淺談飛機先進制造技術的應用與發展

摘要：隨著現代科學技術的發展，航空制造業也發生了巨大的變化。航空業近百年的發展史中，先進制造技術的創新與應用正引領著該領域的科技快速發展。通過分析與調研，文章就飛機先進制造技術的應用與發展作了相關總結。

關鍵詞：航空制造業；先進制造技術；應用與發展；數控加工技術；復合材料構件制造技術

中圖分類號：V262文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）09-0025-02

隨著現代科學技術的發展，航空制造業也發生了巨大的變化。縱觀航空業近百年的歷史，尤其是近十幾年來，在該領域不斷以創新的科技和先進的制造技術引領著向前發展。為了適應現代國防建設和國民經濟的發展需要，航空科技工業的主要產品也正向新型的高性能、高輕型、高可靠性、高舒適型及長壽命和低成本的方向發展和更新。因此，為了滿足現代航空業發展的需求，飛機先進制造技術得到了廣泛的應用和發展。本文章就飛機先進制造技術的應用與發展總結了以下幾個主要方面。

一、運用先進的數控加工技術

隨著計算機技術的不斷發展，許多國家把該技術運用到了各個領域，尤其是西方一些發達國家，早在50年前就將數控技術應用到了飛機制造業中，基本實現了飛機加工數控化，廣泛采用CAD/CAPP/CAM系統和DNC技術，達到數控加工高效率，建立了柔性生產線并發展了高速切削加工技術。

（一）實現了高效數控加工

西方發達國家在航空制造業中數控機床占的比例高達50%～80%左右，波音、麥道、空中客車等飛機制造公司都配置了大量的大型、多坐標數控銑和加工中心及與之相關的配套設備等，基本實現了數控加工的高效率化。如：波音公司在Auburn民機制造分部建立了鋁、鈦、鋼結構件機加車間和機翼蒙皮與梁結構件機加車間，機加工設備380臺，配置CNC機床約200臺，數控化效率達60%左右，數控技術應用水平較高。

（二）廣泛應用CNC技術

進入21世紀，CNC技術已普遍應用在各個領域。如波音、空中客車、麥道等公司都在生產制造線建立了CNC系統，連接分布在若干不同車間中的上百臺數控設備, 包括加工中心、大型銑床、數控測量機。美國大約有2萬多家小型飛機零部件轉包制造商，85%都使用了CNC系統。采用CNC技術具有明顯的經濟和技術效益，可提高20%～25%的生產效率。

（三）廣泛應用先進的CAD/CAPP/CAM系統

廣泛應用CAD/CAPP/CAM/CAE自動化設計制造應用軟件以及DFX等并行工程，并有足夠的工藝知識數據庫、切削參數數據庫、各種規范化的技術資料作為使能工具。因而設計與工藝手段先進，工藝精良，NC加工程序優質，縮短了工藝準備周期，提高了設備利用率和生產效率，大大縮短了零件生產周期。

二、運用先進的復合材料構件制造技術

復合材料主要是指樹脂基復合材料、先進聚合物基復合材料等，它本身具備了較高的比強度、比模量，抗疲勞、耐腐蝕、成形工藝性好及可設計性強等特點，現已成為飛機結構中與鋁合金、鈦合金和鋼并駕齊驅的四大結構材料之一。復合材料將成為21世紀航空制造技術新材料發展的主流方向之一。隨著復合材料制備技術的不斷發展和完善，目前，該技術主要包括:真空袋壓、真空成型和熱壓罐成型工藝，模壓成型工藝，熱壓/冷壓模塑成型工藝，注射模塑成型工藝，纏繞成型工藝，拉擠成型工藝，復合材料液體成型工藝等。

（一）應用熱壓罐制造技術

為滿足飛機上擴大復合材料的應用范圍和需求，飛機制造商在不斷地完善復合材料層壓板真空袋——熱壓罐制造技術。該項技術普遍地應用于復合材料構件生產，熱壓罐/VARTM組合成型新工藝是樹脂基復合材料成型工藝的一個新發展,特別適用于平面、立體織物增強高粘度樹脂基復合材料的液體注射成型,航空、航天等先進復合材料制造領域。目前，許多飛機制造廠均采用了計算機控制自動下料設備、多坐標數控自動鋪層設備、激光輔助鋪層定位系統、實時監控熱壓罐固化設備、多坐標數控加工及高壓水切割設備、計算機控制無損檢測設備等實現了復合材料工藝參數的優化及工藝過程的仿真，保證了復合材料構件生產質量的穩定。

（二）應用縫合/（RTM，RFI）復合材料技術

縫合織物增強復合材料是用高性能纖維縫線將多層二維纖維織物縫合在一起，經復合固化而成的紡織復合材料，它通過引入貫穿厚度方向的纖維來提高抗分層能力，增強層間強度、模量、抗剪切能力、抗沖擊性能、抗疲勞能力等力學性能。采用縫合復合材料可以提高復合材料制件的力學性能，從而進一步提高復合材料結構效率，降低結構重量。縫合技術還可以將兩個或多個零件（如長桁和蒙皮）的增加織物疊層縫合在一起，制成大型整體結構預制件，從而滿足新型制件的要求。目前，該項技術已被廣泛應用于航空、航天領域，廣泛應用于F22，JSF及大型飛機A380的研制和生產中。

（三）應用膠接結構制造技術

膠接技術可用于連接不同材料、不同厚度、二層或多層結構。主要包括金屬膠接結構制造技術、蜂窩夾層膠接結構技術和金屬復合層板膠接技術。

金屬膠接結構可以實現大面積連接而減少（或取消）緊固件，具有比強度、比剛度高、結構重量輕、勞壽命長等一系列優點，已被廣泛用于飛機結構，特別是次承力結構上。至今，膠接結構已成為飛機機體的重要結構形式。

金屬蜂窩夾層膠接結構是由兩片薄表層材料,中間用輕質芯子隔開組合而成的結構形式。夾層結構件質輕，強度和剛度高，吸音，絕熱，廣泛用于航空，建筑,造船等工業。夾層結構件的外皮通常選用金屬薄板,芯子為蜂窩結構件或低密度塑料，采用膠接技術制造并組裝成夾層結構件。目前，金屬蜂窩夾層膠接結構已被大量地應用于飛機結構，其比重能比鉚接結構減輕25%左右。

金屬復合層板膠接技術是利用膠接技術將各向同性的鋁合金（含鋁鋰合金）薄板與各向異性的纖維復合材料結合起來的新型結構材料――纖維鋁合金復合層板膠接結構，基于芳綸纖維的復合層板稱為ARALL結構，基于玻璃纖維的復合層板稱為GLARE結構。ARALL層板的芳綸纖維抗壓性能差，在循環壓應力作用下容易斷裂，因此，ARALL層板只能用做機翼下蒙皮，而不適合用做機身蒙皮。GLARE層板結構不存在這個問題。如：Airbus公司研制的A380大型寬體客機（550座～660座）采用GLARE制造機身上壁板，包括整個客艙的上半部分，比采用鋁合金板減重8千公斤。這也表明該項技術未來在航空領域有著顯著的發展趨勢。

三、運用先進的自動化連接技術

飛機結構所承載荷通過連接部位傳遞，形成連接處應力集中。據統計，飛機機體疲勞失效事故的70%起因于結構連接部位，其中80%的疲勞裂紋發生于連接孔處，因此，連接質量極大地影響著飛機的壽命。現代飛機的制造中大量地采用了先進的自動化連接技術，大大提高了飛機的使用壽命和安全可靠性。

（一） 應用自動化焊接技術

隨著飛機、發動機對減重、提高性能的需要，先進連接技術將起著越來越重要的作用。新材料、新結構、新工藝的有機結合，使得焊接技術成為了航空制造領域的主導技術之一，它的進步與發展不僅能減輕飛機、發動機的重量，而且還為其計新構思提供技術支持，促進飛機、發動機性能的提高。焊接結構件在噴氣發動機零部件總數中所占比例已超過50%，焊接的工作量已占發動機制造總工時的10%左右。在飛機結構中，焊接技術的應用幾乎遍及全機，除了將點焊用于蒙皮、組合梁、框、長桁等量零件的高強鋁合金構件焊接外，還廣泛采用了焊接新技術，如電子束焊、穿透焊、雙弧焊、高頻感應組裝釬焊等，焊接件達到數千件。采用由計算機控制的焊接設備和檢測設備，可以改變工藝可變性控制，提高焊接速度和焊接質量，降低焊接機構的成本。

（二）應用自動化鉆鉚技術

隨著現代飛機的安全使用壽命要求日益增長，手工鉚接難以保證壽命要求，必須采用自動鉆鉚裝配設備實現穩定的高質量的連接。發達國家如美國、俄羅斯、法國、德國等國家發展的系列化鉆鉚機，有中小型鉆鉚機、大型自動鉆鉚機、安裝特種緊固件的鉆鉚機和微型自動鉆鉚機等。自動鉆鉚機與托架系統相配套，能提高效率。對尺寸較大、復雜的結構，尤其是雙曲度的飛機機身和機翼壁板進行自動鉆鉚，配備全自動托架系統以實現工件的自動定位和調平，而對于外形較平直的中小結構的壁板大多配置手動、半自動托架系統。

（三）應用自動化裝配技術

發達國家的飛機連接裝配已由單臺數控自動鉆鉚機的配置向由多臺數控自動鉆鉚機、托架系統配置或由自動鉆鉚設備和帶視覺系統的機器人、大型龍門機器人、專用柔性工藝裝備及坐標測量機等多種設備、不同配置組成的的柔性自動裝配系統發展。柔性自動鉆鉚、裝配系統使生產效率大大提高，費用降低，廢品率降低。

（四）應用機械手和機器人

采用自動機器人裝配系統可實現對不開敞、難加工部位的裝配。工業機械手——機器人作為柔性裝配系統中一個不可分割的部分，能有效提高裝配效率和裝配質量，降低裝配成本。目前，多數飛機制造商都普遍采用該技術，如波音、空中客車公司等。

四、運用高精密的鈑金成形技術

在飛機制造業中，鈑金零件是組成飛機機體的主要組成部分，約占飛機零件總量的70%左右，制造工作量約占整架飛機勞動量的15%左右，并有品種多數量少，結構復雜、外廓尺寸大、剛性小等特點，直接影響飛機整機質量和生產周期。因此，鈑金件的制造成為了現代航空業成型技術的突破點，現代先進制造技術中充分運用了高精密鈑金成形加工技術，該技術是將金屬板料、型材、管材等半成品，利用材料的可塑性，在不產生切削的情況下制成各種薄壁零件的加工技術，常用的方法有橡皮囊液壓成形、數控蒙拉、型拉、滾彎成形技術、超塑成形/擴散連接技術及沖擊成形技術等。目前，這些技術已被廣泛應用于飛機制造中并成為鈑金成形的傳統成形方法。

先進飛機鈑金壁板的明顯特點是蒙皮厚、筋條高、結構網格化、整體集成度大、結構剛度大和難以成形。第三代飛機和大型飛機氣動外形要求嚴、壽命要求長，鈑金件不許敲擊成形，大都采用精密成形技術。精密鈑金成形技術研究，大力發展成形過程的數值仿真和變形過程的預測技術；重視材料在成形后的性能研究；特別注意成形過程的精確監測、控制技術和在線檢測技術的研究。這也表明該項技術未來在航空領域中有較大的發展空間。

參考文獻

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[2]郭恩銘．航空先進制造技術的發展趨勢[J]．

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作者簡介：丁娜仁花（1976－），女（蒙古族），內蒙古人，天津中德職業技術學院講師，碩士，研究方向：機械制造及電氣自動化。