论述飞机先进制造技术的发展与应用

　　随着现代科学技术的发展，航空制造业也发生了巨大的变化。纵观航空业近百年的历史，尤其是近十几年来，在该领域不断以创新的科技和先进的制造技术引领着向前发展。为了适应现代国防建设和国民经济的发展需要，航空科技工业的主要产品也正向新型的高性能、高轻型、高可靠性、高舒适型及长寿命和低成本的方向发展和更新。因此，为了满足现代航空业发展的需求，飞机先进制造技术得到了广泛的应用和发展。本文章就飞机先进制造技术的应用与发展总结了以下几个主要方面。

　　一、运用先进的数控加工技术

　　随着计算机技术的不断发展，许多国家把该技术运用到了各个领域，尤其是西方一些发达国家，早在50年前就将数控技术应用到了飞机制造业中，基本实现了飞机加工数控化，广泛采用CAD/CAPP/CAM系统和DNC技术，达到数控加工高效率，建立了柔性生产线并发展了高速切削加工技术。

　　(一)实现了高效数控加工

　　西方发达国家在航空制造业中数控机床占的比例高达50%～80%左右，波音、麦道、空中客车等飞机制造公司都配置了大量的大型、多坐标数控铣和加工中心及与之相关的配套设备等，基本实现了数控加工的高效率化。如：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，机加工设备380台，配置CNC机床约200台，数控化效率达60%左右，数控技术应用水平较高。

　　(二)广泛应用CNC技术

　　进入2l世纪，CNC技术已普遍应用在各个领域。如波音、空中客车、麦道等公司都在生产制造线建立了CNC系统，连接分布在若干不同车间中的上百台数控设备，包括加工中心、大型铣床、数控测量机。美国大约有2万多家小型飞机零部件转包制造商，85%都使用了CNC系统。采用CNC技术具有明显的经济和技术效益，可提高20%一25%的生产效率。

　　(三)广泛应用先进的CAD/CAPP/CAM系统

　　广泛应用CAD，CAPP/CAPP/CAM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。

　　二、运用先进的复合材料构件制造技术

　　复合材料主要是指树脂基复合材料、先进聚合物基复合材料等，它本身具备了较高的比强度、比模量，抗疲劳、耐腐蚀、成形工艺性好及可设计性强等特点，现已成为飞机结构中与铝合金、钛合金和钢并驾齐驱的四大结构材料之一。复合材料将成为21世纪航空制造技术新材料发展的主流方向之一。随着复合材料制备技术的不断发展和完善，目前，该技术主要包括：真空袋压、真空成型和热压罐成型工艺，模压成型工艺，热压，冷压模塑成型工艺，注射模塑成型工艺，缠绕成型工艺，拉挤成型工艺，复合材料液体成型工艺等。

　　(一)应用热压罐制造技术

　　为满足飞机上扩大复合材料的应用范围和需求，飞机制造商在不断地完善复合材料层压板真空袋——热压罐制造技术。该项技术普遍地应用于复合材料构件生产，热压罐/VARTM组合成型新工艺是树脂基复合材料成型工艺的一个新发展，特别适用于平面、立体织物增强高粘度树脂基复合材料的液体注射成型，航空、航天等先进复合材料制造领域。目前，许多飞机制造厂均采用了计算机控制自动下料设备、多坐标数控自动铺层设备、激光辅助铺层定位系统、实时监控热压罐同化设备、多坐标数控加工及高压水切割设备、计算机控制无损检测设备等实现了复合材料工艺参数的优化及工艺过程的仿真，保证了复合材料构件生产质量的稳定。

　　(二)应用缝合/(RTM，RFI)复合材料技术

　　缝合织物增强复合材料是用高性能纤维缝线将多层二维纤维织物缝合在一起，经复合固化两成的纺织复合材料，它通过引入贯穿厚度方向的纤维来提高抗分层能力，增强层间强度、模量、抗剪切能力、抗冲击性能、抗疲劳能力等力学性能。采用缝合复合材料可以提高复合材料制件的力学性能，从而进一步提高复合材料结构效率，降低结构重量。缝合技术还可以将两个或多个零件(如长桁和蒙皮)的增加织物叠层缝合在一起，制成大型整体结构预制件，从而满足新型制件的要求。目前，该项技术已被广泛应用于航空、航天领域。广泛应用于F22，JSF及大型飞机A380的研制和生产中。

　　(三)应用胶接结构制造技术

　　胶接技术可用于连接不同材料、不同厚度、二层或多层结构。主要包括金属胶接结构制造技术、蜂窝夹层胶接结构技术和金属复合层板胶接技术。

　　金属胶接结构可以实现大面积连接而减少(或取消)紧固件，具有比强度、比刚度高、结构重量轻、劳寿命长等一系列优点，已被广泛用于飞机结构，特别是次承力结构上。至今，胶接结构已成为飞机机体的重要结构形式。

　　金属蜂窝夹层胶接结构是由两片薄表层材料，中间用轻质芯子隔开组合而成的结构形式。夹层结构件质轻，强度和刚度高，吸音，绝热，广泛用于航空，建筑，造船等工业。夹层结构件的外皮通常选用金属薄板，芯子为蜂窝结构件或低密度塑料，采用胶接技术制造并组装成夹层结构件。目前，金属蜂窝夹层胶接结构已被大量地应用于飞机结构，其比重能比铆接结构减轻25%左右。

　　金属复合层板胶接技术是利用胶接技术将各向同性的铝合金(含铝锂合金)薄板与各向异性的纤维复合材料结合起来的新型结构材料一一纤维铝合金复合层板胶接结构，基于芳纶纤维的复合层板称为ARALL结构，基于玻璃纤维的复合层板称为GLARE结构。ARALL层板的芳纶纤维抗压性能差，在循环压应力作用下容易断裂，因此，ARALL层板只能用做机翼下蒙皮，而不适合用做机身蒙皮。GLARE层板结构不存在这个问题。如：Airbus公司研制的A380大型宽体客机(550座～660座)采用CLARE制造机身上壁板，包括整个客舱的上半部分，比采用铝合金板减重8千公斤。这也表明该项技术未来在航空领域有着显著的发展趋势。

　　三、运用先进的自动化连接技术

　　飞机结构所承载荷通过连接部位传递，形成连接处应力集中。据统计，飞机机体疲劳失效事故的70%起因于结构连接部位，其中80%的疲劳裂纹发生于连接孔处，因此，连接质量极大地影响着飞机的寿命。现代飞机的制造中大量地采用了先进的自动化连接技术，大大提高了飞机的使用寿命和安全可靠性。

　　(一)应用自动化焊接技术

　　随着飞机、发动机对减重、提高性能的需要，先进连接技术将起着越来越重要的作用。新材料、新结构、新工艺的有机结合，使得焊接技术成为了航空制造领域的主导技术之一，它的进步与发展不仅能减轻飞机、发动机的重量，而且还为其计新构思提供技术支持，促进飞机、发动机性能的提高。焊接结构件在喷气发动机零部件总数中所占比例已超过50%，焊接的工作量已占发动机制造总工时的10%左右。在飞机结构中，焊接技术的应用几乎遍及全机，除了将点焊用于蒙皮、组合梁、框、长桁等量零件的高强铝合金构件焊接外，还广泛采用了焊接新技术，如电子束焊、穿透焊、双弧焊、高频感应组装钎焊等，焊接件达到数千件。采用由计算机控制的焊接设备和检测设备，可以改变工艺可变性控制，提高焊接速度和焊接质量，降低焊接机构的成本。

　　(二)应用自动化钻铆技术

　　随着现代飞机的安全使用寿命要求日益增长，手工铆接难以保证寿命要求，必须采用自动钻铆装配设备实现稳定的高质量的连接。发达国家如美国、俄罗斯、法国、德国等国家发展的系列化钻铆机。有中小型钻铆机、大型自动钻铆机、安装特种紧固件的钻铆机和微型自动钻铆机等。自动钻铆机与托架系统相配套，能提高效率。对尺寸较大、复杂的结构，尤其是双曲度的飞机机身和机翼壁板进行自动钻铆，配备全自动托架系统以实现工件的自动定位和调平，而对于外形较平直的中小结构的擘板大多配置手动、半自动托架系统。

　　(三)应用自动化装配技术

　　发达国家的飞机连接装配已由单台数控自动钻铆机的配置向由多台数控自动钻铆机、托架系统配置或由自动钻铆设备和带视觉系统的机器人、大型龙门机器人、专用柔性工艺装备及坐标测最机等多种设备、不同配置组成的的柔性自动装配系统发展。柔性自动钻铆、装配系统使生产效率大大提高，费用降低，废品率降低。

　　(四)应用机械手和机器人

　　采用自动机器人装配系统可实现对不开敞、难加工部位的装配。工业机械手一机器人作为柔性装配系统中一个不可分割的部分，能有效提高装配效率和装配质量，降低装配成本。目前，多数飞机制造商都普遍采用该技术，如波音、空中客车公司等。

　　四、运用高精密的钣金成形技术

　　在飞机制造业中，钣金零件是组成飞机机体的主要组成部分，约占飞机零件总量的70%左右，制造工作量约占整架飞机劳动量的15%左右，并有品种多数量少，结构复杂、外廓尺寸大、刚性小等特点，直接影响飞机整机质量和生产周期。因此，钣金件的制造成为了现代航空业成型技术的突破点，现代先进制造技术中充分运用了高精密钣金成形加工技术，该技术是将金属板料、型材、管材等半成品，利用材料的可塑性，在不产生切削的情况下制成各种薄壁零件的加工技术，常用的方法有橡皮囊液压成形、数控蒙拉、型拉、滚弯成形技术、超塑成形，扩散连接技术及冲击成形技术等。目前，这些技术已被广泛应用于飞机制造中并成为钣金成形的传统成形方法。

　　先进飞机钣金壁板的明显特点是蒙皮厚、筋条高、结构网格化、整体集成度大、结构刚度大和难以成形。第三代飞机和大型飞机气动外形要求严、寿命要求长，钣金件不许敲击成形，大都采用精密成形技术。精密钣金成形技术研究，大力发展成形过程的数值仿真和变形过程的预测技术;重视材料在成形后的性能研究;特别注意成形过程的精确监测、控制技术和在线检测技术的研究。这也表明该项技术未来在航空领域中有较大的发展空间。