复合材料热压罐固化工艺零件制造生产效率及产能提升研究与实践

肖栋

摘要：复合材料是运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料，但是其高昂的成本及其所需的复杂工艺使得其生产过程中的效率及产能成为一个重要的因素，而且不同工序的不确定性依然是一个难以跨越的难题。本文主要介绍了复合材料在制造过程中的各种不确定因素，并探讨了相应的优化措施，旨在优化排产，控制不确定因素，从而提升制造产能。

关键词：复合材料；产能提升；热压罐固化工艺；5G技术；精益生产

一、整理制造过程中的不确定因素

复合材料热压罐固化工艺的零件制造过程大致分为以下工序：预浸料准备、预浸料切割、模具准备、铺贴、固化、机械加工。每道工序都可能因为各种不确定因素拉低生产效率。

（一）材料准备

预浸料通常储存在为-18℃以下的环境中，在运输及解冻时，如果暴露于超过温度范围的环境中，则需要计算额外扣除暴露寿命，不但会造成成本增加，而且会给正常排产造成困扰。

（二）材料切割

预浸料完全解冻后方可进行裁切。选择自动化设备裁切需要准备好自动化程序，选择手工裁切则需要付出更多的时间和人力成本。每片料片通常有不同的纤维方向要求，对于固定幅宽的预浸料卷而言，需要合理排版，以获得更高的材料利用率。

（三）模具准备

模具是复合材料零件成型的重要依托。无论是平板型零件还是曲面型零件，都需要合适的成型模具。

1.模具的型面特征

复合材料零件的成型模具，需要根据零件外形来定制，并通过气密、热分布等测试后方能投入使用。

2.模具的型面质量

模具的型面质量直接决定着零件表面质量的好坏。型面质量容易受到环境因素影响。不良的环境会造成模具出现锈蚀、凹陷、弯折等损伤。良好的存放管理及有效的维护保养对零件顺利生产十分重要。

（四）铺贴

铺贴工序作为复合材料热压罐固化工艺的核心工序，对零件生产效率及产品质量都起到至关重要的作用。除工艺方法以外，主要分为环境因素、材料因素、人为因素、设备因素等。

1.环境因素

预浸料的铺贴需要在控制温湿度等条件的洁净间内进行，这些条件会直接影响产品质量。

2.材料因素

在切割完的预浸料片中，有一定概率存在缺陷。一旦出现，就必须重新解冻、裁切，以替换问题料片，对正常排产造成干扰。

3.人为因素

人为因素在任何生产制造过程中都无法避免。预浸料铺贴中，对多余物的控制是最为重要也最困难的一部分。

4.设备因素

随着科技的发展，铺贴已逐步走向自动化路线。自动铺贴虽然提高了操作效率，但是对操作人员专业水平以及责任感的要求也更高。

（五）零件固化

热压罐固化是预浸料铺贴后的最终成型工序。将铺贴成型的预浸料，经过特定的高温高压，成型为坚固的复合材料零件。这道工序对制真空袋的质量要求很高，漏袋、破袋等会造成零件出现不可逆的损伤。另外，同一罐内尽量拼入更多的零件，也是一个重要的提升产能、节流开支的途径。

（六）机械加工

固化后的复合材料零件还需要进行机械加工，以达到最终外形尺寸。机械加工的成败主要取决于数控编程、零件装夹、工人操作等因素。此时的零件已经固化，一旦加工失误，修补方法复杂，成本也很高，甚至无法修补。好的机械加工，目标应是提前排除影响因素，一次做好。

二、优化排产，在生产前期规避风险点

（一）生产计划与生产现场管理改善

1.根据零件的紧急程度，合理安排好初步生产计划

要做好生产月度计划的编制、实施和管控流程，首先应使生产计划清晰准确，计划、进度、操作流程、现场问题等因素应汇总形成图表，直观呈现计划进度及其影响因素。将各个项目计划先拆分后排列，解决不同产品相同生产工序难度不同、进度不同的问题，缩短产品整体完成周期。

2.将产品质量和进度放在首位，优化流程、提高效率

生产现场是各种生产要素的集合，是班组各项管理功能的“聚焦点”，班组所有的生产落实、计划实施、任务完成，全部依托生产现场。 生产现场，既包括生产一线各基本生产车间的作业场所，又包括辅助生产部门的作业场所，如库房、实验室和锅炉房等。通过实施各类现场管理手段，可以提升产品质量，降低事故发生率，提升生产效率。

表2  管理优化举例

[手段 效果 质量看板 生产过程、质量问题可视化 安全记录 定期检查，提升现场安全性 行迹管理 防止物品丢失、缩短寻找时间 一流环境建设 工作环境标准化、缩短寻找时间 ...... ]

（二）做好产前配套

“兵马未动，粮草先行”。配套工作是复合材料制造过程中重要的前提条件和必备要素。复材零件产前配套工作周期长、资源种类多，对数据结果的准确性、及时性均有严格要求。想要提升配套效率，降低生产成本，就需要在排产时对是否符合生产条件进行严格核实，同时在执行时严格把握时间，谨防配套准备失去时效性。通过可视化管理，可以有效避免生产过程停滞，大大提高产能。

三、减少不确定因素，提升复合材料的制造产能及生产效率

减少复合材料制造过程中的各道工序的不确定因素，需要通过日积月累的工作实践积攒经验。

（一）材料管控

低温预浸料在运输和储存过程中，存在超温或者受潮的风险，需要使用有效的过程记录手段，严格控制低温预浸料的储存环境，实时监控及追溯其合格性，管控好材料性能，保证成型后复合材料零件合格。

（二）模具

需要建立可控的储存环境，分项目、分构型、分种类、分材质、分用途管理各类工装，加大前期基础建设投入和时间投入，减少后期管理成本。做好模具库房账目，做好三号定位，减少出入库时间。定时检查实物状态，及时返修异常，以杜绝临时发现异常临时处理的情况。根据生产实际，好的模具管理工作可节约至少30%的准备时间。

（三）铺贴

铺贴是复合材料制造的核心工序。手工铺贴效能尤其受操作人员技能水平影响。制定标准操作作业法，要求每一个操作人员做到现场标准化、流程标准化，节拍流水标准化，杜绝跳工序、代签字等现象发生，做到上下道工序无缝衔接，发挥人员优势，通过管理手段实现生产效率提升。

同时，根据理论知识和实践能力，可对组员进行综合评定，做好本专业铺贴工作，在任务分配时划定交叉区域，参与不同铺贴工作，确保手工技术双提升。

（四）零件固化

“超正压”现象在复合材料固化工序中常常出现。它是指真空袋内压力超过上差的异常状态，严重影响复合材料制造的生产效率、零件合格率以及生产成本。针对超正压问题，本研究梳理了2019年～2020年约600罐的固化信息，通过统计数据分析并结合制造工艺流程，从复合材料零件固化过程中的漏气和导气两方面，采用故障树分析工具，初步找出了可能的8大方面原因：打袋人员、打袋方法、腻子条、真空袋、工装气密、真空嘴、热压罐真空管路通道、透气毡等。其次，制定严密的试验验证方案，对可能原因进行逐一排查，开展试验，对每一次数据结果进行全面透彻的分析并进行试验验证，定位出超正压问题的主要原因，在机理分析的基础上，通过不同试验方法，重复进行问题复现验证，证明问题定位准确。集思广益，勇于创新，大胆提出新透气性材料的应用，根据其高温高压下良好的导气性特征，制定出解决措施，通过定点试验，局部推广验证了该措施的有效性。经过团队成员的共同努力，复合材料零件固化超正压率由原来的30%左右降低至7%以下，有效解决了一直困扰生产现场的超正压问题。

（五）机械加工

复合材料零件通常具有对机加边缘粗糙度水平的要求。我们通过规定刀具使用寿命、工况匹配等方法，Ra3.2铣削合格率由40%提升至95%。通过使用特制砂轮、改进加工夹具，实现了Ra0.8某型缺口零件的自制。零件铣削加工返工率从60%降低至5%以下。

四、先进生产理念的推广

重技术、简流程、易操作、防错失、杜绝浪费是实现项目研制成功、市场成功、商业成功的基本要素。强化理念，树意识，将先进文化建设纳入到车间文化建设中，贯穿到关键岗位人员的思想和工作中，并结合工作特点，提出了符合现场生产实际的精益文化。

（一）第一阶段

重点在于宣贯意识理念和培训方法、工具，打造精益现场，并将精益理念运用到生产现场，开展精益课题的研究，优化设备资源。通过制定年度工作计划，加强过程跟踪、阶段性收益评价，对年度总任务进行汇总和审核，2021年度各项精益项目收益瞩目：①效率提升，各项目全年节省总工时约合月均工时的1/4。②质量提升，人为千工时故障率同比下降3.7%，千工时内部报废率同比下降60%。③经济收益提升，总体经济收益提高25%左右。

（二）第二阶段

实现生产系统改善，构建精益工厂。为保证精益工厂顺序推进，先后明确落实了作业区、岗位职责、岗位任务及KPI目标，提高设备利用率、提高人员出勤工时利用率、转运过程合理化、工序设置合理化等。通过每周各类数据统计分析，调查研究各项利用率波动原因，提出并落实利用率提升方案。经统计，仅设备利用率一项，就较上一年度年提升约25%。

（三）第三阶段

形成精益文化，推动供应链精益管理。在不影响正常生产秩序的前提下，借助党建、培训、比赛等途径，强化精益理念，加深精益制造参与程度，推动精益评价体系持续改进，做到联动和形式的转变，完善职能管理和标准作业法，营造精益氛围。

五、新技术的运用

（一）5G技术的运用

5G技术走向复合材料生产运用的道路上需要攻克的最大难题是其与复材生产技术要求、操作实际情况和设备运行情况融合。要实现大型铺放设备的近距离监控，就得找到无论何时都不会被360度旋转的铺放头遮挡的摄像机位和不会被缠绕的布线方式。可是在设计精巧、零件繁杂的铺带机身上“动手脚”并不容易。摄像机肯定只能布置在靠近零件铺贴面的地方，线缆从机头顶部一路连下来，要是想不被旋转的机头缠绕，不垂坠下来污染裸露的原材料，最好是能像橡皮筋一样能伸会缩。改造完成的铺放检验系统已经运用于生产实际，它将铺放质量检查的效率提升到3倍以上，且得益于5G的大带宽和低延时特性，检测端精度能够达到微米级，且不受距离、空间、检测操作熟练程度等外部因素的影响，直接就能揪出拼缝超差和铺放夹杂的问题。检测数据还长期储存在云端，实现全生产过程可追溯。

（二）先进生产工艺的运用

高科技工业的发展往往离不开先进工艺的运用，复合材料制造同样如此。复合材料液体成型技术是复材先进低成本制造技术的代表，液体成型技术研制存在对真空度、温度及预成型体精度等都有极高的控制要求。同样地，先进技术在研制阶段充满着挑战性，在第一次进行高温注胶试验的时候，温度升高到140℃，结果外真空袋压力突然由-96KPa下降到-80KPa，翻看试验记录发现，试验前真空度检验一切正常，更换真空仪表真空度依然稳定在-80KPa。经过对比分析发现，当时使用的真空密封胶虽然耐200[℃]高温，但部分材质却在升温过程中硬化，结合另一种密封胶一起使用，再进行真空注胶可解决这个问题。

六、结束语

合理控制复合材料制造过程中各道工序中的不确定性，推广先进生产理念和运用先进技术，均对提升复合材料制造的产能及生产效率有显著作用。但是实际生产中的问题千差万别，仍要具体问题具体分析，希望本文所提供的思路可以有所助益。

参考文献：

[1][美]牛春匀著;程小全，张纪奎译.实用飞机复合材料结构设计与制造[M].北京：航空工业出版社，2010：17-22，144-152.