面向大型飞机的先进制造技术特点及发展趋势_航空制造技术发展趋势

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先进制造技术在飞机制造中发展趋势

近年来，世界高新技术得到了惊人的发展。为了提供性能佳、质量优、成本低、可靠性和维护性好的装备产品，发达国家的制造技术有了很大的进步，不断推动新一代装备产品的问世。从飞机的研制生产来看，总体上世界先进制造技术有以下几个发展趋势。3.1 新材料、新结构工艺成为重点

新一代装备产品减轻结构重量和提高性能的主要途径是采用新材料和新结构，这也是发展先进制造技术的重点。

1)复合材料得到了迅速发展和广泛应用。树脂基复合材料已用于战斗机的主承力结构。复合材料在先进战斗机、大型客机的用量已分别达到结构重量的20％-30％、10％-30％[6]，已经出现了全复合材料的公务机。共固化成形、树脂传递模塑成形(RTM)、复杂件缠绕成形、丝束铺放等复合材料制造新技术均己用于生产，并建立了工序配套、计算机控制的生产系统。正在开发新的复合材料辐照固化技术和质量保证技术，并大力开展复合材料低成本制造技术的研究。

2)钛合金和铝锂合金在新一代飞机上应用量增加很多。引发和配套解决了其难度很大的高速切削、化铣、成形及焊接等关键工艺。钛合金的超塑成形，/扩散连接(SPF/DB)结构是一种新兴的耐热、整体、轻量化结构，在机体结构上具有广阔的应用前景，超塑成形，扩散连接组合工艺也已日趋成熟并向主承力结构扩大应用。先进发动机的空心宽弦风扇叶片也是超塑成形，扩散连接的制品。

3)随着难加工材料的大量应用，以电子束、激光束、离子束为代表的高能束流加工技术近10年来得到了迅猛发展，成为先进航空产品研制和生产不可缺少的制造技术。电子束焊接已用于飞机主承力框、起落架和发动机鼓筒轴、各类机匣，发展前景广阔。迄今为止，激光束仍是发动机零部件冷却孔系加工的首选工艺。此外，其他特种加工，如离子束加工、电加工、高压水射流加工、磨粒流加丁等在先进航空产品的制造中也都发挥着积极的作用。4)金属胶接技术有利于结构减重及抗疲劳，其生产工艺已基本成熟，形成了先进胶接体系，制造出了用作主承力结构的耐久胶接构件。由金属板材与树脂基预浸料胶接成的混杂层板胶接结构是金属胶接与复合材料的结合衍生物，能抑制裂纹扩展，大幅度提高壁板(蒙皮)疲劳寿命。其不同金属与不同预浸料的组合，还可更好地发挥减重效果。机体构件机械紧固件孔的精化加工和强化、孔壁孔周的挤压强化以及壁板零件的喷丸强化等技术都得到了进一步发展，大大延长了航空产品的使用寿命。

5)发动机热端部件工作温度的提高，带动了金属间化合物等一系列高温合金及碳—碳复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料的应用，还提出了新的涂层材料及涂层工艺的要求，随之推动了一大批新的热工艺技术的发展。等离子弧加工技术仍是多种性能涂层的主要工艺，电子束物理气相沉积方法已用于热障涂层及其他涂层的制取，电子束表面处理与热化学工艺相结合的方法可使制件表面具有特殊的性能。发动机的整体叶盘结构、新型封严结构的出现又带动了特种焊接(如摩擦焊、真空高温钎焊)的迅速发展。6)毛坯精化及近无余量制坯技术也已成为航空制造技术的重要发展趋势之一。国外航空发动机制造业中已形成精铸、精锻、精轧等一整套精密制坯技术，材料利用率从20％～30％提高到80％左右，机械加工量减少至原来的1/5～1/10。钛合金、高温合金的薄壁、整体精铸技术、单晶无余量空心涡轮叶片精铸技术、粉末冶金和热等静压技术已成为高推比发动机研制生产的关键制造技术。

3.2 精密及超精密加工技术迅速发展

随着装备的导航、制导和控制精度的提高，要求制造出材料特殊(如高硬脆性、高强度、高弹性、高熔点等)、结构复杂、体积小、尺寸和形状精度高于0.1μm、表面粗糙度小于0.01-0.02μm的机载设备零件。为了适应上述要求，美、英、日等到发达国家在高速数控加工技术，亚微米级超精密加工和复合超精密加工技术，纳米级超精密加工技术和高强度、高硬度、高脆性材料加工技术等方面进行了大量的研究工作，很多研究成果已用于生产。微米级坐标镗床已进入生产线，0.1μm超精密加工机床和各种超精密加工方法已广泛应用于机载关键零件的批生产。单刃金刚石车削技术已用于激光晶体材料的加工，表面粗糙度可达0.001μm。用金刚石和立方氮化硼砂轮的高速缓进强力磨削，可对难加工功能材料进行高精密(微米级精度、0.1μm级表面粗糙度)无毛刺加工，能获得复杂几何形状和极佳的表面完整性[10]。此工艺在美国已成为批生产加工技术，成批制造出各种功能材料的机载设备零件，如红外线或紫外光学系统、激光陀螺系统、微波管、光纤器件中的零件。

近年美国又研制出激光微细加工中心，该加工中心的视觉系统能提供加工过程的连续影像，并自动寻找、对准、测量和修正加工对象，加工精度可达百分之几微米以内。该激光微细加工中心还适用于硬脆材料(如氧化铝、碳化硅)加工，蚀刻线宽度0.25μm，打孔直径小于75μm，还可对各种材料的裸芯多芯电缆和光纤进行焊接，标志着功能材料的加工技术达到了新的水平。

20世纪90年代末，面临装备研制周期短、产品更新快、品种增多、批量减少和动态多变的市场，装备的质量、价格和交货期已成为增强飞机制造企业竞争力的3个决定性因素。3.3 计算机技术应用普遍

近年来，计算机技术有了空前迅速的发展。装备制造业是最早引入计算机技术的行业，计算机技术使装备制造技术得到了优化并产生了新的专业，这在很大程度上改变了装备制造技术的面貌。

计算机技术与飞机制造业的3大传统工艺技术(机械加工、钣金成形、铆接装配)相结合，极大地提高了航空制造业的技术水平。在机械加工方面，零件加工数控化和精密化已成公认目标，数控高速切削也正在被迅速推广，数控机床进一步向高速及复合化方向发展。机载设备生产所需的超精密加工技术也取得了长足的发展。在钣金成形方面，数控铣床板坯下料、蒙皮拉伸成形、壁板喷丸成形／强化、零件高压橡皮囊液压成形等主要工艺均已实现数控化。同时正在提高成形过程的数字模拟和动态仿真以及实时监控与变形量控制技术，钣金成形的专用设备正向多功能和柔性化发展。在铆接装配方面，数控钻铆机及干涉铆接的应用日益普遍，高压水制孔及激光辅助定位钻孔系统、计算机辅助钻削系统、计算机辅助电子经纬仪(CAT)系统、数字模拟装配和机器人自动化装配等先进设备和先进技术不断涌现，装配现场已一改劳动者密集的面貌。事实上，计算机技术已渗入各个制造专业，从工艺参数控制到工艺过程动态仿真，进而建立数据库，直到建立专家系统，正在简化工艺、稳定生产、保证质量、降低成本等方面发挥越来越大的作用。3.4 低成本制造技术备受关注

当今世界上工业发达国家正在研制第4代军用战斗机，不管性能多么突出，都必须在价格上能被用户或市场接受，否则就难以进行生产和销售。例如，由于F-22太贵，难以大量装备部队，所以美、英又联合研制了联合攻击战斗机(JSF)以满足军方的需求。又如，树脂基复合材料性能优异，已经得到了广泛的应用，但复合材料更大份额的应用在很大程度上受制于其昂贵的价格，为此，美国等一些西方国家专为发展“造得起、买得起”的复合材料制造技术开展了大量工作。例如，研制便宜的碳纤维、树脂，开发叠层缝合、树脂传递模塑成形(RTM)技术、丝束铺放成形，以及节能的“非热压罐固化技术(如辐照固化)”等种种低成本技术以提高产品性能和降低成本。麦道公司研究工作表明，采用织物缝合/树脂传递模塑成形(RTM)工艺制造的机翼已比相应的铝合金机翼减重25％，成本也降低了10％。市场经济要求航空制造技术必须走“造得起、买得起”的路，否则即使再好的技术，最终也不会有什么出路。为此，国外在这方面下了很大功夫，除积极采用现代集成制造技术和先进的产品全寿命管理技术外，无余量成形工艺(精铸、精锻等)、改良的成形方法(时效成形、超塑成形、超塑成形/扩散连接等)、特种焊接技术(电子束焊、摩擦焊等)、数控高速切削、机器人装配技术等低成本制造技术己得到了进一步的发展，这说明世界上即使是比较富裕的工业发达国家，在研究应用“造得起、买得起”的制造技术上也是不遗余力的。

相对于20世纪，装备制造最明显的特点是强调“可买得起”，即降低全寿命周期成本，从而使新技术的开发体现出21世纪的新特点。例如，在过去战斗机的研制中，存在着预研成果转化率低、研制周期长、采办经费严重超过预算以及使用费用和保障费用过高等现象[11]。在新一代装备研制中要使成本有所下降，必须从制订发展规划开始一直到飞行器寿命终止的各个环节，如飞机的设计、加工、贮存、使用和飞行支持、维修等都要考虑使成本最低。