航空樹脂基復合材料熱壓罐成型工藝審核探討

丁東

（上海飛機制造有限公司，上海 201324）

樹脂基復合材料是樹脂作為連續相和增強材料共同構成的一類復合材料，其中樹脂可分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂，增強材料可分為纖維增強和顆粒增強等類別[1]。在航空領域，近年來，纖維增強熱固性樹脂基復合材料在飛機上應用比例越來越大，而熱壓罐成型工藝是纖維增強熱固性樹脂基復合材料應用最多、最為常見的一種成型方式。熱壓罐成型工藝的制件具有纖維體積含量高、力學性能可靠等優點[2]，熱壓罐成型工藝生產的制品占航空領域復材制品的比例高達80%以上，其成型的構件多用于航空器主承力和次承力結構。因此，對熱壓罐成型工藝過程的審核越來越受到行業內的關注，本文從人、機、料、法、環、測方面對纖維增強熱固性樹脂基復合材料的熱壓罐成型工藝過程控制進行了分析，對該工藝過程的審核進行了探討。

1 熱壓罐成型工藝介紹

熱壓罐成型工藝是將復合材料毛坯、蜂窩夾心結構或膠接結構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下，經過升溫、加壓、保溫保壓、降壓泄壓過程，使其成為所需要的形狀和質量狀態制品的成型工藝方法。纖維增強熱固性樹脂基復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 工藝過程審核

熱壓罐成型工藝過程對產品造成影響的因素十分復雜，傳統的工藝過程由于難以得到所加工材料內部狀態變化的信息，因而只能遵循經驗，一旦原材料、工作環境稍有波動，復合材料產品性能就暴露出可重復性較差、隨爐件數據離散性大等缺點[3]，因此，必須對該成型工藝過程進行過程控制。從圖1 可以看出，纖維增強熱固性樹脂基復合材料熱壓罐成型工藝的過程控制涉及人員、設備、工裝、材料、工藝方法、環境、檢測等各方面，因此，針對該成型工藝的審核也應圍繞這些方面進行。

2.1 人員控制方面

從事復合材料航空制件的操作及檢驗人員需經過相應的培訓，經考核后持證上崗。審核時，可以關注如下方面：組織是否有相應的資質管理程序，并得到實施；對于無損檢測人員的資質是否按照NAS410 或者等效標準進行管理；對于人員的培訓是否充分，操作和檢驗人員需要按照他們工作所涉及的內容來進行培訓和認證。

2.2 設備控制方面

纖維增強熱固性樹脂基復合材料的熱壓罐成型工藝涉及的設備比較多，如低溫材料存放的冷庫，下料過程中可能需要自動下料機，鋪層過程可能需要激光定位儀、自動鋪帶機、自動鋪絲機、熱隔膜成型機等，固化過程需要熱壓罐。

2.2.1 冷庫

冷庫主要存放預浸料或膠膜等低溫材料，對于它的控制重點關注如下方面：冷庫的溫度設置是否滿足材料存放溫度要求；程序是否規定當材料存放溫度超過規定范圍后該如何處理，并確保材料外置時間記錄表及時更新；冷庫是否至少安裝一個溫度顯示器，便于對溫度進行監控；對于冷庫的溫度記錄可以采用設備自動記錄或經常手動記錄的方式，當有溫度偏差時，溫度記錄能夠保證追溯性；首次使用或大修冷庫后，進行一次溫度均勻性測試，在日常管理中除保養設備外，還需要進行周期性的系統精度測試。

2.2.2 自動下料機

對于自動下料機的控制，可以關注設備的校驗、維護保養、數控程序的控制等方面，另外，還需要進行周期性的設備鑒定試驗，試驗內容為按照特定的形狀進行自動下料，完成下料后，對切割好的料片進行測量，需滿足要求，以此來驗證設備能力。

2.2.3 激光定位儀

對激光定位儀進行審核時，可關注工裝與激光定位儀之間的相對位置，進行定位的系統是否進行了鑒定，是否進行了周期性的運行試驗，試驗內容為采用生產時相似數目的參考點和定位程序將工裝與激光定位儀進行定位，在特定的工裝上進行投影，對投影線進行測試，查看線寬等來驗證激光定位儀的功能。

2.2.4 自動鋪帶機

利用自動鋪帶（ATL）技術可提高定位精度，鋪疊速度幾乎是手工鋪疊速度的10 倍，在生產過程中材料利用率高、廢品產出少[4]。應對自動鋪帶機進行周期性校驗，包括監控鋪帶頭壓靴壓實力和壓輥壓實力的系統、定位工裝與自動鋪帶機之間的相對位置的系統，如果設備有對熱源溫度進行監控的系統時，也需對該溫度監控系統進行精度校驗。另外，設備除需正常的維護保養外，還需要進行周期性的運行試驗，運行試驗根據正常零件自動鋪帶參數進行設置，在平面工裝上鋪不同鋪層角度的預浸帶，每個方向至少鋪3 條預浸帶，單個方向的預浸帶長度大于自動鋪帶機在該方向最大行程的1/2，每個方向的預浸帶中，至少應有一條預浸帶兩端的切割角度分別為45°和90°，最后對鋪好的鋪層進行測量，需滿足相應要求。在審核該設備時，可以重點關注周期性校準、設備維護、運行試驗等內容。

2.2.5 自動鋪絲機

自動鋪絲技術兼備了纖維纏繞和自動鋪帶的優點，極大地提高了產品質量和可靠性[5]。對自動鋪絲機進行周期性校驗，校驗內容包括：鋪絲機聯動系統的校驗，如重復定位精度和定位精度；定位工裝與自動鋪絲機之間的相對位置系統的校驗；監控鋪絲頭壓輥壓實力系統的校驗；當有加熱能力時，還需要對熱源溫度進行監控的系統進行校驗。除這些系統的周期性校驗外，設備需要有維護和保養計劃，另外，需對設備進行周期性的運行鑒定試驗，運行鑒定試驗一般在不同曲率的工裝上進行，根據不同鋪層角度選擇不同預浸絲束端頭偏差，如選擇0%、50%及100%進行鋪絲，鋪層完成后對絲束帶精度進行測量，需滿足公差要求。審核該設備時，可查看設備相應的計量報告、試驗報告及維護保養情況等。

2.2.6 熱隔膜成型機

直觀上，熱隔膜成型過程較為簡單，但實際上該成型過程受預浸料物理特性、工藝參數調控、幾何特征等多重因素綜合影響[6]。熱隔膜成型機配有預浸料鋪層、工裝和設備相互定位的系統，同時還配有溫度監視、控制和記錄系統及對真空壓力進行監控和記錄的系統，對熱隔膜成型機進行周期性校驗時要包含上述系統的校驗，在審核該設備時，可關注該設備校驗及保養情況。

2.2.7 熱壓罐

對于熱壓罐的控制，審核時可關注如下幾點：熱壓罐的鑒定過程，包括熱壓罐空載及滿載狀態下的運行試驗，在不同設定溫度下的實際升降溫速率、保溫、壓力等是否滿足要求；熱壓罐周期性溫度均勻性測試及系統精度測試；熱壓罐壓力及真空壓力系統周期性測試；熱壓罐溫度、真空壓力及壓力儀表精度周期性測試；熱電偶的校準，包括控溫熱電偶、記錄熱電偶、報警熱電偶等；隨爐熱電偶的使用次數控制；熱壓罐維護保養等。

2.3 工裝控制方面

對于航空復合材料成型工裝，需要滿足外形尺寸（長、寬、高等）、形位尺寸（平面度、垂直度、平行度、直線度等）、外表面的光潔程度等，并對工裝進行室溫及高溫氣密性試驗。另外，根據工裝的特點，還需要進行工裝熱分布測試，通過測試得出領先偶及滯后偶位置，以便制真空袋時在相應位置放置隨爐熱電偶。

2.4 材料控制

纖維增強熱固性樹脂基復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。飛走材料包括預浸料、蜂窩、膠膜等[7]。

對于工藝材料的控制，在審核中可關注所用的工藝材料是否符合規定的牌號或標準要求、工藝材料的控制是否有程序規定等。對于飛走材料的控制，除關注以上要求外，在審核過程中還需關注如下幾方面：組織的程序中能否保證易變質材料的存儲壽命、力學性能壽命及操作壽命等的追溯性；對材料的存儲壽命延期等的規定是否滿足客戶要求；在易變質材料的轉運過程中，是否有相應的控制，保證材料外置時間和溫度可控；材料的存放是否能滿足要求，如預浸料和膠膜需要末端支撐存儲，不能產生疊痕，下料完成后的材料放回冷庫時需要密封存放，防止材料受到損壞或污染等；易變質材料的解凍過程是否滿足要求，如是否在潔凈間解凍、開袋前是否解凍完全、保證密封袋表面無水珠等；對于入庫待檢材料、過期或不合格材料是否進行相應的控制，與合格材料進行分離等。

2.5 工藝方法控制

纖維增強熱固性樹脂基復合材料的熱壓罐成型工藝主要涉及工裝準備、下料、鋪貼及預壓實、制真空袋、固化、脫模及加工等過程。

2.5.1 工裝準備

工裝準備前，操作人員需核對工裝號信息，再領取相應的輔料如脫模劑、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。審核過程中，可關注工裝信息是否完整、領取輔料是否正確、工裝清理過程是否滿足要求、脫模劑的施加是否滿足要求，如施加2層脫模劑間的時間間隔及脫模劑的干燥時間，如果施加脫模布時，還需要關注脫模布的使用是否滿足要求，如脫模布是否為對接而不允許搭接等。

2.5.2 下料

對于手工下料，在審核過程中需要關注材料存放是否滿足要求、料片尺寸是否符合圖紙或工藝文件中的要求，料片的標記方式等方面的控制。如果采用自動下料時，則需關注如下方面：檢查臺面情況是否平整、清潔，基準調整和真空吸附時現場控制情況，刀具是否滿足要求，數控程序是否進行了相應的控制，料片的標記和尺寸是否滿足要求，剩余材料的存放處置等。

2.5.3 鋪貼及預壓實

在鋪貼之前，操作人員需要確認工裝準備是否滿足要求，接收料片時需核實料片批次、卷號、剩余操作壽命、剩余力學性能壽命等信息，輔助材料是否滿足規定要求，量具是否在計量有效期內。鋪貼時，可以關注如下幾方面：鋪貼的基準線是否正確，與工藝文件中規定的是否一致；鋪貼的方向是否滿足要求；如果鋪層進行拼接時，是否滿足拼搭接要求；如果采用自動鋪帶、自動鋪絲、熱隔膜機進行鋪層或預成型時，需要對設備進行調試，并核對運行的數控程序是否正確；查看鋪貼的預浸料是否按照要求制成臨時真空袋，并抽真空進行預壓實。

2.5.4 制真空袋

在鋪貼和預壓實后，對預浸料鋪層制真空袋，審核該過程時可關注如下方面：制真空袋是否符合操作規范或工藝文件要求，如隨爐熱電偶的位置是否與工裝熱分布測試后得到的領先偶和滯后偶位置一致，熱電偶是否放置在零件余量區，真空嘴的放置是否滿足要求，拐角區、凸起和凹陷區真空袋余量是否足夠，是否用手指或刮板壓實，避免架橋；制真空袋后，是否按要求進行了真空泄露檢查。

2.5.5 固化

固化過程的控制對于復合材料熱壓罐成型工藝來說比較重要，其過程涉及到了熱量傳遞、固化反應、樹脂流動、纖維密實、氣泡的形成、生長及遷移等多種物理、化學及其耦合變化[5]。在審核該過程時可以關注如下方面：固化程序中設置的固化參數是否滿足規范或工藝文件要求；當出現異常情況，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定；固化完成后，核查固化的實際參數，如升降溫速率、保溫溫度和時間、真空壓力、正壓力及保壓時間等是否滿足工藝要求；是否能確保固化溫度及時間、設備編號、固化批次號、固化程序號等均進行了記錄并保存；熱電偶溫度記錄的時間間隔是否滿足規范要求。

2.5.6 脫模及加工

脫模前操作人員應做好防護工作，如拆真空袋時佩戴防滑手套，搬運轉移零件時佩戴棉線手套。脫模時，審核該過程時可關注如下幾方面：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象。

脫模后需要對制件進行手工加工時，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；劃線時使用的工具或標記筆是否符合要求；除塵裝置是否已開啟；切割和打磨是否滿足要求，打磨時對打磨區周圍是否進行了保護。

脫模后需要對制件進行機械加工，還需要關注如下方面：設備狀態是否完好，數控程序控制是否滿足規定要求，是否使用正確的工裝，使用的量具是否在有效期內，加工后的零件是否進行了清潔和保護。

2.6 環境控制

對于熱壓罐成型工藝來說，環境控制包含一般工作間控制和潔凈間控制。一般工作間應保持清潔、明亮，當有產生大量粉塵的操作時，需要在單獨區域操作。審核潔凈間控制時，可關注如下方面：潔凈間的控制程序是否滿足規范要求，是否按照規定對區域內溫濕度進行控制，是否定期對區域內的顆粒度進行檢查，操作人員進入潔凈間時是否穿戴相應的工作服、工作鞋和工作帽，是否禁止在該區域內進行大量打磨操作，是否禁止在該區域內對工裝涂脫模劑等。

2.7 檢測過程控制

加工完成復材制件后，除滿足圖紙要求的外形尺寸外，還需要對制件的內部缺陷進行檢查，對于復合材料制件一般采用超聲檢測方法。在對超聲檢測過程進行審核時，可以關注以下方面：無損檢測人員的控制；設備及探頭的周期性校準；無損檢測工藝卡的編制是否符合要求；檢測用的對比試塊是否滿足要求，對比試塊的生產記錄及驗證記錄是否保存等。

3 結束語

綜上所述，在航空領域，對纖維增強熱固性樹脂基復合材料的熱壓罐成型工藝應用較為廣泛，通過對該成型工藝過程中人、機、料、法、環、測的審核，能保證該成型過程在受控的條件下進行，以提高復合材料制件的質量合格率。