度測試與溫度均勻性測試的方法和周期均取決于客戶要求。一般而言，鑒定周期均與熱處理爐等級和儀表類型相關。例如，AMS2750中規定對于采用C類儀表的2級設備（鋁合金固溶、時效及鋼的回火處理常用），SAT周期為兩周，TUS周期為一個月，連續測試合格若干次后可延長周期。[4]進行SAT測試時，測試熱電偶的位置應盡可能靠近工藝熱電偶，二者熱端相隔距離不超過3英寸（76mm）。測試熱電偶冷端連接測試儀表，測試儀表溫度讀數經誤差修正（含測試儀表與熱電偶的修正值）后分別與對應的工藝儀表指示值比較，兩者之差應滿足規范的要求。在進行溫度均勻性測試的過程中，熱電偶的空間排列、分布密度必須滿足相關要求；在測試過程中，當整個有效工作區內溫度穩定后開始記錄讀數，間隔不超過2分鐘，記錄總時間不小于半小時，保證各個位置上的讀數均在設備規定的容差范圍以內。

在進行熱處理特種工藝評審時，SAT、TUS報告是審核的重點，測試的結果、原始數據、測試儀表/傳感器的編號與修正值、傳感器布置、測試時間與人員等信息均必須在測試報告中體現。評審者需要逐項進行檢查核對，確保內容符合相關要求。審核時也應關注熱處理設備的維修保養記錄，如果維修可能影響到設備加熱/保溫特性（如修理加熱管，更換保溫材料、控制傳感器/儀表，調整控制系統P.I.D等），則必須重新進行SAT與初次TUS測試。而這一點在評審中經常被生產方所忽略。

三、結語

所有結果都是由其過程所決定的。控制過程因素在一定范圍內，可確保獲得的結果達到期望水平。在熱處理過程控制流程中，明確客戶方面的技術要求，從“人、機、料、法、環、測”等方面分別著手；而對于其他類別的特種工藝，也同樣是從這幾方面展開。考慮到具體工藝的特點，側重點會有所不同。例如，對于操作者有較高專業水準要求的無損檢測、焊接類工藝，就需要對人員培訓、資質方面給予更多關注；而對于復合材料制造，則更需要對加工環境、材料控制方面進行重視。只有把握好直接或間接影響產品質量的每一個要素，才能保證工藝處于可控狀態，方可獲得高質量航空產品。

（作者單位為上海飛機制造有限公司）

參考文獻

[1] 劉樂，劉明粉. Nadcap航空特種工藝認證項目分析及建議[J].航空標準化與質量，2013（2）：29-31.

[2] 熱處理工藝質量控制[S].中華人民共和國國家軍用標準：GJB 509B-2008.

[3] Heat Treatment of Steel Parts General Requirements[S] . AerospaceMaterial Specification：AMS 2759 E.

[4] Pyrometry[S] . Aerospace Material Specification：AMS 2750 E.

[5] Heat Treatment of Aluminum Alloy Raw Materials[S] . AerospaceMaterial Specification：AMS 2772 E.