基于Nadcap檢查單的民用航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造過程控制方法研究

鞏天琛 祝賀 鄒田春

摘? 要：本文通過介紹民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與民用航空安全及民用航空產(chǎn)品適航性的內(nèi)在聯(lián)系，揭示過程控制在民用航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造中的重要作用。以Nadcap AC7118復(fù)合材料檢查單為樣例，介紹了檢查單各章節(jié)的主要內(nèi)容，并對(duì)其中的典型條款進(jìn)行了解析，提出民用航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造中人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)方面的過程控制的具體方法及要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：Nadcap? 復(fù)合材料? 過程控制? 民用航空? 適航性

中圖分類號(hào)：V214.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）02（a）-0031-05

Research on process control method of civil aviation composite structure based on Nadcap checklist

GONG Tianchen1? ZHU He2? ZOU TianChun2

（1.Avic Composites Co.， Ltd.， Beijing， 101300? China? 2. College of Airworthiness Civil Aviation University of China， Tianjin， 300300? China）

Abstract： This article introduces the internal relation among civil aircraft composite structure and civil aviation safety and airworthiness of civil aviation product， and reveals the important role of process control in civil aviation composite structure manufacturing. Taking Nadcap AC7118 inspection sheet as an example， the main contents of each section are briefed， and the typical clauses are analyzed. The key points of process control in civil aviation composite material structure manufacturing including personnel， machine， material， method， environment and test are proposed.

Key Words： Nadcap; Composite; Process control; Civil aviation; Airworthiness

20世紀(jì)50年代以來(lái)，復(fù)合材料越來(lái)越廣泛地用于軍用及民用飛機(jī)、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星等航空器及航天器的結(jié)構(gòu)中。除了復(fù)合材料本身的性能外，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的最終性能與其制造過程密切相關(guān)。民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)必須在采用合理的工藝方法基礎(chǔ)上對(duì)制造過程展開控制，才能持續(xù)生產(chǎn)出滿足經(jīng)適航批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)，達(dá)到預(yù)期安全程度。

1? 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與民用航空安全

復(fù)合材料由兩種及以上的材料結(jié)合而成，其中增強(qiáng)體材料通常為強(qiáng)度高、密度小的材料，如玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維等;基體材料通常是延性或韌性材料，如金屬、聚合物樹脂等[1]。復(fù)合材料結(jié)合了增強(qiáng)體的強(qiáng)度和基體的韌性，具備遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料的比強(qiáng)度、比模量、可設(shè)計(jì)性、抗疲勞性和耐腐蝕性。目前，復(fù)合材料已廣泛用于軍用及民用飛機(jī)、運(yùn)載火箭、航天器、衛(wèi)星等的制造上。在民用飛機(jī)方面，波音公司生產(chǎn)的B787中型客機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料占比約50%，空客公司生產(chǎn)的A380寬體客機(jī)約25%，A350寬體客機(jī)約52%[2]。國(guó)產(chǎn)中型客機(jī)C919的復(fù)合材料使用量將達(dá)到10%，中俄聯(lián)合研制的寬體客機(jī)CR929機(jī)身、機(jī)翼的大量主、次承力結(jié)構(gòu)也將由復(fù)合材料制造。

民用飛機(jī)運(yùn)營(yíng)過程中將災(zāi)難性事故發(fā)生的概率定為10-6/飛行小時(shí)，通過調(diào)查分析可以發(fā)現(xiàn)，由于飛機(jī)設(shè)計(jì)制造本身導(dǎo)致的事故數(shù)量約占總事故數(shù)量的10%，飛機(jī)結(jié)構(gòu)故障導(dǎo)致發(fā)生災(zāi)難性事故的概率不高于10-7/飛行小時(shí)，遠(yuǎn)低于人類自然死亡的概率[3]。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的性能除了與材料本身的性能密切相關(guān)，還受到制造和成型工藝的較大影響。CCAR-25《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》[4]中“25.605制造方法”指出：“采用的制造方法必須能生產(chǎn)出一個(gè)始終完好的結(jié)構(gòu)。”這就要求民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)件必須采用穩(wěn)定的制造方法，盡可能減少不同批次之間的性能差異，除了采用符合設(shè)計(jì)要求的工藝參數(shù)，也要對(duì)結(jié)構(gòu)件制造和裝配過程中的人員、設(shè)備工裝、材料、操作方法、環(huán)境、檢驗(yàn)檢測(cè)等各方面因素進(jìn)行嚴(yán)格控制，才能保障民用飛機(jī)的可靠性和安全性，達(dá)到適航規(guī)章的要求。

2? Nadcap認(rèn)證與過程控制

Nadcap是National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program的英文縮寫，即“國(guó)家航空航天與國(guó)防合同方認(rèn)證項(xiàng)目”，是一個(gè)專門針對(duì)航空航天工業(yè)的特殊產(chǎn)品和特種工藝的認(rèn)證[5]。目前，Nadcap認(rèn)證由美國(guó)質(zhì)量評(píng)審協(xié)會(huì)（Performance Review Institute，PRI）開展，空客、波音、普惠、羅-羅、中國(guó)商飛等主制造商都是Nadcap工作組成員。Nadcap檢查單是上述主制造商對(duì)供應(yīng)商要求的載體，主要關(guān)注特種工藝的過程控制要求。組織獲得AS/EN/JISQ9100資質(zhì)或通過Nadcap AC 7004認(rèn)證是進(jìn)行其他Nadcap認(rèn)證的前提條件之一，在質(zhì)量體系認(rèn)證的基礎(chǔ)上，Nadcap認(rèn)證更注重現(xiàn)場(chǎng)目擊審核，技術(shù)性相對(duì)更強(qiáng)[6]。表1為檢查單代碼與特種工藝專業(yè)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

絕大部分Nadcap檢查單中的要求來(lái)源于行業(yè)規(guī)范或客戶要求，很少出現(xiàn)Nadcap專屬的特殊要求，Nadcap檢查單也不對(duì)工藝的選擇和工藝參數(shù)的制定做出指導(dǎo)。下面以AC7118復(fù)合材料構(gòu)件制造檢查單為例，對(duì)Nadcap檢查單的架構(gòu)進(jìn)行分析。

AC7118 G版檢查單共30章，包括以下內(nèi)容[7]：

第1章-第2章為通用信息說(shuō)明，包括檢查單的適用范圍、對(duì)審核員及受審核方的要求等信息;第3章為對(duì)供應(yīng)商信息的征詢，包括供應(yīng)商質(zhì)量體系認(rèn)證、復(fù)審情況等通用信息的填寫。

第4章-第7章為質(zhì)量體系要求，分別為：第4章通用質(zhì)量體系要求（含內(nèi)審、軟件控制、含電子數(shù)據(jù)表控制、培訓(xùn)、構(gòu)型控制、操作人員自驗(yàn)證等內(nèi)容）;第5章材料（原材料及輔助材料）控制;第6章設(shè)施設(shè)備控制;第7章工裝控制。

第8章-24章是貫穿整個(gè)復(fù)合材料構(gòu)件成型工藝過程的要求：第8章通用制造工藝控制（鋪疊、封裝、工裝準(zhǔn)備、樹脂混合、樹脂注射、膠接、固化、芯子加工）;第9章機(jī)加、修切、鉆孔;第10章工藝控制/再驗(yàn)證測(cè)試的通用要求（機(jī)械測(cè)試、物理測(cè)試、熱/分析測(cè)試）;第11章工件審核通用要求（操作人員培訓(xùn)、材料控制、工藝規(guī)程/流程卡控制、FOD控制、次級(jí)供應(yīng)商控制等過程）;第12章原材料接收控制工作審核（預(yù)浸料、膠黏劑、芯子、零組件、纖維、預(yù)制體、樹脂等原材料）;第13章工裝準(zhǔn)備工作審核;第14章下料工作審核（手動(dòng)、數(shù)控）;第15章芯子加工工作審核（機(jī)加、灌封、拼接、穩(wěn)定化、熱成型等工藝）;第16章鋪疊工作審核（手動(dòng)鋪疊、金屬膠接、液體成型、自動(dòng)鋪絲、自動(dòng)鋪帶、纏繞、熱隔膜成型、結(jié)構(gòu)膠接等工藝）;第17章芯子準(zhǔn)備工作審核;第18章樹脂準(zhǔn)備及混合（僅液體成型）;第19章樹脂注射工作審核（僅液體成型）;第20章模壓成型工作審核（熱固性材料和熱塑性材料）;第21章固化工作審核（熱壓罐、烘箱、熱壓機(jī)等設(shè)備）;第22章機(jī)加、修切、鉆孔工作審核（手動(dòng)、機(jī)加）;第23章混雜交接操作工作審核;第24章工藝控制/再驗(yàn)證測(cè)試（機(jī)械、物理、熱/分析測(cè)試）。

在前述章節(jié)基礎(chǔ)上，第25-30章針對(duì)復(fù)合材料成型工藝中的關(guān)鍵項(xiàng)進(jìn)一步提出了控制要求，第25-27章分別為自動(dòng)鋪絲機(jī)、自動(dòng)鋪帶機(jī)、激光投影儀、數(shù)控下料機(jī)的校準(zhǔn)、軟件控制、確認(rèn)和設(shè)置;第28章為數(shù)字化產(chǎn)品定義;第29章為操作人員自檢;第30章為首件檢驗(yàn)。

除少數(shù)信息征詢類條款外，所有Nadcap檢查單條款要求均以疑問句形式給出，每個(gè)條款均對(duì)應(yīng)“YES”和“NO”兩種符合性選項(xiàng)（部分條款亦存在“NA”選項(xiàng)）。在審核員進(jìn)行審核時(shí)，根據(jù)受審核方對(duì)某一條款出示的符合性證據(jù)或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)目擊結(jié)果，對(duì)該條款給出“YES”、“NO”或“NA”的判定。除個(gè)別情況外，每個(gè)“NO”均對(duì)應(yīng)一項(xiàng)不符合項(xiàng)（NCR）。NCR必須通過“RCCA”（即Root Cause Corrective Action，問題根源糾正措施）方法進(jìn)行整改與關(guān)閉，完成Nadcap NCR的關(guān)閉有助于尋求認(rèn)證的企業(yè)建立一個(gè)長(zhǎng)期有效的糾正措施系統(tǒng)[8]。

Nadcap檢查單條款要求清晰明確，使用較為簡(jiǎn)化的語(yǔ)言直接表述相關(guān)要求，每條涵蓋一個(gè)審核要點(diǎn)。以AC 7118中幾個(gè)典型條款為例。

由此可見，以AC 7118為代表的Nadcap檢查單對(duì)相應(yīng)的特種工藝專業(yè)的過程控制要求十分全面、細(xì)致，其要求大到頂層文件的策劃，小到操作方法的實(shí)施，涵蓋人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)各個(gè)方面，且要求注重書面化的程序和流程。此外，Nadcap建議受審核方在審核前60～120日在組織內(nèi)部進(jìn)行自審核（self-audit），并要求至少在審核前30日上傳自審檢查單，組織可直接使用Nadcap檢查單作為自審核檢查單。所以，推進(jìn)Nadcap認(rèn)證工作，即使不以通過認(rèn)證為目的，也有利于提升過程控制水平，將相關(guān)特種工藝的要求從口耳相傳、約定俗成的方式轉(zhuǎn)變?yōu)榘凑障到y(tǒng)、正規(guī)的文件規(guī)定執(zhí)行。

3? 復(fù)合材料構(gòu)件制造過程控制具體方法

生產(chǎn)滿足設(shè)計(jì)要求的復(fù)合材料構(gòu)件主要依賴于兩個(gè)方面，一是在制造過程中使用合理的工藝方法及參數(shù)，二是在制造過程中展開有效的過程控制。

因此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造商可以在選擇合適工藝方法及制定合理工藝參數(shù)的前提下，參照Nadcap AC7118檢查單要求建立一套過程控制程序，規(guī)定人員、設(shè)施、設(shè)備、工裝、材料、操作、檢驗(yàn)、檢測(cè)、環(huán)境的控制方法，從而滿足工藝要求。一般來(lái)說(shuō)，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制。

3.1 人員要求

所有操作人員、檢驗(yàn)人員與檢測(cè)人員必須按照相關(guān)程序要求進(jìn)行其所從事操作的培訓(xùn)并通過考核，取得相應(yīng)上崗資格。未經(jīng)過培訓(xùn)的人員在進(jìn)行操作時(shí)，必須在經(jīng)培訓(xùn)并取得上崗資格的人員監(jiān)督下進(jìn)行。

3.2 設(shè)備、設(shè)施及工裝要求

自動(dòng)鋪疊、機(jī)加、固化等主要設(shè)備及相關(guān)工裝必須能夠滿足客戶相關(guān)規(guī)范的要求，且應(yīng)經(jīng)過客戶的鑒定和批準(zhǔn)。必須建立設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)程序，且按照程序規(guī)定的間隔執(zhí)行設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作并形成記錄。必須建立工裝的定檢程序，按照規(guī)定的間隔執(zhí)行工裝的定檢并形成記錄。設(shè)備及工裝必須按照要求進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并在工藝文件中指明。

冷庫(kù)、凈化間、環(huán)境控制間等需要進(jìn)行溫濕度控制的設(shè)施內(nèi)必須按照要求配置經(jīng)校準(zhǔn)的溫濕度記錄儀、塵埃粒子計(jì)數(shù)器等環(huán)境監(jiān)控設(shè)備，在凈化間及環(huán)境控制間內(nèi)嚴(yán)禁進(jìn)行產(chǎn)生粉塵或污染物的操作。

在軟件控制方面，必須建立書面化程序?qū)浖ê浖墚a(chǎn)品及自身開發(fā)的軟件程序）的控制維護(hù)做出要求，且應(yīng)符合客戶要求。

3.3 材料要求

必須形成相關(guān)程序?qū)τ陬A(yù)浸料、膠黏劑、樹脂等易變質(zhì)材料的保質(zhì)期、外置時(shí)間進(jìn)行控制，以滿足材料規(guī)范及客戶要求。所有材料的接收檢驗(yàn)必須全部合格后才可將材料發(fā)放用于生產(chǎn)，否則需制定并執(zhí)行提前放行的程序。

所有材料應(yīng)按客戶要求進(jìn)行貯存和標(biāo)識(shí)。

3.4 操作、檢驗(yàn)、檢測(cè)方法管理

操作、檢驗(yàn)、檢測(cè)方法的載體通常為各類技術(shù)文件。必須建立相應(yīng)的文件控制程序、記錄控制程序和構(gòu)型控制程序?qū)ξ募?、記錄及其更改進(jìn)行控制，避免圖紙及文件版次混用、工藝記錄隨意更改等現(xiàn)象。技術(shù)文件必須按照符合質(zhì)量體系規(guī)定的方式進(jìn)行審簽。

操作、檢驗(yàn)、檢測(cè)文件必須具備可操作性，應(yīng)按照正確的操作順序列出所有步驟、工藝參數(shù)及相應(yīng)的設(shè)備、材料信息，必要時(shí)應(yīng)結(jié)合示意圖、表格等可視化手段。

操作人員必須嚴(yán)格按照有效版本的技術(shù)文件要求進(jìn)行操作。

3.5 環(huán)境要求

鋪疊、膠接等操作應(yīng)在凈化間中進(jìn)行，液體成型應(yīng)在環(huán)境控制間內(nèi)進(jìn)行。凈化間及環(huán)境控制間的環(huán)境應(yīng)按照客戶要求進(jìn)行控制，并按照客戶規(guī)定的間隔監(jiān)控凈化間及環(huán)境控制間內(nèi)的溫濕度、塵埃粒子數(shù)、照度等參數(shù)。凈化間內(nèi)應(yīng)保持微正壓，并禁止一切能夠產(chǎn)生污染的操作。

組織應(yīng)建立相關(guān)程序或流程，以保證零件制造過程中無(wú)FOD。

3.6 檢驗(yàn)、檢測(cè)要求

原、輔材料的接收檢驗(yàn)必須按照客戶要求或組織自身規(guī)定的抽樣規(guī)則進(jìn)行抽樣，應(yīng)在接收檢驗(yàn)時(shí)對(duì)易變質(zhì)材料的外置時(shí)間進(jìn)行檢驗(yàn)。接收檢驗(yàn)必須按照客戶或內(nèi)部要求進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目的檢測(cè)。

生產(chǎn)過程中，檢驗(yàn)點(diǎn)的設(shè)置必須合理，必須按照客戶要求或內(nèi)部的檢驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置原則進(jìn)行檢驗(yàn)點(diǎn)的設(shè)置，當(dāng)在后續(xù)工序無(wú)法對(duì)當(dāng)前工序進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，必須設(shè)置檢驗(yàn)點(diǎn)。必須有手段保證需要運(yùn)算的檢驗(yàn)（如材料外置時(shí)間、固化升溫速率等）的正確性。

檢測(cè)規(guī)程必須按照客戶檢測(cè)規(guī)范或相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編制，檢測(cè)過程嚴(yán)格按照檢測(cè)規(guī)程要求進(jìn)行。

4? 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造過程控制越來(lái)越受到重視，國(guó)內(nèi)各大承擔(dān)轉(zhuǎn)包項(xiàng)目的復(fù)合材料制造單位均已通過Nadcap AC7118認(rèn)證，但轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的民用飛機(jī)型號(hào)均已通過適航認(rèn)證，其主制造商早已發(fā)展出一套與產(chǎn)品相適應(yīng)的、較為全面的過程控制方法與流程，國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)包商只需沿用即可取得較好效果。由于歷史原因，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造還存在一定的技術(shù)壁壘，還需進(jìn)一步發(fā)展和完善，配套供應(yīng)商的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造過程控制水平也參差不齊。因此，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料制造單位應(yīng)積極開展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造過程控制提升，在取得質(zhì)量管理體系資質(zhì)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)學(xué)習(xí)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，借助Nadcap審核進(jìn)一步完善相關(guān)程序和流程，提升現(xiàn)場(chǎng)操作的規(guī)范性，增強(qiáng)人員過程控制意識(shí)，才能有效保證民用航空產(chǎn)品的符合性。

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