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航空先進制造技術的應用及發展趨勢

高度發達的航空制造技術,已經成為衡量一個國家綜合經濟實力與科技發展水平的重要標志。上世紀中期以來,隨著以機械工程技術、電子技術、自動化技術、信息技術等多種技術為一體所產生的技術、設備和系統為基礎的先進制造業(Advanced Manufacturing Technology)的空前發展;新技術、新工藝、新產品競相問世,航空工業制造技術的發展水平和規模,近年來處于整個制造業的前沿,起著領航和導向的作用。

 

一、航空工業制造技術的特征

與傳統的制造業相比,航空工業的先進制造技術主要有以下幾個重要特征:

1)航空制造領域的數字化和信息化程度較高,包括設計開發、生產控制和品質控制為中心的數字制造、信息傳遞、生產流程和客戶需求分析為中心的數字設計;多領域統一建模和多學科優化設計技術、虛擬樣機技術、數字化工藝技術、虛擬裝配和柔性裝配技術、品質保證技術和資源管理技術為核心的全程信息化管理。

2)航空制造行業對產品的精度及使用工況要求較高,航空產品一般需滿足其在高溫、高壓、高濕、強沖擊、強磁場和強腐蝕等工況條件下的使用,其形狀結構復雜,加工制造難度較大。

3)航空產品的自動化生產要求較高,航空產品制造技術本身就是一個由現代技術、加工技術和企業管理等所構造的高度集成化系統;具有人機一體化、自組織和超柔性、學習能力與自我維護能力等高度智能化能力。

4)航空制造業發展的網絡化進程加快。航空產品在市場競爭中面臨著多方壓力,不斷變化的市場需求需要航空制造產業在生產和管理中運用網絡虛擬制造技術與網絡虛擬管理技術進行內部體制改革,集中力量發展核心業務。

 

二、先進航空制造技術的應用

航空先進制造技術是傳統制造技術與微電子、計算機、自動控制等高新技術相融合,集機械、電子、光學、信息科學、材料科學、生物科學、管理學等新成就于一身的新興制造技術,產品主要向高性能、高輕型、高可靠性、高舒適型、高安全性以及長壽命和低成本的方向發展和革新。

近年來,國內先進航空制造技術的發展,主要體現在以下3 個領域:復合材料加工、電子元器件設計與安裝和新型金屬加工成型技術。

復合材料領域,如可大幅度降低渦輪發動機凈質量和燃料消耗的高溫陶瓷基復合材料,輕型航空結構復合材料,具有彈道防護功能的復雜幾何形狀的制造加工技術。

電子元器件設計與安裝領域,諸如寬禁帶與碳化硅裝置、鋰電池、MEMS的先進封裝與加工技術。

金屬加工成型領域,諸如材料的加工、鑄造、鍛造以及連接技術,包括飛行器的輕質薄壁件的加工成型與高強度鈦合金、高溫合金等的制造工藝技術。

現代精密電子元器件設計與機械加工中,對精度要求極高,如飛機陀螺儀中的精密軸承,其圓度、圓柱度、表面粗糙度等,均需達到納米級別。

要縮短航空產品的研制周期、提高產品的設計品質、降低產品裝備的全生命周期成本和提高產品研制的經濟可承受性,全過程信息化與數字化技術是一個有效的解決途徑。

航空產品十分復雜,存在著機、電、液、氣、熱、控等多領域耦合,在設計時需要對其功能、結構、性能、裝配提供統一的建模機制;并在模型的基礎上,針對實際產品的特征和需求,用多學科解耦體系和優化技術,獲得高精度、高性能和高性價比的產品設計模型。

采用虛擬樣機技術、數字化工藝技術與虛擬和柔性裝配技術,對航空產品進行虛擬環境下的裝配生產和品質評估,不僅可以縮短產品的研制周期,而且還能為航空產品的高品質裝配、批量化生產、使用與維護提供有效的保證。航空產業的快速發展,離不開先進的航空制造技術,如在航空發動機、飛機駕駛艙薄壁艙殼、機載相控布陣雷達天線等復雜儀表結構件的制造過程中所采用的超高速精密加工機床,其主軸轉速達到6 r/m in 甚至更高,功率50 kW ,加工精度可達到納米級別。

航空材料構件的服役環境極端苛刻,對材料性能的要求極高,如輸油管道中的精微齒輪軸承及鈦合金閥門、渦輪發動機中的渦輪葉片與渦輪盤、飛行員座椅彈射器中的彈觸器等關鍵部件,要保證其高性能及高穩定性,必須經過先進的精密化學熱處理工藝或精密真空熱處理工藝,才能滿足使用要求。針對特殊材料(如特軟、特硬、脆、耐磨、難切削)、特殊形狀尺寸(特大、特小、特薄、特復雜)或其它特殊條件約束下使用的工件,航空制造業先后發展了電火花加工、電化學加工、高能束加工、超聲波加工、液體噴射加工、化學加工與復合加工等特種加工技術。

 

三、航空制造管理系統的應用

航空先進制造技術的應用,已逐漸成為一種戰略行為,其戰略意義在于提升國家的創新能力。但國外研究發現,先進航空制造技術的應用,必須要與實際的組織情境和管理實踐相結合,要與人力資源管理相匹配,特別是要與組織行為相融合,才能從根本上提升一個國家的綜合創新能力。

3.1 傳統航空制造系統存在的缺陷

傳統的航空制造產業管理系統,存在著以下缺陷:

1)理論研究缺乏學科交叉性和推廣性:容易造成技術與管理脫節,研究成果不能在第一時間直接轉化為生產力。

2)管理導向缺乏先進性與應用性:管理觀念陳舊,管理技術落后,管理視角過于偏重生產流程管理,對技術發展形勢評估、國際行業競爭及整個生產流程的成本控制重視不足。

3)管理方法缺乏融合性:偏重于單個流程模塊的控制,割裂了各流程模塊的整體功能聯系。

4)管理模式缺乏戰略性:只注重生產流程的成本管理,忽視了供應商與客戶的成本管理;只注重企業的微觀成本和效益管理,忽視了社會效益和社會成本管理。

5)管理理念缺乏技術與經濟相統一的綜合發展思維。

3.2 航空產品虛擬制造管理系統

隨著經濟全球一體化進程的加快,航空制造產品市場的進一步擴大,以及客戶多樣化和個性化需求的日益發展,建立航空產品的整體虛擬研制V MVirtual Manufacturing)與生產,已經成為當今航空制造技術發展的必然趨勢。

虛擬制造以網絡結構組織為骨架,以信息技術為依托,綜合了制造過程中的生產作業管理和成本計算控制,對產品的市場價值進行整體評估,同時包含了企業人員激勵與能力培訓。

虛擬制造技術主要包括虛擬中心創建、虛擬中心管理與人力資源管理3 個中心模塊,其管理系統的流程示意圖如圖1所示。

1 航空制造管理系統示意圖

(1)   虛擬中心創建。虛擬中心兼有企業與市場雙重模式,以先進信息技術為依托,以企業與市場雙重模式的信任與合作為基石,以生產任務的需求為組織形式,快速、高效、低成本地向客戶提供產品,并完成RD(虛擬研究與開發) 成果價值認定,提升RD研究成果從科研部門向制造企業轉移的步伐。

(2)   虛擬中心管理。虛擬中心是一種全新的組織模式,它不僅依賴于信息網絡的建立,而且還與企業員工素質、生產管理水平和企業組織方式有高度密切的聯系。虛擬中心管理以生產流程中各個科研團隊之間的信任為基石,以“雙贏”戰略為發展的動力。

(3)   人力資源管理。在航空制造系統中,技術的發展與進步,往往體現為先進設備的制造與使用,因此人與機器的相互適應,就需要進行協調管理,通過相應的知識教育和技能培訓,加深技術工人對新技術的理解,提高其認識和學習能力;通過細致的生產流程環節劃分,增進工人認識、接納新技術的能力,并促進其與企業之間的凝聚力。

四、航空制造技術的未來發展趨勢

綜觀近年來國內航空,航天事業的飛速發展,航空制造產業的不斷發展壯大,我國的航空制造技術已經取得了明顯的進步,借鑒國外航空先進制造技術近年來的發展趨勢,國內航空先進制造技術,未來將需在以下方面進行技術改造和提升。

4.1 制造過程自動化

主要依賴于制造系統中集成技術、系統開發、人機一體化制造單元技術、制造過程的計劃和調度、柔性制造技術等,其將航空產品的設計、論證、生產、調度、裝配以及品質與安全檢驗等環節融為一體,簡化了生產流程,提高了生產效率,并縮短了產品從試制到量化生產的時間。

4.2 納米制造及仿生制造技術

隨著我國未來國防戰略對戰機作戰性能要求的不斷提高,諸如隱身功能、超音速巡航、高機動性等,納米制造技術作為納米技術開發的重點之一,融合了其它各種“學科”的關鍵技術,可用于發動機中的單晶高溫葉片、復合結構隱身材料的涂層以及機載微電子芯片等關鍵航空部件的生產過程。

仿生技術主要應用于飛機的整體結構設計,模仿生物形態、結構和飛行控制原理設計制造出功能更突出、效率更集中,并具有高度仿生形貌特征的航空飛行器。

4.3 綠色制造技術

隨著資源的過度開發以及環境破壞程度的日益加劇,綠色制造技術開始逐漸被人們所關注并重視起來。其目的是使產品在開發、設計、制造、裝配、運輸、銷售以及使用、維護的整個過程中,達到資源優化、綠色生產和對環境污染的最小化。

4.4 產品的模塊化構造

產品的模塊化構造主要表現在:

1)功能選擇性。允許用戶在產品基本功能的基礎上添加一些特定的功能要求。

2)產品形式多樣化。在保證制造過程最簡化的條件下,通過標準制件的組配,獲得多樣化產品。

3)產品升級改造。緊跟技術和用戶需求發展,對產品進行適時升級改造,滿足用戶的最新需求。

4)產品的適應性。產品需要滿足在不同使用環境下工作的要求,需要產品本身具有很高的適應性。

5)可更換性。產品在使用過程中可以滿足更換替代的使用要求。

 


來源:北京航空材料研究院 樊振中 報道:
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