航空先进制造技术

第四章航空先进制造技术

一、前言（5分钟）

航空制造技术对提高航空产品性能、减轻结构重量、延长使用寿命、缩短研制周期、降低成本、提高可靠性起着关键性的作用;航空制造技术的发展，促进了航空产品的升级换代。随着科学技术的发展，航空制造技术已集机械、电子、光学、信息、材料、生物科学和管理学为一体，形成了一种多学科交叉、技术密集的体系，它集聚了制造业的先进技术，使航空产品成为了工业领域皇冠上的明珠。

航空制造技术推动航空产品的更新，航空产品牵引了制造技术的发展，形成了一代航空产品、一代制造技术的不断循环，促进了航空工业的发展。

国外F22、F35、B787、A380、大型军用运输机A400M等新一代飞机及其发动机采用的先进制造技术代表了当前国外航空先进制造技术，其可概括为：大型金属整体结构制造技术、大型复合材料整体结构制造技术、先进焊接技术、飞机自动化装配技术和数字化制造技术。

二、国外航空先进制造技术（80分钟，重点内容）

1. 大型金属整体结构制造技术

为提高飞机和发动机结构效率，金属整体结构尺寸越来越大，结构集成度越来越高，加工与成形难度更大，成为了新一代飞机及其发动机制造的关键技术。大型金属整体结构制造技术主要有：高效数控加工技术、精密钣金成形技术、增材制造技术。

(1)高效数控加工技术

数控加工技术在飞机和发动机金属零件加工中得到广泛应用，由于零件采用难加工材料和结构的大型化整体化，配置先进的数控加工技术和设备十分必要。国外软件先进、配置完善，形成了以CATIA、UG(NX)、Pro/E等为典型代表的三维CAD/CAM软件环境，开发了以VeriCut为代表的数控加工仿真工具、ICAM为代表的后置处理软件，形成了从三维设计模型到数控程序生成的全三维数据的数字化处理环境和商品化工具。数控加工技术趋于成熟，设备研制生产能力强，并形成系列化产品。高速铣削新技术的研究近十年来发展迅速，当前日本Kitamura 研制的SPARKCUT600 加工中心主轴转速达到150000rpm，代表了高速铣削设备的最先进水平。数控加工技术发展迅速，在美国JSF项目、欧洲空客A380项目和英国Roll Royce公司发动机项目上得到了广泛应用;在高速铣削工艺方面的典型应用有：Remele公司采用转速40000r/min的高速切削设备对壁厚0.76mm的直升机薄壁结构件进行了精确加工。普惠公司钛合金叶片采用主轴转速为20，000rpm的高速机床加工，生产效率提高15%～20%。

(2)精密钣金成形技术

精密钣金成形技术广泛用于飞机和发动机金属零件制造，它与计算机技术、现代测控技术相结合，构成了金属塑性先进成形技术。

国外金属成型领域广泛采用数字化制造技术。在工艺仿真研究方面：根据美国科学研究院的测算，采用工艺仿真能缩短产品研发周期30%～60%，材料利用率提高25%，成本降低5%～20%。在产品制造中：实现了工艺过程数字化控制和检测，大幅提高了产品制造精度和生产效率。数字化应用的典型实例有，柔性多点模具蒙皮拉形工艺，采用了几何信息数字传递方式，作为生成模具型面、拉形过程控制、检测蒙皮外形和蒙皮切边的依据，通过数字化工装，数字化检测和切边工具，实现全过程数字化制造。精密钣金成形技术在飞机和发动机

结构制造中应用的典型技术：蠕变时效成形技术应用于空客A380飞机机翼上壁板制造，喷丸成形技术应用于空客A380飞机机翼下壁板制造;超塑成形/扩散连接技术(SPF/DB)应用于美国F-22飞机后机身高强钛合金隔热板、B-2飞机大型钛合金零件和英国Roll Royce发动机大型钛合金宽弦空心风扇叶片等零件制造。

(3)增材制造技术

增材制造技术是一种基于“离散-堆积”成形的先进制造技术，从零件的3D模型出发，通过分层切片及路径规划，离散成加工路径，以激光或电子束等为热源，逐层熔化粉末或丝材，直接制造出任意复杂形状的零件。

增材制造技术是制造技术的最新发展方向。根据金属增材制造技术用途主要分两类：第一类是基于电子束、激光束堆焊技术的增材制造技术(快速成形技术)，是将快速原型和同步送粉或丝材多层熔覆技术相结合的新技术。适用于近净成形制造或熔覆修复，对零件还需少量加工;激光熔覆技术及设备已商业化，典型设备供应商有德国Trumpf和美国POM 公司、Huffman公司、Optomec公司等，飞机厂商采用上述几家公司已商业化的技术与设备，生产的产品有金属基叠层复合材料零件、叶片、壁板、梁等构件，但更多用于零件修复。研究成果已在武装直升机、AIM导弹、波音7X7客机、F/A-18E/F、F22战机等方面得到应用;美国霍尼韦尔公司采用该项技术修理了上百万件的发动机高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮叶片。在电子束熔丝沉积成形技术方面，美国波音公司、洛克希德•马丁(Lockheed Martin)公司与美国航空宇航局Langley 研究中心及西雅基(Sciaky Inc.)公司联合，先后开展了相关技术研究和设备研制，能制造出形状比较复杂的零件，最大沉积速率超3500cm3/h，性能达到锻件水平，譬如F-22飞机钛合金AMAD支座、F-35飞机襟翼梁等，并形成了相关材料及工艺标准。

第二类是基于铺粉的选区熔化精密增材制造技术，适用于零件的净成形制造，无需对零件加工。该项技术已用于航空产品金属零件制造。R-R、GE、P&W、MTU、Boeing、EADS、Airbus 等公司应用激光/电子束选区熔化增材成形技术已生产出GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4等航空金属零部件，如发动机燃烧室、叶片、叶轮、飞机舱门支架、进气罩、B777座舱灯框等。

2. 大型复合材料整体结构制造技术

复合材料质量轻、模量高、强度高、可设计性强、工艺性好，更容易制造大型整体结构，倍受飞机和发动机设计师的青睐，得到了广泛应用。

F22、F35、A400M、A380、A350、B787等新型军民用飞机树脂基复合材料用量得到了大幅度提升，B787、A350达到50%以上。

广泛采用的先进制造技术有复合材料自动化制造技术(自动铺带、丝束铺放等)和低成本制造技术(液体成形、拉挤成形以及快速成形技术等)，自动铺带技术广泛应用于机翼、翼梁的复合材料结构制造;丝束自动铺放技术主要应用于机身、机头、翼梁及进气道制造;液体成形技术用于飞机复合材料后压力框、发动机叶片、机匣等复杂结构件制造;拉挤成形技术应用于复合材料地板横梁及筋条制造。