航空先进制造技术发展趋势

作者：

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 为了适应国防建设和国民经济发展的需要，航空科技工业的主要产品- 现代飞机和发动机正朝着高性能、高减重、长寿命、高可靠、舒适性以及降低制造成本的方向不断发展更新。因此，要求飞机和发动机结构进一步整体化、零件大型化，以达到大幅度减少零件数量，从而减少零件之间连接所增加的重量的目的，避免由于连接带来的应力集中，提高结构寿命和结构可靠性;通过减少零件数量，还可以大量减少工装的数量和加工工装的工时，从而大幅度降低制造成本。近十几年来，新一代飞行器的不断问世推动了各国航空制造技术的长足进步。从总体上看，世界航空制造技术的发展趋势可以归纳为以下几个方面。 1 数字化制造技术成为提升航空科技工业的重大关键制造技术 与传统研制技术体系相比，数字化设计/制造/管理体系的内涵发生了根本性的变化，见表 1。 数字化制造技术的内涵特征包括: ·产品数字化:产品数字建模和预装配以及并行产品定义; ·设计数字化:飞机构型定义和控制，多变共用模块设计，采用整体件，减少分立零件; ·试验数字化:设计功能样机和性能样机，减少或简化实物试验; ·制造数字化:采用数字化生产线，大幅度减少工装模具，全面推行数字化制造方式; ·飞行数字化:构建虚拟飞行环境; ·管理数字化:以项目为龙头建立全球虚拟企业。 数字化制造技术的内容包括:定义数字化生产线和数字化车间;扩大数控机加范围，增加大件、高效数控加工;对饭金、复材构件、焊接、检测等采用数字化技术手段和工艺;减少零部件工装，发展柔性工装和数字化装配定位技术，取消原用装配精加工台。要求制造时间缩短 66%，工装减少90%，制造成本降低50%. 1.1 国际现状 波音777- 全球第一个全机数字样机，是实现数字化制造的里程碑;JSF- 第一个基于全球虚拟企业制造的飞机项目，开创了数字化生产方式，代表了数字化制造的最高水平。 1.2 国内现状 通过数字化技术的预研、产品型号研制和民机转包生产的应用，数字化制造技术有了较大发展，已全面开展三维数字化设计和虚拟装配，形成了全机级和部件级的数字样机，产品数据管理、工艺设计和工装设计制造基本上都采用了数字化技术，已开始研究数字化装配技术，为数字化制造奠定了基础。 在数控加工领域，开展了高效数控加工技术和数值模拟与仿真技术研究，在饭金、复合材料、焊接工艺等特种加工领域开展了数值分析等探索性研究，但总体上技术基础还比较薄弱，标准规范相对滞后，各种数据库有待进一步规划和开发。 目前所开展的数字化工作，只是把数字化技术应用到现有工作和环节中，简单地达到缩短周期和提高效率的目的，还没有体现出它是一场新技术革命，没有深入到系统内部去改变传统的设计、制造、试验和管理的模式、方法、手段、流程和生产组织，尚未形成数字化生产方式。 2 高效、低成本复合材料结构制造技术得到迅速发展 2.1 树脂基复合材料构件关键制造技术 2.1.1 国际现状 树脂基复合材料具有可设计性好、密度低、强度和模量高、抗疲劳性好、耐腐蚀及工艺性好等优点。在4代机上的用量占结构重量的24%-40%，干线机占10%-15%,A380超过20%,B787超过50%，发动机的冷端部件风扇叶片、进气机匣和螺旋桨也采用复合材料。在制造技术方面，叠层板热压罐制造技术已广泛用于生产，采用了自动下料设备、铺带机、数控蜂窝铣、计算机控制热压罐、数控高压水切割设备和超声扫描检测设备，实现了生产自动化。 美国在80年代低成本技术开发的基础上，规划了一个10年的CAI计划，现已完成了第2阶段计划，在F35飞机上验证的项目有:RTM整体尾翼,CORTM整体进气道、纤维铺放进气道、RFI纤维纵向增强整体机翼蒙皮、前机身二型连接整体结构及X-COR纤维增强泡沫夹层隐身结构以及快速高效激光超声检测技术。 2.1.2 国内现状 树脂基复合材料已用于飞机机翼外翼、尾翼、鸭翼等结构上，在发动机外涵道上也有应用。在制造技术方面，叠层板热压罐已用于生产，结构胶接共固化技术已用于型号生产，共固化整体成形技术已用于飞机前机身下壁板和发动机外涵道，蜂窝夹层胶接结构已用于飞机水平尾翼及升降副翼。整体结构液体转移成形技术应用已取得突破性进展，缠绕铺放及蒙皮铺带技术正在开展应用研究，其中一些技术正在支线客机等型号上验证，将为国内大飞机的生产奠定较好的基础。 2.2 超高温复合材料构件关键制造技术 2.2.1 国际现状 SiC纤维增强的钛基复合材料已用于低压涡轮风扇轴等发动机部件，可减轻结构重量20%-40%.陶瓷基复合材料工作温度可达1200~1650°C，以推重比9-10发动机为试验平台对燃烧室、涡轮外环、火焰稳定器、矢量喷管调节片和密封片等进行演示验证。碳碳复合材料工作温度达1500~2OOO°C，美、法、俄等已研制出碳/碳复合材料燃烧室喷嘴、加力燃烧室喷管、隔热屏、鱼鳞片、涡轮和导向叶片、整体涡轮盘等。 2.2.2 国内现状 开展了SiC纤维的研制，对纤维涂层方法制备钛基复合材料进行了初步研究。作为陶瓷基复合材料增强材料，国产SiC纤维只能长期工作于 1000℃以下而可在更高温度下使用的SiC纤维和Al2O3纤维尚未开始研究，目前可用的纤维只有碳纤维，正在研究提其抗氧化性能以及与陶瓷基界面的结合技术。在基体方面开展了致密化工艺研究和增韧技术研究，取得阶段性成果，研制了陶瓷基复合材料浮壁瓦片。碳/复合材料作为摩擦材料已用于飞机刹车盘，作为烧材料已用于导弹壳体的端头，作为航空发动机热端件结构材料的探索研究工作已在"九五"期间起步。 3 以钛、铝合金为代表的轻金属构件制造技术朝着制造大型化、整体化结构方向发展 3.1 国际现状 (1)广泛采用大型整体壁板已经成为新一代飞提高结构效率、减少零件数量、降低成本和缩短周期重要手段。大型整体壁板的成形技术主要有喷丸成形压弯成形。喷(抛)丸成形技术在欧美等工业发达家被广泛用于成形变厚度整体壁板，并且已经能够现对这类零件抛丸成形工艺过程的智能化、无纸化设计和制造。波音707-777和空客A310-340等大中型用客机机翼整体壁板都采用数控喷丸成形方法，A3机翼下壁板也是采用预应力喷丸成形技术制造的。 (2)随着新型可时效强化型铝合金材料在机翼板结构中的应用，整体壁板时效成形技术由于具有形和时效强化同时完成、工艺重复性和稳定性好等优点被认为是下一代大型军用和民用飞机制造特别重要金属成形工艺之一，并已被广泛用于成形可时效强型合金的整体带筋和变厚度大曲率的整体壁板，如B1-B的上下壁板、湾流IV和湾流V的复合曲面上翼面壁板、大力神IV和"土星"V型火箭正交格栅壁板以及MD82,A330/340,A380等大型民用飞机的整体壁板等 (3)随着钛合金用量在新一代飞机和发动机上大幅度增加，超塑成形/扩散连接技术已经成为制造钛合金重要饭金结构件的关键技术，并得到了广泛的应用，如 F22,EF2000,A300,A340,B-1飞机以及F119EJ200发动机等。EF2000机身结构中钛合金构件大多采用超塑成形/扩散连接技术制造，获得了减重30%-50%的技术效益。目前该技术在飞机上的应用已经从研制中小尺寸构件发展到研制大型整体构件。 3.2 国内现状 喷丸成形技术已广泛用于生产，具有代表性的支线客机机翼壁板喷丸成形技术的应用标志着我国已进人该技术国际先进行列。超塑成形/扩散连接的三层结构、四层结构已用于飞机和发动机零件。蒙皮拉伸多点成形模具技术已完成研究，具有较好的应用前景。 4 新型整体结构、轻量化结构和冷却结构等新结构制造技术得到迅速发展和应用 4.1 国际现状 (1)整体叶盘制造技术。 在第4代战斗机的动力装置F119和 EJ200发动机上，风扇、压气机和涡轮均采用了整体叶盘结构，可减轻重量30%，其制造方法有多种，包括电子束焊接、扩散焊接、线性摩擦焊接、五坐标数控铣削加工或电解加工法。另外，还可以采用"锻接法"制造整体涡轮盘，将单晶精铸叶片直接连接到锻造涡轮盘的轮缘上;钛合金整体叶盘采用热等静压法将钛合金粉末与精锻叶片复合成形为整体叶盘;高温合金整体叶盘采用热等静压法将粉末高温合金盘和精铸叶片扩散连接为整体叶盘。在推重比15-20高性能发动机上，拟采用SiC陶瓷基复合材料或抗氧化C/C复合材料制造整体涡轮盘。 (2)整体叶环(无盘转子)制造技术。 在推重比1520高性能发动机上，压气机采用整体叶环。由于采用复合材料，使得叶片减轻，采用线性摩擦焊技术将叶片直接固定在承力环上，可使其结构重量减轻70%。目前正在研制的整体叶环是采用连续单根碳化硅长纤维增强的钛基复合材料制造的。 (3)宽弦风扇叶片制造技术。 宽弦、无凸台、空心叶片是高性能发动机风扇和第一级压气机叶片的发展方向。F119,EJ200发动机均采用钛合金宽弦风扇叶片，GE公司的GE90发动机采用了复合材料宽弦风扇叶片。 (4)复合层板冷却结构制造技术。 多孔复合层板冷却结构是推重比10以上发动机采用的先进冷却结构，多用于燃烧室和涡轮叶片，其关键制造技术是计算机辅助设计和绘制复杂冷却回路，采用"照相一电解法"制成冷却回路，用扩散连接工艺实现多孔层板的复合。 4.2 国内现状 以线性摩擦焊为主导工艺的整体叶盘制造技术已进人工程研究阶段;用超塑成形/扩散连接技术完成了宽弦、空心钛合金风扇叶片的模拟件研究;多孔层板冷却结构制造技术在突破各单项技术后，正与发动机设计部门合作开展浮壁式全环燃烧室的研制。 5 以高能束流加工、特种焊接为代表的新工艺技术得到广泛应用 5.1 国际现状 (1)以高能束流加工为代表的特种加工技术在难切削材料加工，复杂构件的型腔、型面、型孔、微小孔、细微槽及缝的加工中具有明显优势，解决了常规加工方法难以解决的问题。特种加工技术主要包括激光加工、电子束加工、离子束加工、等离子加工、电火花加工、电解加工、电液束加工、超声波加工、磨粒流加工和高压水射流切割等。 (2)特种焊接技术在飞机、发动机焊接结构件中的应用越来越广泛。特种焊接技术主要包括钨极惰性气体保护弧焊、活性焊剂焊接、自蔓延高温合成焊接、等离子弧焊、电子束焊、激光焊、真空钎焊、扩散焊、惯性摩擦焊、线性摩擦焊和真空电弧焊等。 (3)先进精密毛坯制造技术向近无余量成形方向发展。主要有压气机叶片精锻、叶片无余量精密辊轧、定向凝固空心无余量精铸叶片、单晶合金精铸涡轮叶片、多联空心叶片整体铸造、双层壁冷单晶叶片(高效发散气冷单晶叶片)整铸、喷射成形涡轮盘和环形件、精密轧制高温合金和钛合金环形件、钛合金薄壁大型复杂机匣精铸及热等静压处理和高温合金整体叶盘热等静压复合成形。 (4)涂层技术对航空发动机关键零部件的抗磨损、高温防护、隔热、封严以及钛合金零件的防微动磨损、阻燃等性能有重要作用。先进的涂层方法主要包括真空等离子喷涂、层流等离子喷涂、超音速等离子喷涂、电子束物理气相沉积、化学气相沉积和真空离子溅射。 (5)快速原型/零件制造技术为航空发动机复杂零件的设计实现实体化提供了快速方便的手段，可实现精铸复杂模具的制造，现已发展到直接快速成形零件的水平，是一种很有发展前景的工艺方法。 5.2 国内现状 高质量的单晶涡轮工作叶片气膜孔电液束加工已用于生产;搅拌摩擦焊、电子束焊、激光焊在大型壁板、框、鼓筒、机匣等飞机、发动机零件及其他行业产品生产中的应用越来越广泛;提高涡轮工作叶片隔热涂层性能的研究倍受关注。 6 机械加工朝着高效数控加工方向发展 6.1 国际现状 国外军民用大型运输机广泛采用高性能铝合金壁板，壁板结构复杂，尺寸大。如A380机翼上壁板长度为33m，宽度为2.8m，厚度为3--28mm(变厚度)。国外航空企业配置的数控机床具有台面尺寸大、多龙门、多主轴、高转速和切削效率高等特点，如波音在民机 Auburn制造分部配有 6台 Cincinnati三轴五坐标数控自动换刀龙门铣床，主要用于飞机壁板、梁、框、肋等结构件的加工，并有多套由5D高速加工中心机床构成的柔性加工单元，用于757,767,777飞机窗口隔框、机翼盒、肋条等结构件的加工。 空客A360-600机翼壁板采用长 31m、重 3.5t的铝坯材料，在欧洲最大的数控龙门型面铣床上加工，从毛坯铣削到制成机翼壁板约需50h,75%的坯料成为切屑。 6.2 国内现状 我国新一代飞机壁板材料为铝合金和钛合金，毛坯多为预拉伸板材，结构上带有纵横方向的加强筋、开口及加强凸台，有的呈变厚度截面，采用机械加工再成形的工艺进行壁板类零件的制造，有的分段壁板采用焊接工艺连接形成较大的部件。 支线飞机 ARJ21机翼下中壁板的坯料尺寸为13000mmx900mmx2Omm，其结构特点为加强凸台盖孔 。 我国大多数航空工厂数控机床的配置与国外航空工厂的相当。最近已加工出 ARJ21机翼复杂结构大尺寸板，表明我国数控加工技术取得了长足进步。但与国外相比还存在下述几方面的差距:大型设备的应用水平低(单主轴，低参数);程序编制水平低，输人时间长，待机时间长;大型飞机结构件加工装夹方法和装夹手段落后，造成零件加工过程中调整时间长;尚未形成系统的数控工艺方面的工艺规范和指南;数控工艺过分依赖经验，加工精度稳定性低，产品超差率高;切削工具的制造和配套水平低。 7 飞机结构装配技术朝着自动化、柔性化方向发展 7.1 国际现状 通过对飞机产品三维数字化定义以及设计、制造协同等数字化技术的应用，推动了飞机结构装配向数字化装配方向发展。在大型构件装配中采用数字化装配技术，可简化型架，减少包括型架在内的装配工装的使用，实现自动化柔性装配，从而提高生产效率和装配质量，降低制造成本，缩短制造周期。 (1)精密柔性制孔技术。 精密柔性制孔技术在国外飞机结构中得到广泛应用和发展，包括机器人制孔系统、自动制孔系统、柔性制孔系统、并联机床柔性钻孔设备、便携式自动制孔系统(无钻孔主轴的柔性导轨小车)等。精密制孔技术可覆盖任意生产现场，实现精密钻孔，为飞机的数字化装配打下基础。 (2)柔性装配工装单元技术。 为了降低工装成本和周期，按其工装定位夹紧的功能分解成独立的单元体- 柔性工装单元，该单元具有重量轻、可移动、可重组的特点，多个柔性工装单元可通过软件系统生成柔性装配的生产线，缩短工装准备时间，实现快速制造，降低制造成本。 (3)飞机壁板自动装配线的应用。 飞机壁板的自动装配线已用于空客 A320E4000机翼壁板柔性装配系统和空客 A340E4100,A380E4380机翼壁板柔性装配系统。 (4)飞机梁的自动装配线。 ASAT是自动化大梁装配工装，它集成了电磁铆接技术和运动磁扼装配机技术，已用于B-767机翼梁的自动化装配系统。波音民机机翼生产线配置了最新的E5000(ASAT4)C-17第4代自动化翼梁电磁铆接装配系统。 (5)框的装配。 除焊接框外，采用机械连接的饭金框和机加工组合框在型架阶段还未实现自动化，仍以手工装配为主，完成定位后从型架中取出的框可以在自动钻铆机上进行补铆。在框型架的安装过程中，采用了数字化激光跟踪定位技术。框的装配技术将向机加框、焊接框及装配孔定位装配技术方向发展。 (6)飞机部件对接柔性装配技术。 法国图卢兹空中客车公司飞机总装配线单元引人了"测量辅助装配"系统。在飞机总装阶段(如机身一机身或机翼一机身对接)，这种系统能解决一些与大型机体部件装配测定、定位相关的传统工艺问题。该系统包括激光或照相测量子系统、计算机辅助测量系统、"bestfit"优化软件及特制的图形用户接口。这些技术的组合具有无型架装配、更快速的装配工序、减少返工和损耗等诸多优点。 7.2 国内现状 数字化制造技术在国内航空企业中发展很快，装配方面已采用自动钻铆和电磁铆接技术，但应用还不普遍;柔性装配技术受到广泛关注，已有相当数量的研究项目正在实施，有望在不久的将来迅速得到推广和应用。 8 先进无损检测技术正朝着数字化、可视化、非接触式快速检测方向发展 无损检测技术是产品检测的重要手段之一，该技术的发展提高了产品检测的可靠性。由于无损检测技术所表征的产品质量反映了工艺过程的特征，因此无损检测技术的发展也促进了工艺技术的发展。由于新产品检测的需求，无损检测技术不断发展:一方面开发新技术和新方法;另一方面朝着数字化、可视化和非接触式快速检测方向发展。 8.1 国际现状 国外超声检测技术正在大力发展自动化扫描成像检测技术，可实现C,B和P扫描成像检测，已在发动机、飞机复合材料结构检测中得到应用。TOFD检测方法主要利用声波在某些特定焊缝缺陷(如裂纹尖端)的散射信息，来获得缺陷在厚度方向上的尺寸信息，实现焊缝缺陷的定量检测。超声相控阵技术采用阵列换能器，可提高检测效率，简化扫查机构，用于复合材料和焊接结构的检测。激光超声利用激光束人射到工件表面产生的热弹性效应，在试件内部激发出超声波，其显著优点是非接触、远距离，可实现复杂形状构件的快速扫描检测。 X射线检测技术基于被检测件对透人射线的吸收量的变化，通过专用底片记录透过试件未被吸收的射线而形成黑度不同的影像来判别缺陷的存在，该技术可以有效地检测出材料结构中体积型缺陷(如气孔、疏松、夹杂等)，也可检测出裂纹、未焊透、未熔合等缺陷。目前用于构件检测的X射线技术主要有 X射线照相检测法、数字式X射线成像检测法和CT检测法等。 8.2 国内现状 经过近20年来的发展，超声检测技术水平有了明显提高。特别是结合飞机制造领域对无损检测技术的需求，形成一些特色检测技术，如复合材料超声检测技术、固相焊接检测技术、胶接结构检测技术和焊缝超声检测技术等，目前正在开展激光一超声、电子剪切成像和多通道等快速高效的自动化检测技术研究。X射线检测技术在国内得到广泛应用:X射线照相检测法已用于焊缝检测和夹层结构铝芯缺陷的无损检测;数字式X射线成像检测法已用于焊缝检测;CT检测法已用于一些可达性较差的特殊结构部位的缺陷评估。 9 结束语 近年来，在新型号产品的需求牵引下，我国航空制造技术发展迅速，技术水平不断提升，我国航空先进制造技术必将不断创新，不断发展，在开拓中前进，在互动中跃升，用我们的智慧和力量不断打造新一代航空产品。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/31/2008)