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复合材料结构制造的质量概念和资质认证 |
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作者：中国商用飞机公司制造中心 杨霓虹 |
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择要：复合材料结构的生产制作具有工序多，工艺性强，从原料到最终制件在制造车间一次完成的特点，需要采用独特的质量控制方法和过程，确保原料及最终制件的质量合格，同时，制造商或供应商需通过资质认证获得从事有关产品生产的资格。本文阐述了复合材料结构制造中的质量概念和资质认证的概念，并提出了质量控制和资质认证的内容、方法和过程。
关键词：复合材料、结构制造、质量、检验、认证
1. 引言
碳纤维增强树脂基复合材料因其在飞机结构减重方面的潜力和优良的维护性能，在飞机制造中得到广泛应用，波音787 结构中复合材料已占其重量的50%， 而空客A350 结构中复合材料的使用更是达到52%。然而，有别于传统的金属材料，复合材料的制造具有其独特性，复合材料结构从原料到最终制件在制造车间一次完成，其中涉及多个步骤，质量控制和资质认证在复合材料结构制造中占有重要地位。
2. 复合材料结构制造中的质量概念
图1 简单描述了复合材料如何从原料到最终结构的制作过程，可见复合材料的结构性能是在其生产过程中逐步形成的，在最终固化前，只有化学和物理性能是确定的，而结构性能是不确定的甚至根本不存在。然而一旦固化完成，则其几何尺寸和力学性能便都确定了，基本上不可能作任何调整。复合材料的生产制作过程一般涉及多个工序，且各工序工艺性强，影响因素多，最终制件性能不可避免地存在较大的离散性。
图1：复合材料从原料到结构件的生产过程示意图
因此，为获得设计要求的几何尺寸和力学性能，就必须从机理上明白复合材料结构生产中的每道工序，跟踪和控制从材料采购到制作的每个过程，并检验其是否满足具体的技术要求，所有的（100%）制件都必须经过最终无损检测。
2.1．检验和控制的内容
检查或控制的内容主要包括以下方面：
- 来料检验
- 操作过程和固化过程跟踪
- 最终制件无损检测
经来料检验合格的材料将给予批次检验结果，该结果必须达到相应材料的认证水平或性能要求，通常会使用一文件给定这些性能要求并用此作为主制造商和材料供应商间合同的一部分。对复合材料的生产，必须跟踪和控制其中的每个过程和关键参数，这是因为任何哪怕是很微小偏离，比如个别铺层顺序的错误，也会对零件的性能产生极大的影响。常用来指导和跟踪生产制作过程的工具或方法有如铺层顺序表，制作生产操作指南，温度和时间记录表以及净化间的环境记录等。这其中，固化过程的跟踪和控制最为重要，因为复合材料零件只有在该过程才获得其结构性能，与零件一同固化的随炉试件往往用来验证零件的生产制作过程。由于复合材料制件生产制作过程工序多，工艺性强，不可避免地带来较大的性能分散，因而在复合材料的生产制作中，100%的无损检测（ＮＤＴ）对保证零件的质量不可或缺。
值得注意的是，NDT可以探测如孔隙、分层这样的缺陷，但不能显示铺层错误这样的问题，因此不能仅仅靠NDT来保证零件的质量。
2.２．质量要求单
质量要求单常作为图纸的一部分，用于复合材料零件生产的质量控制，它一般可含有如下内容：
- 生产方法
- 材料
- 相关技术要求
- 首件检验
- 首件认证
质量要求单在上述各项中标定制造商相应的标准，规范，或具体要求，包括材料规范、工艺规范、制件允许的内部缺陷尺寸和表面质量、制件加工质量要求、无损检测规范及认证程序等文件。制造商和供应商将按照各文件要求进行生产和检验。
３．认证的概念和过程
虽然适航当局通常不对材料和工艺进行认证[1]，但因复合材料的原料以及制作过程存在较大的的变数，产品质量受各具体制造商或供应商的质量保证体系和技术水平的影响很大，为保证主制造商和各供应商在批量生产中的重复性和可靠性，主制造商和各供应商应通过资质认证以保证其在技术上和生产组织体系上抗干扰变化的能力。而事实上适航当局也接受将材料和工艺作为特定的飞机产品认证的一部分来加以认证[1]。对主制造商而言，通过资质认证实施对供应商的质量控制，对保证其产品的质量尤为重要。从这里也可看出，认证的概念其实包含两方面－ 技术认证和体系认证。
３.１．技术认证
技术认证包括如下方面：
- 原材料认证
- 工艺认证
- 零件（产品）认证
下面分别阐述各方面的目的和内容。
复合材料必须经过认证以获得飞机设计许用值，该设计许用值应建立在大量实验数据统计的基础上以满足适航规范对性能分散性的要求[1]，如B值的使用[2]。类似要求也适用于可能对复合材料的工艺和性能有较大影响的设备和辅助材料， 这些要求一般写入制造商的材料规范（Material Specification）。材料规范规定对某一材料性能（除最终零件尺寸和性能外）的要求，一方面为设计和生产制造人员提供材料数据，另一方面也可作为认证材料和材料供应商的依据，必要时，也可用作寻找第二供应商的条件。相应地，复合材料制作工艺也必须经过认证以获得能保证制件性能合格的工艺范围或允许的偏差，工艺要求一般写入制造商的工艺规范（Process Specification）。工艺规范给出工程要求，并规定满足该要求的详细工艺过程，也可定义认证零件制造工艺和批量生产检验的要求。
为建立建全上述材料规范和工艺规范，主制造商必须首先建立或选择全套用于测量材料和基本制件的物理、化学和力学性能的实验标准和方法，这些标准和方法也是主制造商技术规范中不可或缺的部份。
然而，无论是材料规范还是工艺规范都是在典型条件下针对单一的情形制定的，任何实际的零件制造过程都可能包含多个或多种工序，多种设备，甚至一些特殊要求。首件（产品）认证就是要验证某种制造技术（工艺、设备）和材料（零件形状、尺寸）的集合能否在实际的生产条件下生产出满足设计要求的产品。此外，验证制造商或供应商的生产组织体系和技术水平能否确保按设计要求正确应用规范生产出合格的产品，也是首件（产品）认证的目的之一。
３.2．体系认证
体系在这里指的是企业的生产组织体系，包括产品生产过程和质量保证体系。企业机构或生产组织的体系认证是对制造商，特别是对供应商的资质认证，认证其生产过程和质量保证体系能否保证企业按主制造商的技术要求连续稳定地生产出合格的产品。因此，体系认证不仅是对生产过程和质量保证体系的认证，也包括技术认证，两者总是关联在一起，如图2所示。
图2：体系认证内容和过程
如图 2 所示认证过程，认证前，主制造商将选择有关的制造商或供应商， 并确定选取和认证的主要指标和程序等，同时，主制造商应准备好有关产品的标准、规范和方法。企业质量保证体系检验主要检验和审核企业，特别是供应商，是否具有质量检验的有关机构、人员和文件资料，以及机构设置的合理性、人员的素质和构成以及文件资料的完整性。工业生产过程检验和首件检验主要是通过对具体产品的生产过程现场观测和询问，配合首件检验，审核和验证生产企业在实际生产过程中是否遵守有关技术规范和流程，并能够按照技术规范和流程生产出合格的产品。最终通过认证的制造商或供应商将获得从事有关产品生产的合格证。
4．总结
复合材料结构的生产制作具有工序多，工艺性强，从原料到最终制件在制造车间一次完成的特点，需要采用独特的质量控制方法和过程，如来料检验、过程跟踪、最终制件无损检测和在图纸中给出质量要求单，确保原料及最终制件质量合格。同时，制造商或供应商需通过资质认证获得从事有关产品生产的资格。
参考文献：
[1] AC 20-107B, Composite Aircraft Structure, Advisory Circular, 24 August 2010.
[2] CS 25.613, Certification Specification for Large Aircraft, Amendment 10, EASA, 23, Dec. 2010.(end)
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(7/16/2012) |
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