民用飞机先进制造技术的发展趋势

1.引言

近年来，飞机制造技术朝着整体结构轻量化、隐身、高可靠性，长寿命、短周期、低成本及绿色先进制造技术方向发展[1]。以B777、B737–800、A320和A380为代表的机型集中反映了大型客机制造技术的现状，而正在研制发展的A350、波音787更多地采用了先进制造工艺和材料技术以提高飞机的市场竞争力。数字化、自动化、柔性化、精确化制造技术，以及先进材料技术在这些机型中的应用和实践，将整个飞机制造技术水平提高到了一个新的境界。

2.国外民机先进制造技术及发展趋势

民机研制在欧、美、俄等发达国家已有近半个世纪的历史，制造技术已经从经验依赖型转向过程模拟、仿真、实时监控、智能化方向发展。尤其是近二十年的发展迅猛，其发展趋势以提高生产率，更快、更好且低成本为目标。

2.1数字化装配技术

飞机数字化装配技术涉及飞机设计、零部件制造、装配工艺规划、互换协调技术、数字化测量系统、自动控制和计算机软件等众多先进技术。飞机的装配过程是一项复杂的系统工程，涉及飞机设计、工艺计划、零件生产、部件装配和全机对接总装的全部过程。据统计，飞机装配成本在产品总成本中的比重可达40%，装配工作量一般约占全机工作量的一半。

近年来，国外飞机装配技术发展迅速，以A380、B787为代表的大型飞机装配中，采用数字量尺寸协调体系和装配设计技术，通过装配虚拟仿真技术实现装配过程优化，应用柔性装配型架和自动化装配技术实现飞机结构的高质量、高效率和长寿命的装配。大型飞机自动化装配技术已从由单台数控自动钻铆机和数控托架组成的自动钻铆系统向由柔性装配工装、模块化加工单元、数控定位系统（包括机器人）、自动送料系统和数字化检测系统等组成的自动化装配系统发展，大部分基于CATIA平台设计，保证了装配系统与飞机产品的数字化协调。目前国外发展的自动化装配系统主要有柔性机翼壁板装配系统、柔性翼梁装配系统、机身壁板集成单元、机身环铆装配系统和机器人自动化装配系统等。图1为柔性轨道制孔系统。

图1柔性轨道制孔系统

2.2复合材料结构制造技术

先进复合材料具有高比强、高比模、多功能、各向异性和可设计性、材料与结构的同一性等优异性能。自20世纪60年代问世以来，先进复合材料被广泛应用于民用飞机的各类结构，且应用比例还在不断提高，如图2所示。可以说当今先进的复合材料结构占飞机结构总量比重的多少，在某种程度上成为评价该飞机性能的重要技术指标，也标志着该飞机设计制造厂家（国家）工业技术的先进程度和实力[2]。

2.2.1复合材料整体结构成型技术

由于零件数量、紧固件数量和协调/连接装配工作量的减少，同时由于相应钉孔数量下降导致结构承载能力的改善，复合材料结构的减重效果可随整体化程度的提高而显著上升，同时结构成本可大幅度下降。采用整体成型技术还可以减少分段、对接、间隙和台阶，使机体表面光滑完整，整体成型技术使高度翼身融合的结构总体布局实现成为可能。共固化、共胶接和二次胶接是整体结构成型首先要研究发展的最基本、最常用的技术。

图2新一代大型民机复合材料应用情况

2.2.2复合材料结构低成本制造技术

复合材料结构的应用在带来性能极大提高的同时，也伴随着制造成本上升的高昂代价。为此，降低制造成本已成为促进先进复合材料结构应用发展的决定因素。低成本成型技术主要的发展趋势是液体成型技术、数字化与自动化生产技术以及制造工艺模拟与优化技术。20世纪80年代以后，随着低粘度热固性树脂材料和树脂转移技术的完善，形成了以树脂转移模塑(RTM)工艺为代表的液体成型制造技术体系。RTM工艺方法适合制造梁、肋、框等小型构件。

由于RTM技术还存在缺点，因此，近年来又开发了真空辅助树脂注塑成型技术(VARI)。辅助树脂被织物吸收，不仅可降低孔隙率，使预成形纤维更紧密，而且由真空形成的负压，可使树脂沿着真空通路沿预成形体各层面流动，从而充分浸渍纤维，并使纤维/树脂分布均匀。该技术适用于中小尺寸、形状复杂的产品，如A380前后机身部分组件及襟副翼部分肋与铰链，波音787起落架支架[3]。

90年代，出现了树脂膜熔融浸渍(RFI)成型方法，该工艺免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具的加工，在制造出优异的制品的同时大大降低了成本。图3是采用RFI工艺制造的机身后压力框。

图3RFI成型的机身后压力框

2.2.3复合材料结构三维增强技术

目前航空复合材料结构上大量使用二维增强的层压复合材料。由于基体树脂的脆性和材料厚度方向性能的薄弱状态，此类结构存在抗冲击性能低弱和损伤容限问题，不能满足新型飞机的高性能要求。解决此类问题应从两方面入手，一是开发应用高韧性基体树脂来改善复合材料结构的抗冲击性能，二是通过三维编织、缝合技术或纵向加强技术（Z-pining）在Z向引入增强纤维来实现。三维编织法采用纺织技术将增强纤维制成三维预成型体，然后通过树脂转移方法成型构件，克服了二维编织厚度方向强度低的问题。缝合技术是在制造过程中，将未浸渍树脂的平面织物铺叠后采用特殊的缝合设备按工艺参数进行缝合，然后通过树脂转移方法成型复合材料结构，A380后机身压力隔框采用的就是该技术[3]。

民用飞机先进制造技术的发展趋势

上海飞机设计研究院石霞琳

［摘要］本文论述了国外民用飞机制造业在数字化装配技术、复合材料结构制造技术、大型整体结构件制造技术、精密钣金成形技术及焊接技术方面的发展趋势，并对我国民机制造业的发展提出了合理化建议。

［关键词］民用飞机制造

发展趋势—

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2.2.4制造工艺模拟与优化技术

对复合材料构件的制造工艺进行准确的模拟、评估和优化是获得合理工艺、高质量产品和降低制造成本的一个关键因素。传统的生产方式在进行这项工作时采用以大量材料、设备和工时耗费为代价的工艺试验作为评估依据，这不能满足复合材料低成本、高效率的制造要求。国内外在这方面开展了大量卓有成效的研究工作，研发出具有工程实用价值的计算机软件用于工艺的模拟、评估和优化，如用于模拟、评估液体成型工艺的RTM-Worx和PAM-RTM，用于设计和生产可行性评估的FiberSIM，洛克希德—马丁公司开发的能对复合材料热压罐固化工艺进行优化的COBRA，由美国辛辛那提机器公司开发的用于纤维铺放的Acraplace等。

2.2.5复合材料纤维缠绕/铺放成型技术

缠绕/铺放成型技术是在缠绕成型技术与铺叠成型技术的基础上发展起来的。缠绕成型技术限于回转体结构的制造，不适合航空工业通常的板壳构型。纤维铺叠则限于类似飞机机翼蒙皮一类单曲面结构。缠绕成型是复合材料构件最主要的成型工艺方法之一，缠绕成型技术的主要实施范围是具有筒、罐、管、球、锥及盒状几何外形的复合材料构件，并可根据结构需要实现环向的局部增厚、增强。而铺叠成型技术可在闭曲面的结构中实现纵向或子母线方向的增厚、增强。因此，为实现复杂型面结构的制造，就要将缠绕成型技术与铺叠成型技术相结合。当今在航空工业比较发达的国家随着近年来多轴联动缠绕设备、自动铺带设备、纤维丝束铺放设备等设备的不断进步，缠绕/铺放成型技术在以空客A380和波音787为代表的新型飞机上获得了大量应用。

2.3大型整体结构件制造技术

整体化结构具有诸多优点，如减少紧固件数量、降低重量及加工成本等。大型整体结构件的数控加工和成形技术在国外先进民机上有大量成功应用的案例，如大型机翼整体壁板、大型复合材料构件、大型整体框与结构等。图4为某机型机翼用3万转高速铣切设备加工成型的超薄巨型翼肋。

图4机翼超薄巨型翼肋

2.4精密钣金成形技术

精密钣金成形技术的核心是简化设计、提高质量、缩短周期、降低成本。充分利用材料的最佳成形性能，发掘新的成形工艺与方法，预测成形缺陷、检测和控制成形过程是成形技术的发展趋势[4]。

整体壁板的成形技术是制造机体结构的关键技术之一。波音707～777和空客A310～340等大中型民用客机都采用数控喷丸成形方法成形机翼整体壁板。近年来，随着新型可时效强化铝合金在机翼壁板结构中的应用以及焊接整体壁板的出现，整体壁板时效成形技术得到了空客、波音等公司的重视和发展，从而出现了喷丸成形与时效成形技术并存的局面，如空客A330、A340的上蒙皮壁板和A321下翼面蒙皮。

2.5焊接技术

目前，A380、B777、Eclipse-500及ERJ145等飞机制造中，都相继采用焊接技术作为飞机结构的连接方法。焊接技术也由小零件的制造发展到了大型部件和整体机身的组装焊接。先进焊接技术不仅使焊接质量较弧焊工艺有了飞跃性发展，而且生产效率较弧焊提高了5~20倍[5]。电子束焊接技术（EBW），激光束焊接技术(LBW)和搅拌摩擦焊技术(FSW)，就是最具代表性的三种先进焊接技术。

电子束焊接技术主要应用于钛合金材料，如波音的起落架和空客A380的发动机机架等。激光束焊接适合制造单曲度和双曲度壁板，空客正在将激光焊接技术用于支架接头、起落架舱区域压力隔框的制造上。A380飞机采用激光束焊接技术取代下机身壁板桁条的铆接工艺，使机身壁板结构从过去的“装配式结构”概念改变成“整体式结构”概念。

搅拌摩擦焊接是一种完全不同于上述两种焊接技术的固相连接方法，目前，在世界范围内公认搅拌摩擦焊是最具潜力和最有应用前景的新型连接方法。这种方法可能成为今后中、薄板(包括有色金属和黑色金属)的重要连接方法，主要应用于机身纵向焊缝的连接及飞机大部件之间的连接。进入二十一世纪以来，欧洲航空工业正在掀起搅拌摩擦焊的技术研究和推广应用高潮，开展了多项针对飞机结构搅拌摩擦焊技术研究的欧盟框架计划项目，深入系统地研究了搅拌摩擦焊技术及其在飞机结构应用上的安全性和可靠性。Eclipse-500型商务飞机的机身和机翼等大量采用了该项技术，号称全搅拌摩擦焊飞机，如图5所示。空客公司也已经致力于将搅拌摩擦焊技术引入到A340飞机的制造中，并大规模应用于A350的制造，将机身面板从8块减少到4块，不仅可以减轻重量，而且提高了飞机的使用寿命[5]。

图5全搅拌摩擦焊飞机Eclipse-500

3.对我国民机制造技术发展的几点建议

我国现有的民机制造体系以MD82/90的制造技术和管理技术为基础，同时在转包生产中吸收了一些波音、空客的先进技术。部分航空企业应用了计算机局域网络、信息集成技术、异地无纸设计制造及并行工程等先进技术，在航空零组件制造方面已有长足的发展。但是，我国的飞机装配技术、复合材料结构制造技术、关键成形技术、焊接技术等技术与国外发达国家相比还存在很大差距，在以下方面亟待重点突破：（1）基于精益制造理念，发展大型飞机数字化装配线及其模式、壁板件柔性装配系统、大型壁板自动钻铆系统、大部件对接系统、大型飞机部件精准对接系统、大型飞机部件的转运与装配、飞机装配工装快速设计、电磁铆接等新型连接工艺；

（2）发展复合材料结构设计制造一体化、数字化设计和模拟、大型复合材料构件整体成型技术、复合材料构件的无损检测和修补技术等，进一步探索低成本制造技术；

（3）发展大型机翼整体壁板成形技术、大型整体框锻造与轻合金结构件铸造技术、大型壁板多级化铣技术，大型双曲蒙皮数控加工成形技术等；

（4）系统研究时效成形等新的钣金成形技术，发展数字化钣金制造技术，建立钣金柔性生产单元，钣金成形工艺过程模拟专家系统等；

（5）提高焊接设备硬件水平，研究电子束、激光束焊接和搅拌摩擦焊接的基础工艺，建立完善的无损检测体系。

4.结束语

我国在发展民用飞机先进制造技术时，应以开放的思维充分注意国际合作、国际交流，充分吸收国际上的先进技术、经验和教训。同时，应以现有的航空工业制造水平为基础，制定合适的关键制造技术研制方案，并促进其合理发展，以提高我国航空工业制造技术的整体水平为目标。

参考文献

［1］任晓华.航空制造技术发展趋势［J］.航空科学技术，2010,3：2~5［2］陈绍杰.大型飞机与复合材料［J］.航空制造技术，2008,15：32~37［3］任晓华.航空复合材料制造技术发展［J］.航空科学技术，2010,4：2~4

［4］李艳华，蔺国民.现代飞机关键制造技术浅析［J］.航空制造技术，2009,4：60~63

［5］张颖云，李正.先进焊接技术在飞机制造中的应用［J］.西安航空技术高等专科学校学报，2008,26(1)：

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