民機(jī)復(fù)合材料制造成本分析與控制

胡婷萍 何瑞 陸孜子

在追求先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性的過程中，越來越多的復(fù)合材料在各類民機(jī)主承力或次承力結(jié)構(gòu)上得到應(yīng)用，然而復(fù)合材料高昂的制造成本成為其進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的重要阻礙。

針對(duì)復(fù)合材料的成本控制，國內(nèi)外提出了復(fù)合材料低成本制造工藝，大多為非熱壓罐成型工藝，包括液體成型（LCM）工藝等。但液體成型工藝由于技術(shù)成熟度等原因，在民機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用還需開展進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證工作。因此，全球航空制造業(yè)迫切需要對(duì)于現(xiàn)有熱壓罐成型工藝進(jìn)行改進(jìn)，研究如何降低復(fù)合材料制造成本，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料性能與成本的平衡。

制造成本分析與控制

美國軍民用飛機(jī)制造商及其主承包商早期提供的信息表明：在利用熱壓罐技術(shù)成型的復(fù)合材料產(chǎn)品成本組成中，材料占15%，鋪層占25%，裝配占45%，固化占10%，緊固件占5%。由此可見，零件制造成本占總成本的比例是很大的。

復(fù)合材料制造成本通?？煞譃椴牧铣杀尽⒐r(shí)成本和工裝成本，其中材料成本和工時(shí)成本為重復(fù)成本（Recurring Cost，RC），工裝成本為非重復(fù)成本（Non-recurring Cost，NRC）。

復(fù)合材料的材料成本包含預(yù)浸料、蜂窩等主材的采購，以及制造過程中要用到的工藝輔料和膠漆等化工材料、材料運(yùn)輸和管理成本等，其中主材成本占比較大，主材成本由材料采購單價(jià)和實(shí)際用量決定。

工時(shí)成本為制造中所耗費(fèi)的工時(shí)費(fèi)，由耗費(fèi)時(shí)長(zhǎng)和小時(shí)費(fèi)率決定，包含設(shè)備工時(shí)和人工工時(shí)，工時(shí)可按制造工序拆分，工序由工藝方案決定，如領(lǐng)料、工裝準(zhǔn)備、鋪層、打袋、固化、機(jī)加和測(cè)量檢測(cè)等，其中鋪層和固化工序的工時(shí)成本通常占比較大。

工裝成本為制造過程中的工裝夾具費(fèi)用，通常指為提高生產(chǎn)速率而配備增加的工裝，但不包括研制階段的工裝，研制階段的工裝屬于研制成本。

雖然制造成本在生產(chǎn)階段才發(fā)生，但產(chǎn)品成本的60%-70%卻是由設(shè)計(jì)過程決定的。因此，在設(shè)計(jì)階段考慮成本因素，對(duì)于降低復(fù)合材料產(chǎn)品的制造成本具有顯著的作用。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)從構(gòu)型選擇、鋪層設(shè)計(jì)、工藝方案和生產(chǎn)模式等方面考慮，識(shí)別材料利用率、鋪貼和固化等成本關(guān)鍵參數(shù)，降低材料成本和工時(shí)成本，達(dá)到制造成本控制。

面向制造成本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

影響飛機(jī)成本的決定因素是設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)過程中的成本意識(shí)，在設(shè)計(jì)階段考慮成本因素，對(duì)于降低復(fù)合材料產(chǎn)品的制造成本具有顯著的作用。

面向制造成本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通常從結(jié)構(gòu)形式、材料選擇和公差設(shè)定等方面考慮。在結(jié)構(gòu)形式方面，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和工藝性的前提下，盡量選擇簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式，減輕結(jié)構(gòu)重量，降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的工藝制造難度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)考慮可制造性，盡量選擇可用成熟穩(wěn)定工藝制造的結(jié)構(gòu)方案，縮短制造工時(shí)，保障制造合格率，控制制造成本。

在材料選擇方面，根據(jù)復(fù)材結(jié)構(gòu)承力設(shè)計(jì)特征，合理選擇材料體系，要選擇采購較容易且使用比較普遍的材料，盡量以國內(nèi)穩(wěn)定供貨渠道為主，同時(shí)盡可能減少材料種類，便于后續(xù)材料批產(chǎn)采購。

在公差設(shè)計(jì)方面，綜合考慮重量、強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、損傷容限要求，考慮放大公差的裕度設(shè)計(jì)，確定合理的產(chǎn)品缺陷接收限，提高產(chǎn)品制造合格率，保證制造的經(jīng)濟(jì)性。通過復(fù)合材料產(chǎn)品制造驗(yàn)收技術(shù)條件控制，給出合理的制造缺陷接收限。

提高材料利用率，降低材料成本

在材料成本中，主材成本占比通常大于70%，其總價(jià)值為材料采購單價(jià)乘實(shí)際用量，而實(shí)際用量則取決于理論用量和材料利用率。因此，降低材料成本有兩種思路，一是在設(shè)計(jì)時(shí)考慮減重優(yōu)化，降低理論用量;二是提升材料利用率，減少材料耗費(fèi)。當(dāng)然，選用主流產(chǎn)品的材料體系，也可降低材料采購單價(jià)，從而達(dá)到降低材料成本的目的。

在制造過程中，一般從以下幾方面著手，考慮提高材料利用率：料層邊界優(yōu)化及拼搭接工藝方案優(yōu)化;料片排版優(yōu)化;減少工藝余量，優(yōu)化自動(dòng)鋪帶程序、下料程序;調(diào)整膠膜的下料方式;大批量生產(chǎn)階段，實(shí)現(xiàn)同類材料的混排下料。

提升鋪貼效率，降低工時(shí)成本

在降低材料成本之外，提升鋪貼效率，降低工時(shí)成本也是降低復(fù)合材料成本的常用方法之一。目前民機(jī)復(fù)合材料的鋪貼大多采用手工鋪貼、自動(dòng)鋪帶（ATP）和自動(dòng)絲束鋪放（AFP）等。

手工鋪貼由于不用設(shè)備，工時(shí)成本僅有人工成本，但其依賴于鋪層工人的素質(zhì)，廢品率高，且效率低，近年僅在小零件上應(yīng)用。20世紀(jì)60年代，在美國空軍航空材料實(shí)驗(yàn)室的資助下，美國的制造商就開展了自動(dòng)鋪帶研究，并在20世紀(jì)80年代正式用于航空制造。自動(dòng)鋪帶的主要優(yōu)點(diǎn)是適合于大型結(jié)構(gòu)，特別是平面結(jié)構(gòu)，能做到省工省時(shí)。自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)是纖維纏繞與自動(dòng)鋪帶的結(jié)合，鋪放效率高，材料浪費(fèi)少?，F(xiàn)階段國內(nèi)自動(dòng)鋪帶綜合效率不高，迫切需要提升鋪帶效率，降低鋪貼成本。

綜合來看，提升自動(dòng)鋪帶的效率，可以從幾個(gè)方面著手：在鋪層設(shè)計(jì)上，盡可能減少鋪層遞減;在工序優(yōu)化上，要明確鋪帶機(jī)區(qū)域內(nèi)外工作，明確材料待加工區(qū)，在材料優(yōu)化上，要上調(diào)原材料覆卷張緊力，有效改善鋪層褶皺問題;在智能檢測(cè)上，可引入5G視覺檢測(cè)，搭建拼縫和多余物檢測(cè)系統(tǒng)，提高檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性;在標(biāo)準(zhǔn)化上，要形成編程指南，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化編程、現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化流程操作。

優(yōu)化拼罐固化方案，降低工時(shí)成本

熱壓罐成型工藝是目前的主流固化工藝，短期內(nèi)無法用液體成型工藝等來替代，因此，改進(jìn)熱壓罐成型工藝對(duì)于降低復(fù)合材料的制造成本也具有非常重要的意義。

熱壓罐是一個(gè)具有整體加熱加壓功能的大型壓力容器，由于其耗能、使用和維護(hù)成本高，在復(fù)合材料制造成本中占有相當(dāng)大的比重，如何提高熱壓罐設(shè)備的利用率是降低成本的關(guān)鍵。

在目前的復(fù)合材料生產(chǎn)過程中，為提升熱壓罐成型的效率，一般會(huì)同時(shí)固化多個(gè)零件。該工藝生產(chǎn)中確實(shí)能大大提升固化效率，但在實(shí)際操作中，為了保證所有零件的質(zhì)量，需要充分考慮設(shè)備的固化能力、零件工裝形式、零件在熱壓罐中的排布等各種因素。如果零件在熱壓罐中排布不合理，會(huì)造成熱壓罐中熱空氣循環(huán)不暢通，甚至有循環(huán)死角，從而使罐內(nèi)溫度不均勻，影響到零件的固化質(zhì)量。

為了防止這種情況的發(fā)生，在零件固化前，需要先根據(jù)零件的固化參數(shù)、工裝形式和設(shè)備能力等對(duì)所有的零件進(jìn)行分組，并對(duì)同一組零件在熱壓罐中的擺放位置、擺放方向進(jìn)行模擬，以確定不同組合方式下熱壓罐內(nèi)部的溫度分布，優(yōu)化出最佳的產(chǎn)品組合方式。工藝模擬和優(yōu)化后，還需要對(duì)同一組零件進(jìn)行實(shí)際的熱分布測(cè)試，即將所有的工裝按照模擬的位置和方向放入熱壓罐中，并在所有工裝上按照一定的要求均勻布置熱電偶，按照實(shí)際的固化參數(shù)進(jìn)行模擬固化，以確定同一組零件固化時(shí)罐內(nèi)實(shí)際的溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，升降溫速率、加壓點(diǎn)等工藝參數(shù)。

當(dāng)然，在拼罐固化的過程中，必須高要求嚴(yán)格實(shí)施，否則將造成批量零件的損失。因此，拼罐固化在體現(xiàn)熱壓罐高效率使用的同時(shí)，也給如何保證零件的質(zhì)量帶來了挑戰(zhàn)。

工裝優(yōu)化，降低工裝成本

工裝包含制造過程中的成型工裝和檢測(cè)工裝等，可重復(fù)使用，在工裝成本的控制上，通常從工裝材料選擇、工裝設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌管理等方面進(jìn)行優(yōu)化。

在工裝材料選擇方面，減少高成本材料用量，在大型工裝中采用殷瓦鋼面板加普通鋼框架的形式，減少非成型面的殷瓦鋼使用量，同時(shí)編制工裝設(shè)計(jì)規(guī)范，明確工裝選材原則。在工裝設(shè)計(jì)方面，在滿足制造要求的情況下，盡可能采用簡(jiǎn)單形式工裝，設(shè)計(jì)階段并行設(shè)計(jì)，工裝與工程設(shè)計(jì)、零件工藝同步，縮短工裝采購周期。在工裝統(tǒng)籌管理方面，建立工裝需求表，制定工裝年度計(jì)劃，識(shí)別工裝可替代性，評(píng)估工裝的必要性;建立工裝數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)籌調(diào)用各型號(hào)、各項(xiàng)目所需工裝。

復(fù)合材料的制造成本和設(shè)計(jì)、制造一體化是一個(gè)既系統(tǒng)復(fù)雜又需權(quán)衡利弊的過程。設(shè)計(jì)要全方位考慮成本控制，將成本意識(shí)貫穿于設(shè)計(jì)、工藝、采購、制造的全過程。開展復(fù)合材料面向成本的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)研究，提高復(fù)合材料制造過程中的材料利用和資源使用，是降低復(fù)合材料制造成本的根本。結(jié)合民機(jī)經(jīng)濟(jì)性需求，加大力度開展復(fù)合材料成本分析控制以及低成本技術(shù)研究，對(duì)促進(jìn)我國民機(jī)行業(yè)發(fā)展具有重要意義。