各位領(lǐng)導、各位專家，大家好。很榮幸在此給大家匯報近幾年航空制造和飛機結(jié)構(gòu)件的技術(shù)發(fā)展和裝備發(fā)展。我今天匯報的這個題目是《飛機結(jié)構(gòu)件智能制造與裝備發(fā)展趨勢》。我將從飛機結(jié)構(gòu)件的特點與飛機數(shù)控機床的發(fā)展趨勢兩個方面向大家匯報。飛機制造是國家科技與制造水平的重要體現(xiàn)，例如，我國的C919，空客公司的A380等一眾優(yōu)秀的飛機系列。在航空制造產(chǎn)業(yè)鏈中，飛機結(jié)構(gòu)件的加工占據(jù)非常大的比重，占比約35%。

在飛機制造領(lǐng)域，隨著國內(nèi)近幾年飛機制造的發(fā)展，加之國家對于產(chǎn)能的要求，軍、民融合的要求，零件制造大都選擇外包，成飛就有幾十家相關(guān)配套企業(yè)。飛機制造業(yè)是國家2025的重要發(fā)展方向，因此這些企業(yè)都十分具有投資價值。

從制造角度而言，飛機結(jié)構(gòu)件在整機中的比例也非常重。飛機結(jié)構(gòu)零部件存在供應問題，飛機自然做不到量產(chǎn)。飛機零部件制造涵蓋了多項技術(shù)，包括零部件變化，裝備變化等。目前有多家公司支持成飛的零部件生產(chǎn)。零部件生產(chǎn)在未來有著良好的發(fā)展前景。因此廣聯(lián)航空已在哈爾濱、西安、成都、珠海都設有企業(yè)。近幾年來，廣聯(lián)航空的運營情況較好，制造水平同樣較高。除了航空結(jié)構(gòu)件外，廣聯(lián)航空還著眼于發(fā)動機領(lǐng)域，近期也有相關(guān)項目。

飛機結(jié)構(gòu)件組成了飛機的骨架，90%以上采用數(shù)控加工，80%左右更是采用五坐標數(shù)控加工，加工難度非常高。未來，飛機結(jié)構(gòu)件發(fā)展趨勢多樣。其一是整體零件大型化，比如整體框架、整體翼梁等。整體結(jié)構(gòu)件可大量減少零件數(shù)量和裝配工序，有效減輕飛機整機重量，提高零件強度和可靠性，減少了裝配工作量的同時，提高了飛機的裝配效率、裝配質(zhì)量等。

其二是零件結(jié)構(gòu)復雜化，如圖所示某重要的結(jié)構(gòu)件。特點是零件復雜，存在諸多交點孔，外形和輪廓等都有很高的制造要求，也是飛機機翼的一項關(guān)鍵零件。圖中，綠色結(jié)構(gòu)零件為不銹鋼的材料，加工難度非常大。

除了零件結(jié)構(gòu)復雜化以外，隨著制造水平的提高，為了保證飛機的質(zhì)量和減輕飛機的重量，零件結(jié)構(gòu)也有了新的調(diào)整設計。傳統(tǒng)零件結(jié)構(gòu)多為對稱設計，如今零件架構(gòu)多為掏空設計，目的在于減輕重量，飛機設計過程中，諸如此類的設計方法逐漸開始應用，但這也使飛機零件結(jié)構(gòu)更為復雜，給零件制造帶來了新的挑戰(zhàn)。

如圖，對比龐巴迪的典型設計，新設計的零件結(jié)構(gòu)選擇掏空設計，減少了重量，但掏空所導致的變形設計為避免發(fā)生裂紋，不允許矯形，因此對加工帶來了非常大的難度。

對比空客的傳統(tǒng)設計零件，新設計的零件結(jié)構(gòu)變形是無法控制的，這為加工工藝及方法帶來了新的挑戰(zhàn)?？湛偷牧硗庖粋€零件結(jié)構(gòu)案例更是無法加工，定位困難、變形問題等都是難以應對的挑戰(zhàn)。

其三是零件制造精確化。飛機性能提升對零件裝配提出了新的要求，同時飛機重量的控制更為嚴格，因此零件的制造精度要求也大幅提高。

從第二代飛機的50到80個零件，到第三代飛機的2到3個結(jié)構(gòu)件，再到第四代飛機的整體結(jié)構(gòu)件，新型戰(zhàn)機整體重量變得更好控制，公差帶從原來的0.5mm減少到0.25mm，再到0.1mm，而隨著公差帶的縮小，加工難度也將變得更大，合格率對工藝方法、刀具、機床、震動的要求變得更高。

其四是零件材料的多元化。隨著飛機性能要求的提高，新型高性能材料不斷引入，整體結(jié)構(gòu)件材料逐漸由鋁合金為主轉(zhuǎn)變?yōu)殇X合金、鈦合金、復合材料并重，零件材料呈現(xiàn)出多樣化的局面。如圖，空客A350與波音787飛機的復合材料占比分別已達40%和50%。復合材料比例的大幅度地提高，對飛機的制造、成型、加工尤其是曲面零件加工帶來了非常大的難度。隨著飛機性能的提高，新材料不斷地引入，整體結(jié)構(gòu)的材料由過去的鋁合金轉(zhuǎn)變?yōu)殇X合金與鈦合金的復合材料。而鈦合金材料作為一種難加工材料，其增量使用必將增大加工難度，波音787整機的鈦合金材料比例高達15%。傳統(tǒng)飛機蒙皮，包括民機、軍機都是鋁合金，殲-10飛機的鋁合金比例占80%以上，如今的殲-20鋁合金比例只占30%，另外30%為鈦合金，其余30%為復合材料。材料發(fā)生了大幅度變化，對加工也帶了大幅度的變化。美軍機F-22的鈦合金比例甚至高達40%。

總的來說，未來零件結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢多以零件尺度大型化、結(jié)構(gòu)整體化、復雜化、精確化，以及鈦合金與復合材料的大量應用為主，新一代的飛機結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)更復雜、精度要求高、制造周期更短，這對制造技術(shù)而言是全新的挑戰(zhàn)。但挑戰(zhàn)與需求共存，未來零件復雜程度高、精度要求提高、加工性能差、加工量大與飛機產(chǎn)品研制周期要求短之間的矛盾日益突出；現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)件的制造是典型的復雜產(chǎn)品小批量生產(chǎn)甚至單件生產(chǎn)模式，這種模式是對高效、優(yōu)質(zhì)、低成本制造的挑戰(zhàn)；與其它制造行業(yè)相比，飛機結(jié)構(gòu)件制造領(lǐng)域?qū)嵤┲悄苤圃斓募夹g(shù)難度更大，但需求也更為迫切。因此，飛機結(jié)構(gòu)件的制造為航空業(yè)帶來的不僅僅只有挑戰(zhàn)，也為行業(yè)的投資也帶來了機遇。在飛機結(jié)構(gòu)件加工制造領(lǐng)域，我國航空業(yè)所面臨的難題包括大型零件的高精度加工、鈦合金高效加工和復合材料綠色制造，驅(qū)使著航空產(chǎn)業(yè)向著復雜結(jié)構(gòu)件的多品種、小批量生產(chǎn)智能制造發(fā)展。

目前國內(nèi)該領(lǐng)域裝備多以進口為主，因此機床制造業(yè)也帶來了一個全新的發(fā)展機遇。在高速機床領(lǐng)域，國外研發(fā)的高轉(zhuǎn)速，高功率，高密度的電主軸已經(jīng)發(fā)展到150千瓦，峰值轉(zhuǎn)速達3000rpm。然而，成飛大量應用的裝備多60到80千瓦，近期引入了120千瓦的電主軸設備。隨著電主軸效率的提高，機床的進給速度自然需要提升，在直線電機和立矩電機的輔助應用下，目前的進給速度已經(jīng)達到每分鐘120米。

目前的技術(shù)加持下，大型機床進給速度達到1g，中小型機床進給速度達到2g，進給加速度越來越大，在這種前提下，加加速度成為了衡量高速性能的主要指標。所述參數(shù)都是航空產(chǎn)品對機床發(fā)展的需求。對航空業(yè)來說，現(xiàn)在需求量更大、要求更高。所以從投資角度而言，滿足技術(shù)與發(fā)展的前提下，航空是代表國家技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要的行業(yè)。

DST公司與GMN公司聯(lián)合研發(fā)的150KW高功率密度高速電主軸，理論金屬去除率可12000立方厘米。目前國內(nèi)60至80千瓦的電主軸去除率只能達到5000立方厘米，未及一半。性能大幅度的提高也為機床結(jié)構(gòu)也帶來了硬性要求。高效率的電主軸含有大量的傳感器，包括了溫度傳感器、震動傳感器、液壓傳感器、潤滑傳感器等，能保證高技術(shù)類機床的核心部件能夠高效地利用、銑削，結(jié)合切削顫振穩(wěn)定域頻域分析算法，可以有效提升高速銑削的安全性，具有一定的智能。在相同的進給速度下，同樣走刀軌跡，加工效率隨加速度的提高而成倍提高。比如，若0.5 g切削輪廓需要1.36秒，那么1g的進給速度只要0.68秒，而2g的進給速度下只要0.34秒。因此這也給予了機床與結(jié)構(gòu)設計相應的難度。

如圖，9米長的零件空間位置誤差小于72微米。目前大型的龍門銑床，不但加工數(shù)控機床，還能夠加工飛機部件。為F35項目研發(fā)的5米x15米工作臺面的大型龍門銑床，采用了DST公司研發(fā)的空間精度自檢測、自補償系統(tǒng)，用以保持機床精度的可靠性，空間精度高達1.6μm/m3(要求環(huán)境溫度控制到±1℃)。對航空機床來說，難度是非常之大，但是該機床價值非常高，約1000萬美金。而民用機床只需要 500 萬美金。

對精度的控制也帶來了結(jié)構(gòu)要求。溫度控制水平對機床精度影響極大，除了環(huán)境溫度的控制，機床部件自身溫度的控制也至關(guān)重要。機床運動產(chǎn)生熱，所以需要機床結(jié)構(gòu)體里循環(huán)風和循環(huán)水，來保證機床的機體恒溫及其穩(wěn)定。

對于鈦合金加工來說，首先扭矩要大，加工鋁合金消耗功率，加工鈦合金消耗扭矩。所以大扭距的電主軸也是當前需要攻克的難題?，F(xiàn)在的鈦合金常規(guī)加工速度需求是每分鐘50米到100米，高速加工的速度需求是200米到300米，所以扭矩的主軸要求非常高，需要匹配五個坐標，所以它的擺動扭矩很大。因此，目前五坐標的鈦合金主軸也是一個難題。

國外有大量的機床行業(yè)公司在研究此類結(jié)構(gòu)的主軸頭，像鈦合金的主軸頭、機床及其高速加工機床目前同樣是行業(yè)內(nèi)存在的難題之一。此外，機床的刀庫也非常重要，因為飛機結(jié)構(gòu)件的零件非常復雜，需要大量的刀進行變換。DST研發(fā)的臥式鈦合金高效加工機床，采用HSKB160刀柄及機器人換刀系統(tǒng)，刀庫容量高達320把，刀庫可擴展性強。另外一個就是柔性生產(chǎn)線。柔性生產(chǎn)線技術(shù)在國外早已成熟。隨著工業(yè)的發(fā)展，購買生產(chǎn)線的情況愈發(fā)的多，目的有兩點，第一點是控制成本，第二點是提高零件的效率、加工一致性，保證零件精度的質(zhì)量要求。臥式柔性生產(chǎn)線在航空工業(yè)得到普遍應用，利用柔性生產(chǎn)線的排產(chǎn)功能，結(jié)合標準化夾具，可以滿足多品種小批量零件的自組織高效生產(chǎn)，是航空結(jié)構(gòu)件的一個典型生產(chǎn)需要。

如圖，比如斯達拉格生產(chǎn)線，兩臺機床需要許多工作臺來進行加工。右邊這個是 4 臺機床。成飛06年建立了一條生產(chǎn)線5臺斯達拉格五坐標立臥轉(zhuǎn)換的加工柔性生產(chǎn)線。這個生產(chǎn)線的基本機床是五臺1.25米x1.25米的斯達拉格五坐標工作臺，立體庫里面有40個工作臺等待調(diào)配使用。有兩個裝卸站滿足零件的裝卸，保證生產(chǎn)線的使用。生產(chǎn)線建立以后，通過自主研發(fā)里面的核心軟件來控制整個應用，實施管理上的變革，使產(chǎn)線的綜合運營指標大幅度提升，設備利用率突破90%。原本單機運行的時候，每個機床利用率只有40%到45%，幾乎翻了一倍，達到國際先進水平。這些數(shù)據(jù)使我們對生產(chǎn)線有了更新的認識。設備使用率提高22%，產(chǎn)出率提高22.8%，操作人員降低66.7%，機床24小時運行所需人數(shù)由15人下降到4人，大幅度提高生產(chǎn)效率。

另外一個是柔性加工和綠色加工，復合材料由于粉塵和變形等因素，集加工、檢測、運輸、清洗等一體的自動化加工系統(tǒng)在飛機零件生產(chǎn)中開始應用，是提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量的有效途，是碳纖維復合材料蒙皮零件精確制造的完美解決方案（如圖）。因為復材結(jié)構(gòu)件里面大量填充NOMEX蜂窩，這種加工會極大污染環(huán)境，隨著人們環(huán)境保護意識的提高，綠色制造開始得到重視。如何減少環(huán)境污染和降低對工人健康的威脅，已經(jīng)在機床設計中得以考慮。超聲切割技術(shù)可以解決蜂窩芯材料加工導致的污染問題。

本文根據(jù)嘉賓在【第二屆中國航空投資峰會】上的發(fā)言整理、刪減。（查看更多完整視頻請掃描二維碼）