航空先進(jìn)制造技術(shù)

1、第四章 航空先進(jìn)制造技術(shù)一、前言(5分鐘)航空制造技術(shù)對提高航空產(chǎn)品性能、減輕結(jié)構(gòu)重量、延長使用壽命、縮短研制周期、降低成本、提高可靠性起著關(guān)鍵性的作用；航空制造技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了航空產(chǎn)品的升級換代。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空制造技術(shù)已集機(jī)械、電子、光學(xué)、信息、材料、生物科學(xué)和管理 學(xué)為一體，形成了一種多學(xué)科交叉、 技術(shù)密集的體系，它集聚了制造業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，使航空 產(chǎn)品成為了工業(yè)領(lǐng)域皇冠上的明珠。航空制造技術(shù)推動航空產(chǎn)品的更新，航空產(chǎn)品牽引了制造技術(shù)的發(fā)展，形成了一代航空產(chǎn)品、一代制造技術(shù)的不斷循環(huán)，促進(jìn)了航空工業(yè)的發(fā)展。國外F22、F35、B787、A380、大型軍用運輸機(jī) A400M等新一

2、代飛機(jī)及其發(fā)動機(jī)采用的先進(jìn)制造技術(shù)代表了當(dāng)前國外航空先進(jìn)制造技術(shù)，其可概括為：大型金屬整體結(jié)構(gòu)制造技術(shù)、大型復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)制造技術(shù)、先進(jìn)焊接技術(shù)、飛機(jī)自動化裝配技術(shù)和數(shù)字化制造技術(shù)。二、國外航空先進(jìn)制造技術(shù)(80分鐘，重點內(nèi)容)1. 大型金屬整體結(jié)構(gòu)制造技術(shù)結(jié)構(gòu)集成度越來越高，加大型金屬整體結(jié)構(gòu)制造由于零件采用難加工材料國外軟件先進(jìn)、配置完為提高飛機(jī)和發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)效率，金屬整體結(jié)構(gòu)尺寸越來越大, 工與成形難度更大，成為了新一代飛機(jī)及其發(fā)動機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)。技術(shù)主要有：高效數(shù)控加工技術(shù)、精密鈑金成形技術(shù)、增材制造技術(shù)。(1) 高效數(shù)控加工技術(shù)數(shù)控加工技術(shù)在飛機(jī)和發(fā)動機(jī)金屬零件加工中得到廣泛應(yīng)用,

3、 和結(jié)構(gòu)的大型化整體化， 配置先進(jìn)的數(shù)控加工技術(shù)和設(shè)備十分必要。善，形成了以 CATIA、UG(NX卜Pro/E等為典型代表的三維CAD/CAM軟件環(huán)境，開發(fā)了以VeriCut為代表的數(shù)控加工仿真工具、ICAM為代表的后置處理軟件，形成了從三維設(shè)計模型到數(shù)控程序生成的全三維數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理環(huán)境和商品化工具。數(shù)控加工技術(shù)趨于成熟，設(shè)備研制生產(chǎn)能力強， 并形成系列化產(chǎn)品。 高速銃削新技術(shù)的研究近十年來發(fā)展迅速，當(dāng)前日本Kitamura研制的SPARKCUT60C加工中心主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到150000rpm,代表了高速銃削設(shè)備的最先進(jìn)水平。數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展迅速，在美國JSF項目歐洲空客 A380項目和英國

4、RollRoyce公司發(fā)動機(jī)項目上得到了廣泛應(yīng)用；在高速銃削工藝方面的典型應(yīng)用有：Remele公司采用轉(zhuǎn)速40000r/min的高速切削設(shè)備對壁厚0.76mm的直升機(jī)薄壁結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了精確加工。普惠公司鈦合金葉片采用主軸轉(zhuǎn)速為20,000rpm的高速機(jī)床加工，生產(chǎn)效率提高15%-20%(2) 精密鈑金成形技術(shù)精密鈑金成形技術(shù)廣泛用于飛機(jī)和發(fā)動機(jī)金屬零件制造，它與計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測控技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成了金屬塑性先進(jìn)成形技術(shù)。國外金屬成型領(lǐng)域廣泛采用數(shù)字化制造技術(shù)。在工藝仿真研究方面：根據(jù)美國科學(xué)研究院的測算，采用工藝仿真能縮短產(chǎn)品研發(fā)周期30%-60%材料利用率提高 25%成本降低5% 20%。在產(chǎn)

5、品制造中：實現(xiàn)了工藝過程數(shù)字化控制和檢測，大幅提咼了產(chǎn)品制造精度和 生產(chǎn)效率。數(shù)字化應(yīng)用的典型實例有，柔性多點模具蒙皮拉形工藝，采用了幾何信息數(shù)字傳遞方式，作為生成模具型面、拉形過程控制、檢測蒙皮外形和蒙皮切邊的依據(jù)，通過數(shù)字化工裝，數(shù)字化檢測和切邊工具，實現(xiàn)全過程數(shù)字化制造。 精密鈑金成形技術(shù)在飛機(jī)和發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)制造中應(yīng)用的典型技術(shù)：蠕變時效成形技術(shù)應(yīng)用于空客A380飛機(jī)機(jī)翼上壁板制造，噴丸成形技術(shù)應(yīng)用于空客A380飛機(jī)機(jī)翼下壁板制造；超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)（SPF/DB）應(yīng)用于美國F-22飛機(jī)后機(jī)身高強鈦合金隔熱板、B-2飛機(jī)大型鈦合金零件和英國Roll Royce發(fā)動機(jī)大型鈦合金寬弦空心風(fēng)

6、扇葉片等零件制造。（3）增材制造技術(shù)增材制造技術(shù)是一種基于“離散 -堆積”成形的先進(jìn)制造技術(shù)，從零件的 3D模型出發(fā)， 通過分層切片及路徑規(guī)劃， 離散成加工路徑，以激光或電子束等為熱源， 逐層熔化粉末或絲 材，直接制造出任意復(fù)雜形狀的零件。增材制造技術(shù)是制造技術(shù)的最新發(fā)展方向。根據(jù)金屬增材制造技術(shù)用途主要分兩類：第一類是基于電子束、 激光束堆焊技術(shù)的增材制造技術(shù)（快速成形技術(shù)），是將快速原型和同步送粉或絲材多層熔覆技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)。適用于近凈成形制造或熔覆修復(fù)，對零件還需少量加工；激光熔覆技術(shù)及設(shè)備已商業(yè)化，典型設(shè)備供應(yīng)商有德國Trumpf和美國POM公司、Huffman公司、Optomec

7、公司等，飛機(jī)廠商采用上述幾家公司已商業(yè)化的技術(shù)與設(shè)備， 生產(chǎn)的產(chǎn)品有金屬基疊層復(fù)合材料零件、葉片、壁板、梁等構(gòu)件，但更多用于零件修復(fù)。研 究成果已在武裝直升機(jī)、AIM導(dǎo)彈、波音7X7客機(jī)、F/A-18E/F、F22戰(zhàn)機(jī)等方面得到應(yīng)用；美國霍尼韋爾公司采用該項技術(shù)修理了上百萬件的發(fā)動機(jī)高壓渦輪、中壓渦輪和低壓渦輪葉片。在電子束熔絲沉積成形技術(shù)方面，美國波音公司、洛克希德？馬丁 （Lockheed Martin）公司與美國航空宇航局Lan gley研究中心及西雅基（Sciaky In c.）公司聯(lián)合，先后開展了相關(guān)技術(shù)研究和設(shè)備研制，能制造出形狀比較復(fù)雜的零件，最大沉積速率超3500cm3/h，性

8、能達(dá)到鍛件水平，譬如 F-22飛機(jī)鈦合金AMAD支座、F-35飛機(jī)襟翼梁等，并形成了相關(guān)材料 及工藝標(biāo)準(zhǔn)。第二類是基于鋪粉的選區(qū)熔化精密增材制造技術(shù)，適用于零件的凈成形制造，無需對零件加工。該項技術(shù)已用于航空產(chǎn)品金屬零件制造。 R-R、GE P&WMTU Boeing、EADS Airbus 等公司應(yīng)用激光/電子束選區(qū)熔化增材成形技術(shù)已生產(chǎn)出 GH4169 AlSi10Mg、CoCr、TC4等 航空金屬零部件，如發(fā)動機(jī)燃燒室、葉片、葉輪、飛機(jī)艙門支架、進(jìn)氣罩、B777座艙燈框等。2. 大型復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)制造技術(shù)復(fù)合材料質(zhì)量輕、模量高、強度高、可設(shè)計性強、工藝性好，更容易制造大型整體結(jié)

9、構(gòu)， 倍受飛機(jī)和發(fā)動機(jī)設(shè)計師的青睞，得到了廣泛應(yīng)用。F22、F35、A400M A380、A350 B787等新型軍民用飛機(jī)樹脂基復(fù)合材料用量得到了大 幅度提升，B787、A350達(dá)到50鳩上。廣泛采用的先進(jìn)制造技術(shù)有復(fù)合材料自動化制造技術(shù)（自動鋪帶、絲束鋪放等）和低成本制造技術(shù)（液體成形、拉擠成形以及快速成形技術(shù)等 ），自動鋪帶技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)翼、翼梁的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造；絲束自動鋪放技術(shù)主要應(yīng)用于機(jī)身、機(jī)頭、翼梁及進(jìn)氣道制造；液體成形技術(shù)用于飛機(jī)復(fù)合材料后壓力框、發(fā)動機(jī)葉片、機(jī)匣等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造；拉擠成形技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料地板橫梁及筋條制造。碳碳復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于飛機(jī)剎車裝置，主要采用化學(xué)氣

10、相滲透及浸漬/炭化工藝制造。陶瓷基復(fù)合材料已用于 X37、X43等高速飛行器的頭錐、翼面等承力、隔熱及燒蝕結(jié)構(gòu)；在發(fā)動機(jī)上廣泛應(yīng)用于 F414、M88-II等噴口調(diào)節(jié)片/密封片等構(gòu)件，在渦輪葉片、燃燒室隔熱屏 等構(gòu)件上的應(yīng)用處于裝機(jī)試驗階段。陶瓷基復(fù)合材料主要采用化學(xué)氣相滲透及先驅(qū)體轉(zhuǎn)化工藝制造。3. 先進(jìn)焊接技術(shù)焊接技術(shù)是飛機(jī)和發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)廣泛采用的連接技術(shù)。近年來在飛機(jī)和發(fā)動機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。先進(jìn)焊接技術(shù)主要有：電子束焊接、激光焊接、線性摩擦焊和攪拌摩擦焊。(1) 電子束焊接電子束焊接是在真空環(huán)境下采用電子束流對金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接的一種方法，具有焊縫深寬比大的特點，更適用于

11、大厚度結(jié)構(gòu)件的焊接，已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、發(fā)動機(jī)主承力結(jié)構(gòu)的焊接。利用電子束可達(dá)性好的特點，還適用于復(fù)雜外形蒙皮及壁板類結(jié)構(gòu)的焊接。國外著名的研究機(jī)構(gòu)有德國PTR精密技術(shù)有限公司、PRO-BEAM司、英國劍橋真空工程有限公司、TWI焊接研究所、法國的 TECHMET公司和烏克蘭的巴頓研究所。國外在電子 束焊接新型材料的焊接冶金特性，氣孔、裂紋等缺陷產(chǎn)生的機(jī)理和焊接質(zhì)量控制技術(shù)，電子束束流品質(zhì)的改善和對材料作用機(jī)理的基礎(chǔ)理論研究，焊接過程溫度場、應(yīng)力場及裂紋生成擴(kuò)展行為進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬等深入研究。另一方面注重電子束焊接成果在飛機(jī)、發(fā)動機(jī)重要零部件上的應(yīng)用研究，西方第三、四代戰(zhàn)斗機(jī)的主承力框、梁結(jié)構(gòu)

12、上廣泛采用了電子束焊 接技術(shù)。如：美國 F-22飛機(jī)鈦合金前梁、后機(jī)身鈦合金梁均采用了電子束焊接技術(shù)，其中 后機(jī)身鈦合金梁電子束焊縫長度達(dá)87.6m,厚度在6.425mm之間，在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)上，A340、A500、A6O0 A380等大型客機(jī)的發(fā)動機(jī)吊架、Trent700發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子、阿波羅飛船門的框架構(gòu)件等結(jié)構(gòu)上均采用了電子束焊接技術(shù)。(2) 激光焊接目前，激光焊接采用的光源主要是 CO2激光和YAG固體激光。進(jìn)入21世紀(jì)，以盤式(DISK) 激光和光纖激光為代表的高亮度大功率激光技術(shù)問世，尤其是光纖激光，其功率已超過了 50kW且束流品質(zhì)高，能使材料瞬間熔化、氣化并形成深穿透匙孔，可實現(xiàn)薄板

13、高效焊接(速 度達(dá)20m/min)以及20mni以上厚板的高質(zhì)量焊接，設(shè)備體積小可實現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)現(xiàn)場移動焊接， 當(dāng)前光纖激光焊接應(yīng)用研究已成為國際上的熱點。國外在新型高強合金的焊接性、焊接過程質(zhì)量、應(yīng)力與變形技術(shù)研究，焊接自動化和智能化技術(shù)研究，機(jī)器人柔性激光焊接技術(shù)研究，先進(jìn)的激光薄壁焊接技術(shù)和光纖激光中厚板焊接技術(shù)等研究均取得了突破性進(jìn)展。英國焊接研究所采用光纖激光填絲和激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)完成了20mm以上厚度的高強鋼管道和艦船結(jié)構(gòu)的焊接，英國曼切斯特大學(xué)采用長焦距光纖激光焊接和窄間隙光纖激光焊接技術(shù)完成 了核反應(yīng)裝備上 200mm厚板結(jié)構(gòu)的焊接。2006年美國、加拿大、德國等政府公布科技

14、發(fā)展 計劃中均將激光焊接技術(shù)列為航空工業(yè)尖端發(fā)展技術(shù)之一，促進(jìn)了激光焊接在航空產(chǎn)品上廣泛的應(yīng)用，A380飛機(jī)機(jī)身鋁合金焊接下壁板是激光焊接在航空結(jié)構(gòu)應(yīng)用上的典型代表。(3) 線性摩擦焊線性摩擦焊是一項固相連接技術(shù)，焊縫能達(dá)到鍛造組織的狀態(tài)；可實現(xiàn)同種或異種材料的連接；已用于葉片與葉盤的焊接及修復(fù)。國外在完成了深入的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)研究后，MTU公司與羅羅公司合作，把線性摩擦焊用于歐洲戰(zhàn)斗機(jī)Typhoon的發(fā)動機(jī)3級低壓壓氣機(jī)整體葉盤的制造，目前已經(jīng)提供了100多個線性摩擦焊接的整體葉盤。F119發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)12級均采用了線性摩擦焊整體葉盤結(jié)構(gòu)。其中風(fēng)扇是采用寬弦空心葉片結(jié)構(gòu)。F135

15、發(fā)動機(jī)的升力風(fēng)扇以及一、二級風(fēng)扇(為空心葉片)也是采用了線性摩擦焊整體葉盤。F136發(fā)動機(jī)3級整體葉盤全部采用羅羅公司生產(chǎn)的線性摩擦焊接，并開展了采用線性摩擦 焊技術(shù)維修與更換整體葉盤零件的探索研究。此外，日本開展的一項小型民機(jī)飛機(jī)發(fā)動機(jī)的研究計劃中，其高壓壓氣機(jī)整體葉盤采用了線性摩擦焊制造。美國波音787客機(jī)的發(fā)動機(jī)葉盤也采用了線性摩擦焊整體葉盤結(jié)構(gòu)。(4) 攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊1991年由英國焊接研究所發(fā)明，其原理是通過攪拌頭與被焊金屬材料的摩 擦攪拌產(chǎn)生熱能，使金屬塑化并形成固相連接，適用于鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕質(zhì)合金 和鋼材的焊接，在航空工業(yè)主要應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)制造。以空客、波音

16、、洛克希德 ？馬丁等公司為代表的研究機(jī)構(gòu)，多年來持續(xù)開展飛機(jī)結(jié)構(gòu)攪 拌摩擦焊基礎(chǔ)理論、工程技術(shù)和綜合驗證研究，并應(yīng)用于飛機(jī)生產(chǎn)。具有代表性的研究工作 有：空客公司針對 A340-600型大型民用客機(jī)翼肋及 A350機(jī)身縱縫焊接，開展了攪拌摩擦焊 試驗驗證研究，巴西 Embracer公司針對Legacy-450及Legacy-500中型客機(jī)機(jī)身壁板，開 展了攪拌摩擦焊工藝及結(jié)構(gòu)強度性能研究。具有代表性的應(yīng)用結(jié)構(gòu)有：美國大型軍用運輸機(jī)C-17的艙內(nèi)地板和斜臺地板；C-130J壓力艙壁板、地板及隔板；Eclipse-500 型商務(wù)飛機(jī)蒙 皮、翼肋、弦狀支撐和艙內(nèi)地板。5.飛機(jī)自動化裝配技術(shù)飛機(jī)自動化

17、裝配是指從組合件、盒段件及部件對合裝配機(jī)械連接工藝采用自動化、數(shù)字化技術(shù)，實現(xiàn)飛機(jī)裝配全過程的自動化；柔性裝配是自動化裝配發(fā)展的一個新方向。自動化裝配技術(shù)中的柔性裝配技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，Gemco、Brotje、EI、Mtorres、ATI、SERRA DULL BC柯馬等公司研制出各類工裝單元、加工單元、檢測單元及集成系統(tǒng)，實現(xiàn)了模塊化、通用化，降低了制造成本，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期；集成的柔性裝配生產(chǎn)線有： 壁板、翼梁等組合件裝配線；機(jī)身艙段、翼盒等盒段大部件裝配線；機(jī)翼對接、機(jī)身艙段對接、 翼身對接等大部件對接裝配線；部件總裝、全機(jī)移動總裝生產(chǎn)線。實現(xiàn)了從組合件級、盒段級、大部件對接、部件

18、總裝至全機(jī)移動生產(chǎn)線全線貫通的高度柔性化和自動化裝配，廣泛地應(yīng)用于F-22、F-35、B787、A380、A400M A350等新一代飛機(jī)裝配。大幅提升了產(chǎn)品的裝配 精度、實現(xiàn)了低應(yīng)力裝配。波音、空客、洛克希德 ？馬丁等飛機(jī)制造公司在波音系列民機(jī)、F-35及A380等飛機(jī)的總裝生產(chǎn)線中，為了滿足飛機(jī)的快速生產(chǎn)需求，降低裝配成本，吸取了汽車行業(yè)流水生產(chǎn)線的理念，變革傳統(tǒng)的批量裝配生產(chǎn)方式變?yōu)閱渭骼瓌邮缴a(chǎn)方式，在總裝中采用了移動生產(chǎn)線，大大縮短了飛機(jī)總裝時間，降低了飛機(jī)的成本，提高了裝配質(zhì)量。在飛機(jī)裝配過程中，移動生產(chǎn)線技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用的新技術(shù)，采用移動生產(chǎn)線技術(shù)能提高生產(chǎn)效率，節(jié)省車間空間，在F-35飛機(jī)研制中，洛克希德 ？馬丁公司將首次采用連續(xù)移動裝配線。波音、空客等公司， 還大量采用了氣墊運輸和自動運輸小車(AGV)技術(shù)，與先進(jìn)的測量與定位技術(shù)(iGPS)、數(shù)控技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)飛機(jī)制造過程中運輸和裝配自動化，大大提高了飛機(jī)制造與裝配的技術(shù)水平、工作效率和裝配質(zhì)量。6.數(shù)字化制造技術(shù)數(shù)字化制造是一種全新的制造技術(shù)體系，在數(shù)字化制造過程中，從產(chǎn)品設(shè)計到最終產(chǎn)品，數(shù)字化的信息貫穿始