国外飞机先进制造技术发展趋势

作者：北京航空制造工程研究所 刘善国

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, ... 综观飞机制造业近百年的历史，尤其是近几十年来的发展史，飞机制造技术的发展由民用运输和军事用途强烈需求所牵引，并受到世界经济和科学技术发展的推动，形成了今天飞速发展和广泛应用的局面。 冷战时代的军备竞赛，刺激了军事工业，尤其是飞机制造业的发展。为了研制高性能新型战机、大型军用运输机、特种军用飞机和武装直升机，各国政府和军方不断推出新的研究计划，投入巨额资金，开发先进制造技术及其专用设备，基本建立了飞机先进制造技术发展的基础。 随着世界经济较长时期的衰退，各国航空公司利润急剧下降，直接影响到飞机制造商。因此，他们为了生存，降低飞机全寿命周期内的成本就成为了新一代民机研制的一个重要指标和先进制造技术的发展方向。 冷战结束后，各国大量削减国防经费，军方难以承受高性能武器装备的高昂采购费用，如F-22战斗机每架1.6亿美元。如此高昂的采购费，限制了该飞机的生产数量，因此美国军方提出研制买得起的飞机——JSF联合攻击机(每架约3亿美元)作为相应的补充。军机的研制生产也提出了高性能和全寿命周期低成本的双重目标。 计算机技术的不断发展，精益生产等许多新理念的诞生，使得飞机先进制造技术处于不断变革之中，传统技术不断精化，新材料、新结构加工、成形技术不断创新，集成的整体结构和数字化制造技术构筑了新一代飞机先进制造技术的主体框架。为了进一步了解国外飞机先进制造技术发展的这一趋势，本文介绍几种主要制造技术(本站节选其中的《先进数控加工技术》)。 西方工业发达国家飞机制造业应用数控技术始于60年代。近50年的数控技术发展中，发达国家飞机制造业中数控技术发展现状和应用水平主要体现在以下几个方面：基本实现机加数控化、广泛采用CAD/CAPP/CAM系统和DNC技术，达到数控加工高效率，建立了柔性生产线和发展了高速切削加工技术。 1 基本实现了机加数控化 发达国家数控机床占机床总数的30%～40%，而航空制造业更高，达到50%～80%。波音、麦道等飞机制造公司都配置了数量可观的各种不同类型的先进数控设备，特别是大型、多坐标数控铣和加工中心，同时与之相关的配套设备齐全，数控化率高，基本实现了机加数控化。 波音公司在Auburn民机制造分部建立了铝、钛、钢结构件机加车间和机翼蒙皮与梁结构件机加车间，机加设备362台，配置NC机床约180台，数控化率达50%。 在90年代中后期，这些公司仍在进一步加强对机加设备进行技术改造和更新，特别是多坐标高速数控铣床和加工中心。如波音公司在Wichita军机制造分部就新配有法国Forest Line公司43m×3m×2m高架3龙门5坐标Minumac 30TH 数控铣床，加工“空中客车”飞机结构件的英国航宇(BAe)、原德国汉堡DASA公司、负责贝尔直升机结构件制造的Remele公司等都配有数量不等的法国Forest Line公司的高速5坐标龙门铣床。其中Remele公司多达6台，主轴功率40kW，转速40000r/min，可加工零件壁厚薄到0.76mm。同时还配有Fischer机床头，主轴功率75kW，转速5000r/min,可加工尺寸很大的机翼壁板，切削效率很高。贝尔直升机公司还添置了美国费城Marwin公司用于加工飞机结构件的Automax IV双主轴5坐标高速加工中心，规格为20m×8m×9m，主轴转速24000r/min，进给速度20m/min。 2 数控加工效率高 发达国家飞机制造公司数控技术应用水平高。表现在：不仅数控设备利用率高(一般达80%)，主轴利用率高(95%)，且加工效率极高，加工周期短，劳动生产率是我国的20～40倍。大型机翼整体加工件加工效率约50kg/h。麦道公司制造C-17军用运输机起落架舱隔框，加工效率约30kg/h。 3 广泛应用先进的CAD/CAPP/CAM系统 广泛应用CAD/CAPP/CAM/CAE自动化设计制造应用软件以及DFX等并行工程，并有足够的工艺知识数据库、切削参数数据库、各种规范化的技术资料作为使能工具。因而设计与工艺手段先进，工艺精良，NC加工程序优质，缩短了工艺准备周期，提高了设备利用率和生产效率，大大缩短了零件生产周期。 4 DNC技术广泛应用 发达国家飞机制造公司大多数在70年代末80年代就已经广泛地应用了分布式数字控制技术(Distributed NC，DNC)。波音公司在Wichita 军机分部建立的一个DNC系统，大约连接有分布在若干不同车间中的130多台数控设备, 包括加工中心、大型铣床、数控测量机。麦道、MBB和extron工厂等都建立了DNC系统。美国大约有2万多家小型飞机零部件转包制造商，60％～80％都使用了DNC系统。采用DNC技术具有明显的经济和技术效益，通常可提高生产率15%～20%。 5 高速切削技术的应用 高速加工(High Speed Machining,HSM)被认为是21世纪机加工艺中最重要的手段。高速切削与常规切削相比具有明显优点：加工时间减少约60%～80%，进给速度提高5～10 倍，材料去除率提高3～5倍，刀具耐用度提高70%，切削力减少约30%，表面粗糙度Ramax可达8～10μm，工件温升低，热变形、热膨胀减小，适宜加工细长、复杂薄壁零件等。 飞机大型复杂整体结构件采用高速数控加工技术是近几年飞机机加技术发展的一种趋势。因此，20世纪90年代中后期，飞机制造商添置了许多先进的多坐标高速数控铣和加工中心用于铝、钛、钢等材料的各种整体结构件加工。波音Bertsche Engineering公司的高速加工中心，用于航空航天铝合金、复合材料零件的加工。 对铝合金高速加工，切削速度可达2000～5000m/min，主轴转速达10000～40000r/min，加工进给速度为2～20m/min ，材料去除率30～40kg/h。 高速切削加工技术对机床、刀具、控制系统、编程等都提出了更高的要求。发达国家对高速加工的配套技术研究和应用作为一个系统工程看待,解决得较好，并在不断完善。 6 应用高自动化水平的制造系统 发达国家飞机制造公司非常重视应用高自动化水平的制造系统，提高新飞机研制生产能力，加强企业竞争力。70年代末80年代先后建立了柔性制造系统(FMS)用于飞机结构件柔性加工，在新机研制中发挥了重要作用。90年代中后期，由于高速切削机床技术的发展和进步，飞机整体加工件的增多，开始较广泛应用柔性加工单元或以柔性加工单元组成柔性生产线来加工飞机整体结构件(在汽车制造业领域也同样得到应用)。如波音Wichita军机分部用高速加工单元组成的柔性加工生产线来加工飞机整体隔框零件。达索飞机公司在“阵风”号飞机制造中也建立了一条柔性加工生产线，由4台5坐标切削中心构成，配有自动化工件装卸小车，容量达1000的机械手控制的工具库，只需配备一个操作者。 西方发达国家不仅重视发展数控主体技术，并注重协调发展与数控技术配套的各单元自动化技术，包括数控车间信息管理系统，从而使得数控技术得以快速发展并达到了很高的应用水平，有力地推动了飞机制造业发展和进步。目前，发达国家飞机制造商不仅实现了高效数控加工，而且实现了数字化设计(D-D)和数字化制造(D-M)。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/29/2004)