張 揚,王 峰,張一川,趙子豪,魏 剛
(1.中航復(fù)合材料有限責任公司,北京 101300;2.南京玻璃纖維研究設(shè)計院有限公司,南京 210012)
近些年來,隨著國內(nèi)復(fù)合材料在設(shè)計和制造技術(shù)上的發(fā)展和成熟,先進復(fù)合材料在軍機和民用飛機的用量都不斷擴大,尤其是新研制的通用航空飛機全機身都采用復(fù)合材料[1-3]。在國家相關(guān)政策支持下,未來國產(chǎn)復(fù)合材料在民用飛機中的使用必然會越來越多,這為國內(nèi)復(fù)合材料上下游相關(guān)生產(chǎn)和研發(fā)企業(yè)帶來了巨大的商機。但是與國外復(fù)合材料體系相比,目前制約國產(chǎn)復(fù)合材料在民機上應(yīng)用的最主要原因就是預(yù)浸料制備整個生產(chǎn)過程的管控還無法滿足民機適航要求[4-6]。
質(zhì)量不是檢驗出來的而是通過規(guī)范生產(chǎn)過程得到的。隨著統(tǒng)計技術(shù)在復(fù)合材料產(chǎn)品上的應(yīng)用愈發(fā)廣泛,企業(yè)可以進一步通過收集、整理與產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)的有效數(shù)據(jù),來提高產(chǎn)品質(zhì)量。運用數(shù)理統(tǒng)計推斷原理,以部分(樣本數(shù)據(jù))測全體(總體數(shù)據(jù))的特性,并通過測量、描述和分析產(chǎn)品特性的變化,以形成數(shù)學(xué)模型,從而對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行監(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)量的改進指明方向[7,8]。
目前,國外民機材料供應(yīng)商主要通過實施一整套覆蓋復(fù)合材料生產(chǎn)“人、機、料、法、環(huán)、測”等每一個環(huán)節(jié)并被使用方批準的過程控制文件(PCD)來進行材料的生產(chǎn)和交付,并以此來保證所生產(chǎn)材料的質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性。國內(nèi)供應(yīng)商對預(yù)浸料生產(chǎn)中間過程控制普遍管控不足,大多采用出廠檢驗結(jié)果來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)合材料有限責任公司(以下簡稱中航復(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)的過程控制文件PCD(Process Control Document),并對預(yù)浸料的樹脂質(zhì)量分數(shù)和纖維面密度2項關(guān)鍵特性(Key Characteristic)進行監(jiān)控。結(jié)果表明,預(yù)浸料樹脂質(zhì)量分數(shù)和纖維面密度的穩(wěn)定性和一致性良好,過程可控。同時,根據(jù)對預(yù)浸料關(guān)鍵特性過程能力分析,采取相應(yīng)措施來消除影響關(guān)鍵特性過程能力的誤差,進一步提高預(yù)浸料的生產(chǎn)質(zhì)量。
樹脂:中溫固化改性增韌環(huán)氧樹脂ACTECH?1203,中航復(fù)合材料有限責任公司研制;
玻璃纖維織物:帶有藍色示蹤紗的后處理無堿玻璃纖維織物EW301F-127,南京玻璃纖維研究設(shè)計院有限公司。
分析天平:ME204,瑞士METTLER TOLEDO公司;
恒溫水浴鍋:HHWO-50L型,中國河南艾瑞德儀器設(shè)備有限公司;
電熱鼓風干燥箱:WGLL-125BE型,中國天津泰斯特儀器有限公司。
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
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)浸料物理性能試驗方法 第3部分:纖維面密度的測定》標準進行預(yù)浸料纖維面密度測定;按HB 7736.5《復(fù)合材料預(yù)浸料物理性能實驗方法第5部分:樹脂含量的測定》標準進行預(yù)浸料中樹脂的質(zhì)量分數(shù)測定。
過程能力Cp(Process capability)是指過程在受控狀態(tài)下的實際加工能力,適用于統(tǒng)計穩(wěn)定過程,過程只受普通原因影響,不考慮過程是否發(fā)生偏移。這個值越高,說明數(shù)據(jù)波動幅度相對越小,過程能力強。過程能力指數(shù)Cpk(Process capability Index)是考慮過程有偏移情況下的過程能力,應(yīng)用前提是要過程穩(wěn)定且數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布。過程性能Pp(Process performance)不考慮過程的偏移,不要求過程穩(wěn)態(tài),是過程長期運行的實際加工能力,過程包括特殊原因和普通原因影響。過程性能指數(shù)Ppk(Process performance Index)不要求過程穩(wěn)態(tài),它體現(xiàn)的是總過程的波動情況,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的計算公式見(1)-(4)。與Ppk相比,Cpk更側(cè)重于過程本身,用組內(nèi)標準差去估計與規(guī)格限之間的關(guān)系,給出的是過程固有的能夠滿足標準與規(guī)范的能力,它能用來對過程進行預(yù)測,其與過程有關(guān)的工藝參數(shù)中運用的比較普遍;Ppk側(cè)重于過程所引發(fā)的結(jié)果,給出的是根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對當前過程性能的估計,使用所有個體數(shù)據(jù)結(jié)合在一起來計算的整體標準差去估計,它對于預(yù)測未來沒有什么作用。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,過程可能不是穩(wěn)定狀態(tài),用Ppk比用Cpk衡量過程更能體現(xiàn)產(chǎn)品的目前過程狀態(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)標準差,
s——樣本整體標準差。
為了解工序的實際加工能力,即在“人、機、料、法、環(huán)、測”都確定的情況下,工序所具有穩(wěn)定受控的能力水平,很多公司往往只計算Cpk的指數(shù)來衡量過程能力是否足夠,這樣做是不科學(xué)的。事實上,進入正常生產(chǎn)后應(yīng)該通過對Cp、Cpk、Pp以及Ppk等參數(shù)進行分析,來判斷過程是否存在問題。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。所以在實施SPC的時候,除了關(guān)注Ppk和Cpk的值,還需要將兩者進行對比分析,得到當前過程能力所處的狀態(tài),進而對過程進行調(diào)整。當Ppk遠小于Cpk時,代表子組間變差比較大,有特殊原因存在,應(yīng)馬上尋找影響過程能力的特殊原因,加以消除,將其提高到過程能力指數(shù)水平,如果Ppk≥Cpk,說明當前的過程能力高于過程固有的能力,應(yīng)繼續(xù)保持當前過程性能,并通過不斷對比分析,實現(xiàn)過程的不斷改進。同時,如Pp和Ppk相差很大時,表明產(chǎn)品現(xiàn)有過程性能與規(guī)范中心存在偏移;如果Cp和Cpk相差很大時,則可預(yù)測產(chǎn)品的過程能力與規(guī)范中心發(fā)生偏移[12-15]。
2.3.1 樹脂質(zhì)量分數(shù)過程能力
由圖1可見,數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求,樹脂質(zhì)量分數(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)量分數(shù)平均值服從正態(tài)分布。由圖3可見,樹脂質(zhì)量分數(shù)卷間變異和均值趨于穩(wěn)定。由圖4可見,樹脂質(zhì)量分數(shù)平均值的Pp為1.59,Ppk為1.32;樹脂質(zhì)量分數(shù)平均值的Cp為1.50,Cpk為1.25。Pp與Ppk差異較小,說明數(shù)據(jù)均值未明顯偏離規(guī)范中心,同時,Ppk≥Cpk,說明當前的樹脂質(zhì)量分數(shù)實際過程能力高于過程固有的能力,能力比較充分。
圖1 樹脂質(zhì)量分數(shù)的運行圖
圖2 樹脂質(zhì)量分數(shù)數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗圖
圖3 樹脂質(zhì)量分數(shù)平均值的均值-極差控制圖
圖4 樹脂質(zhì)量分數(shù)平均值的能力分析圖
2.3.2 纖維面密度過程能力
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,說明數(shù)據(jù)均值明顯偏離規(guī)范中心。同時,Ppk與Cpk均小于1,說明纖維面密度的整體能力不足。
圖5 纖維面密度的運行圖
圖6 纖維面密度樹脂質(zhì)量分數(shù)數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗圖
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際樹脂質(zhì)量分數(shù)和纖維面密度過程能力
通過按照材料PCD逐項的梳理,最終找出影響纖維面密度過程能力原因:樹脂質(zhì)量分數(shù)測試方法洗脫樹脂時,也會把玻璃纖維織物中上漿劑一同洗脫,導(dǎo)致樹脂質(zhì)量分數(shù)測試結(jié)果較規(guī)范中心偏高;同理,纖維面密度規(guī)范實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)致其過程能力不足。通過以玻璃纖維織物面密度均值為295.40 g/m2,上漿劑含量1%,計算為2.95 g/m2,對樹脂質(zhì)量分數(shù)和纖維面密度的過程能力進行修正,修正結(jié)果見圖9至圖16。修正后樹脂質(zhì)量分數(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,通過修正,得出樹脂質(zhì)量分數(shù)和纖維面密度的過程均未明顯偏離理論規(guī)范中心,且能力比較充分,只是測試的方法與規(guī)范規(guī)定的測試方法存在差異,造成了纖維面密度過程能力偏低。后續(xù)我們將與纖維廠商溝通,統(tǒng)一方法,消除因測試方法不同造成的能力誤差。
圖9 修正后樹脂質(zhì)量分數(shù)的運行圖
圖10 修正后樹脂質(zhì)量分數(shù)數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗圖
圖11 修正后樹脂質(zhì)量分數(shù)平均值的均值-極差控制圖
圖12 修正后樹脂質(zhì)量分數(shù)平均值的能力分析圖
圖13 修正后纖維面密度的運行圖
圖14 修正后纖維面密度數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗圖
圖16 修正后纖維面密度的能力分析圖
圖15 修正后纖維面密度平均值的均值-極差控制圖
通過對ACTECH?1203/EW301F/38織物預(yù)浸料實施生產(chǎn)過程控制,通過過程能力分析得出:
(1)發(fā)現(xiàn)了影響關(guān)鍵特性的異常,結(jié)合生產(chǎn)實際情況對異常原因進行分析,得出:由于忽略纖維上漿劑的含量造成了樹脂含量和纖維密度兩種關(guān)鍵特性偏離規(guī)范限中心。
(2)預(yù)浸料生產(chǎn)過程基本可控,修正測試方法引起的誤差后,樹脂質(zhì)量分數(shù)和纖維面密度兩種關(guān)鍵特性的過程能力都比較充分。