航空树脂基复合材料热压罐成型工艺审核探讨

2022-11-04丁东

科技与创新 2022年21期

丁东

（上海飞机制造有限公司，上海 201324）

树脂基复合材料是树脂作为连续相和增强材料共同构成的一类复合材料，其中树脂可分为热固性树脂和热塑性树脂，增强材料可分为纤维增强和颗粒增强等类别[1]。在航空领域，近年来，纤维增强热固性树脂基复合材料在飞机上应用比例越来越大，而热压罐成型工艺是纤维增强热固性树脂基复合材料应用最多、最为常见的一种成型方式。热压罐成型工艺的制件具有纤维体积含量高、力学性能可靠等优点[2]，热压罐成型工艺生产的制品占航空领域复材制品的比例高达80%以上，其成型的构件多用于航空器主承力和次承力结构。因此，对热压罐成型工艺过程的审核越来越受到行业内的关注，本文从人、机、料、法、环、测方面对纤维增强热固性树脂基复合材料的热压罐成型工艺过程控制进行了分析，对该工艺过程的审核进行了探讨。

1 热压罐成型工艺介绍

热压罐成型工艺是将复合材料毛坯、蜂窝夹心结构或胶接结构用真空袋密封在模具上，置于热压罐中，在真空或非真空的状态下，经过升温、加压、保温保压、降压泄压过程，使其成为所需要的形状和质量状态制品的成型工艺方法。纤维增强热固性树脂基复合材料的热压罐成型工艺流程如图1 所示。

图1 热压罐成型工艺流程图

2 工艺过程审核

热压罐成型工艺过程对产品造成影响的因素十分复杂，传统的工艺过程由于难以得到所加工材料内部状态变化的信息，因而只能遵循经验，一旦原材料、工作环境稍有波动，复合材料产品性能就暴露出可重复性较差、随炉件数据离散性大等缺点[3]，因此，必须对该成型工艺过程进行过程控制。从图1 可以看出，纤维增强热固性树脂基复合材料热压罐成型工艺的过程控制涉及人员、设备、工装、材料、工艺方法、环境、检测等各方面，因此，针对该成型工艺的审核也应围绕这些方面进行。

2.1 人员控制方面

从事复合材料航空制件的操作及检验人员需经过相应的培训，经考核后持证上岗。审核时，可以关注如下方面：组织是否有相应的资质管理程序，并得到实施；对于无损检测人员的资质是否按照NAS410 或者等效标准进行管理；对于人员的培训是否充分，操作和检验人员需要按照他们工作所涉及的内容来进行培训和认证。

2.2 设备控制方面

纤维增强热固性树脂基复合材料的热压罐成型工艺涉及的设备比较多，如低温材料存放的冷库，下料过程中可能需要自动下料机，铺层过程可能需要激光定位仪、自动铺带机、自动铺丝机、热隔膜成型机等，固化过程需要热压罐。

2.2.1 冷库

冷库主要存放预浸料或胶膜等低温材料，对于它的控制重点关注如下方面：冷库的温度设置是否满足材料存放温度要求；程序是否规定当材料存放温度超过规定范围后该如何处理，并确保材料外置时间记录表及时更新；冷库是否至少安装一个温度显示器，便于对温度进行监控；对于冷库的温度记录可以采用设备自动记录或经常手动记录的方式，当有温度偏差时，温度记录能够保证追溯性；首次使用或大修冷库后，进行一次温度均匀性测试，在日常管理中除保养设备外，还需要进行周期性的系统精度测试。

2.2.2 自动下料机

对于自动下料机的控制，可以关注设备的校验、维护保养、数控程序的控制等方面，另外，还需要进行周期性的设备鉴定试验，试验内容为按照特定的形状进行自动下料，完成下料后，对切割好的料片进行测量，需满足要求，以此来验证设备能力。

2.2.3 激光定位仪

对激光定位仪进行审核时，可关注工装与激光定位仪之间的相对位置，进行定位的系统是否进行了鉴定，是否进行了周期性的运行试验，试验内容为采用生产时相似数目的参考点和定位程序将工装与激光定位仪进行定位，在特定的工装上进行投影，对投影线进行测试，查看线宽等来验证激光定位仪的功能。

2.2.4 自动铺带机

利用自动铺带（ATL）技术可提高定位精度，铺叠速度几乎是手工铺叠速度的10 倍，在生产过程中材料利用率高、废品产出少[4]。应对自动铺带机进行周期性校验，包括监控铺带头压靴压实力和压辊压实力的系统、定位工装与自动铺带机之间的相对位置的系统，如果设备有对热源温度进行监控的系统时，也需对该温度监控系统进行精度校验。另外，设备除需正常的维护保养外，还需要进行周期性的运行试验，运行试验根据正常零件自动铺带参数进行设置，在平面工装上铺不同铺层角度的预浸带，每个方向至少铺3 条预浸带，单个方向的预浸带长度大于自动铺带机在该方向最大行程的1/2，每个方向的预浸带中，至少应有一条预浸带两端的切割角度分别为45°和90°，最后对铺好的铺层进行测量，需满足相应要求。在审核该设备时，可以重点关注周期性校准、设备维护、运行试验等内容。

2.2.5 自动铺丝机

自动铺丝技术兼备了纤维缠绕和自动铺带的优点，极大地提高了产品质量和可靠性[5]。对自动铺丝机进行周期性校验，校验内容包括：铺丝机联动系统的校验，如重复定位精度和定位精度；定位工装与自动铺丝机之间的相对位置系统的校验；监控铺丝头压辊压实力系统的校验；当有加热能力时，还需要对热源温度进行监控的系统进行校验。除这些系统的周期性校验外，设备需要有维护和保养计划，另外，需对设备进行周期性的运行鉴定试验，运行鉴定试验一般在不同曲率的工装上进行，根据不同铺层角度选择不同预浸丝束端头偏差，如选择0%、50%及100%进行铺丝，铺层完成后对丝束带精度进行测量，需满足公差要求。审核该设备时，可查看设备相应的计量报告、试验报告及维护保养情况等。

2.2.6 热隔膜成型机

直观上，热隔膜成型过程较为简单，但实际上该成型过程受预浸料物理特性、工艺参数调控、几何特征等多重因素综合影响[6]。热隔膜成型机配有预浸料铺层、工装和设备相互定位的系统，同时还配有温度监视、控制和记录系统及对真空压力进行监控和记录的系统，对热隔膜成型机进行周期性校验时要包含上述系统的校验，在审核该设备时，可关注该设备校验及保养情况。

2.2.7 热压罐

对于热压罐的控制，审核时可关注如下几点：热压罐的鉴定过程，包括热压罐空载及满载状态下的运行试验，在不同设定温度下的实际升降温速率、保温、压力等是否满足要求；热压罐周期性温度均匀性测试及系统精度测试；热压罐压力及真空压力系统周期性测试；热压罐温度、真空压力及压力仪表精度周期性测试；热电偶的校准，包括控温热电偶、记录热电偶、报警热电偶等；随炉热电偶的使用次数控制；热压罐维护保养等。

2.3 工装控制方面

对于航空复合材料成型工装，需要满足外形尺寸（长、宽、高等）、形位尺寸（平面度、垂直度、平行度、直线度等）、外表面的光洁程度等，并对工装进行室温及高温气密性试验。另外，根据工装的特点，还需要进行工装热分布测试，通过测试得出领先偶及滞后偶位置，以便制真空袋时在相应位置放置随炉热电偶。

2.4 材料控制

纤维增强热固性树脂基复合材料的热压罐成型工艺涉及的材料主要分为工艺材料和飞走材料。工艺材料又分为可接触材料和不可接触材料，可接触工艺材料包括塑料/牛角刮板、白棉纱手套、脱模布、脱模剂、可剥布、隔离膜、标记笔等，不可接触工艺材料包括丁酮、丙酮、真空袋密封胶条、真空袋薄膜、透气毡等。飞走材料包括预浸料、蜂窝、胶膜等[7]。

对于工艺材料的控制，在审核中可关注所用的工艺材料是否符合规定的牌号或标准要求、工艺材料的控制是否有程序规定等。对于飞走材料的控制，除关注以上要求外，在审核过程中还需关注如下几方面：组织的程序中能否保证易变质材料的存储寿命、力学性能寿命及操作寿命等的追溯性；对材料的存储寿命延期等的规定是否满足客户要求；在易变质材料的转运过程中，是否有相应的控制，保证材料外置时间和温度可控；材料的存放是否能满足要求，如预浸料和胶膜需要末端支撑存储，不能产生叠痕，下料完成后的材料放回冷库时需要密封存放，防止材料受到损坏或污染等；易变质材料的解冻过程是否满足要求，如是否在洁净间解冻、开袋前是否解冻完全、保证密封袋表面无水珠等；对于入库待检材料、过期或不合格材料是否进行相应的控制，与合格材料进行分离等。

2.5 工艺方法控制

纤维增强热固性树脂基复合材料的热压罐成型工艺主要涉及工装准备、下料、铺贴及预压实、制真空袋、固化、脱模及加工等过程。

2.5.1 工装准备

工装准备前，操作人员需核对工装号信息，再领取相应的辅料如脱模剂、脱模布、丁酮、手套等，另外人员需佩戴正确的劳防用品。进行工装清理后再施加脱模剂或贴脱模布，最后干燥工装。审核过程中，可关注工装信息是否完整、领取辅料是否正确、工装清理过程是否满足要求、脱模剂的施加是否满足要求，如施加2层脱模剂间的时间间隔及脱模剂的干燥时间，如果施加脱模布时，还需要关注脱模布的使用是否满足要求，如脱模布是否为对接而不允许搭接等。

2.5.2 下料

对于手工下料，在审核过程中需要关注材料存放是否满足要求、料片尺寸是否符合图纸或工艺文件中的要求，料片的标记方式等方面的控制。如果采用自动下料时，则需关注如下方面：检查台面情况是否平整、清洁，基准调整和真空吸附时现场控制情况，刀具是否满足要求，数控程序是否进行了相应的控制，料片的标记和尺寸是否满足要求，剩余材料的存放处置等。

2.5.3 铺贴及预压实

在铺贴之前，操作人员需要确认工装准备是否满足要求，接收料片时需核实料片批次、卷号、剩余操作寿命、剩余力学性能寿命等信息，辅助材料是否满足规定要求，量具是否在计量有效期内。铺贴时，可以关注如下几方面：铺贴的基准线是否正确，与工艺文件中规定的是否一致；铺贴的方向是否满足要求；如果铺层进行拼接时，是否满足拼搭接要求；如果采用自动铺带、自动铺丝、热隔膜机进行铺层或预成型时，需要对设备进行调试，并核对运行的数控程序是否正确；查看铺贴的预浸料是否按照要求制成临时真空袋，并抽真空进行预压实。

2.5.4 制真空袋

在铺贴和预压实后，对预浸料铺层制真空袋，审核该过程时可关注如下方面：制真空袋是否符合操作规范或工艺文件要求，如随炉热电偶的位置是否与工装热分布测试后得到的领先偶和滞后偶位置一致，热电偶是否放置在零件余量区，真空嘴的放置是否满足要求，拐角区、凸起和凹陷区真空袋余量是否足够，是否用手指或刮板压实，避免架桥；制真空袋后，是否按要求进行了真空泄露检查。

2.5.5 固化

固化过程的控制对于复合材料热压罐成型工艺来说比较重要，其过程涉及到了热量传递、固化反应、树脂流动、纤维密实、气泡的形成、生长及迁移等多种物理、化学及其耦合变化[5]。在审核该过程时可以关注如下方面：固化程序中设置的固化参数是否满足规范或工艺文件要求；当出现异常情况，如真空袋中正压力超差、热电偶显示不正常等，程序中是否有处置的规定；固化完成后，核查固化的实际参数，如升降温速率、保温温度和时间、真空压力、正压力及保压时间等是否满足工艺要求；是否能确保固化温度及时间、设备编号、固化批次号、固化程序号等均进行了记录并保存；热电偶温度记录的时间间隔是否满足规范要求。

2.5.6 脱模及加工

脱模前操作人员应做好防护工作，如拆真空袋时佩戴防滑手套，搬运转移零件时佩戴棉线手套。脱模时，审核该过程时可关注如下几方面：是否用剪刀将随炉热电偶剪断，防止暴力拉扯；楔形脱模工具是否使用非金属材料，防止划伤零件或工装；是否有暴力敲击脱模工具或零件的现象。

脱模后需要对制件进行手工加工时，需注意如下要求：操作人员是否穿戴好防尘服、全面罩、手套等劳防用品；划线时使用的工具或标记笔是否符合要求；除尘装置是否已开启；切割和打磨是否满足要求，打磨时对打磨区周围是否进行了保护。

脱模后需要对制件进行机械加工，还需要关注如下方面：设备状态是否完好，数控程序控制是否满足规定要求，是否使用正确的工装，使用的量具是否在有效期内，加工后的零件是否进行了清洁和保护。

2.6 环境控制

对于热压罐成型工艺来说，环境控制包含一般工作间控制和洁净间控制。一般工作间应保持清洁、明亮，当有产生大量粉尘的操作时，需要在单独区域操作。审核洁净间控制时，可关注如下方面：洁净间的控制程序是否满足规范要求，是否按照规定对区域内温湿度进行控制，是否定期对区域内的颗粒度进行检查，操作人员进入洁净间时是否穿戴相应的工作服、工作鞋和工作帽，是否禁止在该区域内进行大量打磨操作，是否禁止在该区域内对工装涂脱模剂等。

2.7 检测过程控制

加工完成复材制件后，除满足图纸要求的外形尺寸外，还需要对制件的内部缺陷进行检查，对于复合材料制件一般采用超声检测方法。在对超声检测过程进行审核时，可以关注以下方面：无损检测人员的控制；设备及探头的周期性校准；无损检测工艺卡的编制是否符合要求；检测用的对比试块是否满足要求，对比试块的生产记录及验证记录是否保存等。