应用六西格玛方法 提高复合材料拉伸试件FTY

张 娟，刘熠崟，周洪飞

（中航复合材料有限责任公司，北京 101300）

六西格玛是一套科学的质量提升工具和质量管理方法，已广泛应用于现代化企业质量管理[1]，以提高产品质量水平。影响树脂基复合材料拉伸强度的因素，除了纤维的拉伸强度、树脂含量等材料本身的特性以外，试验件的制备质量、试验件尺寸等对复合材料拉伸强度有着重要影响[2-3]。本文介绍了应用六西格玛方法来分析解决某成熟预浸料产品的复合材料拉伸试件FTY（一次合格率）案例，为六西格玛在复合材料试件制备领域的应用提供参考。

1 统计分析确定关键影响因素

通过头脑风暴，从“人、机、料、法、环、测”6个方面识别可能影响复合材料拉伸强度的所有因素，绘制鱼刺图见图1。对各个因素进行分析，确定少数可能的关键影响因素。

图1 拉伸试件拉伸强度鱼刺图

其中，试件成型过程中下料方式、固化温度、固化时间、热压罐控温精度、热压罐控压精度、压机控温精度、压机控压精度、机加精度及树脂红外光谱都一致，影响可忽略。

试样厚度、试样长度、试样宽度、温度、湿度、操作者技术等级、工作时间都是在拉伸强度试验过程中的影响因素。对拉伸强度进行测量系统分析，GRR为30.28%，ndc为5，结果见图2，GRR＞30%，此测量系统需做改进[4]。

图2 改善前拉伸强度的测量系统分析

经分析，在拉伸强度测试中，装载试样时试样对中程度对测试结果影响很大，由于每次测试对中程度不同，造成结果差异大。为消除测定时试样对中程度的影响，对试件装卡工序进行改进，在模具上做定位标记，固定试件装卡位置，保证每次测试试件对中程度一致。改进后，进行拉伸强度的测量系统分析，GRR为12.56%＜30%，ndc为10＞4，可接受，结果见图3。

图3 改善后拉伸强度的测量系统分析

因此，本研究将主要对纤维拉伸强度、纤维拉伸强度离散系数、预浸料树脂含量、加强片规格、粘贴加强片胶膜规格、试板厚度6个主要因素对复合材料试件拉伸强度的影响进行分析。

加强片规格、粘贴加强片胶膜规格为可区分型数据，采用箱线图、双样本T检验方法，对两个因素进行分析比较，见图4、图5。从箱线图看，不同规格加强片、不同规格粘贴加强片胶膜对试件拉伸强度影响不明显；进一步进行双样本T检验，P值分别为0.972、0.873，均大于0.05，说明加强片规格、粘贴加强片胶膜规格对试件拉伸强度均没有影响。

图4 拉伸强度-加强片规格箱线图

图5 拉伸强度-粘贴加强片胶膜规格箱线图

纤维拉伸强度、纤维拉伸强度离散系数、预浸料树脂含量、试板厚度为连续型数据，从其与拉伸强度的矩阵图（图6）可看出，纤维拉伸强度离散系数及试板厚度与拉伸试件的拉伸强度有相关性。进一步对纤维拉伸强度离散系数和试板厚度与拉伸强度进行回归分析，P值分别为0.01、0，均小于0.05，说明两者对试件拉伸强度均有影响。

图6 连续性数据影响因素对复合材料拉伸强度矩阵图

用一般线性模型对纤维拉伸强度离散系数和试板厚度对拉伸强度的影响做综合分析，P值分别为0.992、0，纤维拉伸强度离散系数的P值大于0.05，试板厚度的P值仅为0，说明与试板厚度相比，纤维拉伸强度离散系数对拉伸强度的影响甚小，可忽略，而试板厚度对试件拉伸强度有决定影响。进一步计算试板厚度对拉伸强度影响的贡献率为81%，残差误差占19%。

理论上，试件厚度与复合材料中纤维的体积含量相关，纤维的体积含量越大，试件越薄，拉伸强度也越大。虽然纤维的拉伸强度和预浸料树脂含量决定复合材料的拉伸强度，但在本研究工作中，由于纤维的拉伸强度和预浸料树脂含量波动小，其影响体现不出来。纤维拉伸强度的离散系数对试件拉伸强度也有影响，但与试件厚度相比，影响甚微，可忽略。

2 对症下药确定实施改进方案

确定试板厚度为复合材料试件拉伸强度的关键影响因素，将其与拉伸强度做拟合线图（图7），如要试板拉伸强度达到2400MPa指标要求，试板厚度应控制在0.976mm以下，产品标准要求试板厚度最低为0.92mm。

图7 试板厚度与拉伸强度拟合线图

试板成型时，可以通过吸胶控制试板厚度。进行一系列成型试验，确定试板厚度与纤维面密度、试板重量与成型时吸胶铺贴封装方式的关系，见表1。根据预浸料的纤维面密度、预成型板件的重量，对照表1确定铺贴封装方式。黑色区域，采用不加吸胶材料铺贴封装方式；白色区域，采用加一层可剥布铺贴封装方式；灰色区域，采用加一层薄玻璃布铺贴封装方式。

表1 拉伸试板吸胶铺贴封装对照表

3 改进效果

通过改进试板铺贴组装成型工艺，用吸胶方式精确控制板件厚度，改进前后复合材料试板的拉伸强度控制图对比见图8。改进后，试板拉伸强度平均值由2452MPa提高到2568MPa，试件FTY由62.3%提高到97.2%。

图8 改进前后复合材料试板的拉伸强度控制图

4 结论

（1）六西格玛旨在用数据说话，通过对数据的统计归纳、科学分析，找到影响产品质量、造成产品缺陷、产品不合格的关键因素，针对性地开展有效的改进措施，并通过改进前后数据的对比分析，对改进效果进行评价，最终实现质量提升，满足顾客需求。

（2）通过应用六西格玛方法对某成熟预浸料产品的复合材料拉伸试件拉伸强度的影响因素进行综合分析，准确确定实际工作中影响拉伸试件拉伸强度的关键因素，并通过针对性改进措施，使试件FTY由62.3%提高到97.2%。

（3）该研究证明六西格玛是分析、解决复合材料力学试件制备及力学性能测试问题的有效方法，为六西格玛质量管理方法在分析研究、控制提升复合材料试件制备质量领域的应用提供案例参考。