改革开放40年:我国航空制造技术以创新开启未来

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“新舟”600飞机的机身3D数字设计图

中国航空报讯:我国的航空工业经过60多年的发展,已经从最初的仿制和改进设计阶段,走到今天的自主设计和创新研发阶段。航空武器装备的研制历程除了所涉及的设计、材料、制造和测试试验专业技术的发展和进步外,先后经历了具有里程碑意义的图纸模线物理样机、全机数字样机、异地并行协同研制、基于模型的系统工程四个发展阶段。通过建立基于网络的协同研制平台,实现了多家参研厂所的连接和贯通,确保了全研制链的管理协同、工程协同和制造协同,形成了支持飞机研制的跨地域多厂所一体化协同研制的新模式。运用基于模型的定义(MBD)技术,实现全三维数字表达和全局数字量传递,大型飞机数百万零组件均采用MBD技术表达。运用基于模型的系统工程,进行复杂系统功能、性能和行为的自顶向下的分解以及自底向上的综合验证,形成新一代复杂航空产品创新设计能力。运用虚拟仿真试验替代传统风洞、强度、结构等物理试验过程,加速了在数字空间对产品的快速迭代,型号研制周期普遍缩短三分之二。

数字化技术在飞机设计上的应用越来越普遍

航空制造技术取得的成就

航空产品制造一直是先进技术高度密集的行业之一,主要是由于航空产品的零部件形状和结构复杂、材料多种多样、加工精度要求严格。在现代飞机和发动机的主承力结构中,整体结构件所占的比例快速增加,这类零件通常采用整体毛坯(板材或锻件)进行切削加工,零件成品的重量只有毛坯的5%~20%,其余的80%~90%材料都变成了切屑。飞机机体的梁、框、肋、壁板以及发动机的压气机风扇、整体叶盘等都是现代飞机、航空发动机的关键零件,使用的材料涉及高强铝合金、钛合金、高温合金、复合材料等,大多以整体结构为主,结构复杂、精度及表面质量要求高,加工周期较长。这些零件的制造过程对于实现高效、准确加工有着迫切的需求。

(一)数控技术成熟应用,奠定航空制造技术基础

我国航空工业数控加工技术的研究与应用始于20世纪60年代,初期研究的重点是飞机整体结构件的切削加工工艺技术,先后进行了“雄鹰”-302、歼8和水轰5等机型的整体壁板零件数控加工技术应用研究。1978年改革开放后,数控技术开始逐步进入工程化应用阶段,到20世纪80年代中期,以典型的飞机复杂型面结构件为对象,进行细致的工艺分析和试验,形成了从型面测量、曲面构造、数控编程到加工工艺方案等一整套的工艺流程,为歼8改进型飞机的研制奠定了技术基础。同期,将计算机辅助设计/制造(CAD/CAM)技术应用直升机动力部件研制,很好地解决了工艺路线、毛坯夹持与定位等一系列问题,加工出完全符合设计图纸要求的旋翼泡沫芯零件。到20世纪80年代后期,数控加工技术在飞机结构件加工上的应用取得初步成效。

20世纪90年代,我国航空工业数控技术应用进入快速发展时期,在大多数企业里,数控车间变得日益普遍并初具规模,且成为飞机产品制造过程中的关键环节,特别是在歼10、歼11的研制中,以及波音、麦道、空客转包零件的生产中,数控加工技术在飞机结构件制造方面积累了丰富的经验并进入成熟的应用阶段,飞机结构件的制造精度、产品质量达到了新的水平,飞机制造的协调体系也开始从传统的模线—样板—标准样件工作法转向以数字量协调工作法迈进,数控加工技术成为支撑现代飞机制造过程的基本手段。

进入21世纪后,随着新一代航空装备研制进程加快,航空工业相关企业数控设备的类型、数量及规模快速扩大,主流CAD/CAM应用工具软件逐步得以广泛应用。到“十五”末期,数控设备拥有数量已达数千台,随着新一代航空装备型号工程的进展,各企业数控设备应用水平不断提高,武器装备的生产条件持续改善。

经过“十一五”和“十二五”期间的稳定应用和进一步完善,数控设备、CAD/CAM应用环境乃至车间运行管理、企业资源计划等逐步形成规模化应用,支撑了现代航空装备的研制和小批量生产,使新型装备的研制周期从原来的10年左右时间缩短到5年以内。

(二)柔性制造与计算机集成制造技术示范引领,成为航空制造技术跨越发展的引擎

从20世纪80年代中期开始,航空工业在大力推进数控机床、CAD/CAM技术应用的同时,也开始了面向航空零件加工的柔性制造系统(FMS)技术研究。航空工业成立了北京柔性制造系统实验中心,面向航空结构件的生产需求,突破了计算机辅助工艺设计(CAPP)、CAD/CAM/CAPP系统集成、FMS系统规划与仿真、多轴数控系统等关键基础技术,1995年建成了我国第一条准生产型航空结构件FMS系统。“九五”末期到“十五”期间,该FMS技术在航空发动机、航空救生装备研制等领域进行了推广应用,奠定了航空工业从传统方式向信息化、数字化跨越的技术基础。

伴随着FMS技术、计算机技术的发展,20世纪的80年代初计算机集成制造系统(CIMS)概念开始形成并进入工程应用实践。“十五”期间,在开展FMS技术研究和应用实践的基础上,启动了航空CIMS工程,把数控技术、FMS技术、信息技术等进一步综合应用到航空装备研制过程中,在航空工业成飞、昌飞、远东等企业建立了以计算机为基础的企业内部集成制造系统,初步形成了信息系统集成、运行过程计算机管控运行模式的雏形,取得了预期的成效。

(三)推进飞机制造业数字化工程,开启航空制造数字化转型升级之路

伴随着数字化技术的发展变化,航空产品研制在经历了二维图纸、三维模型、数字样机等典型阶段后,发展到在并行数字化协同工作环境中,基于数字样机建立了以数字量传递为基础的飞机装配协调技术体系,数字量信息贯穿从设计到制造的整个过程,使传统串行研制流程并行化,大大提高了飞机研制质量,缩短了飞机研制周期。

2003年启动“飞机制造业数字化工程”,目标在于打通飞机(含直升机)研制的数字化设计、试验、制造和管理生产线,创建飞机数字化研制基本体系,从根本上变革现行的设计、试验、制造和管理的模式、流程、方式、方法和手段,从而形成在新一代飞机研制生产中实施数字化设计、试验、制造和管理的工程能力,以达到大幅度缩短飞机型号研制周期、减少研制费用、降低生产成本、提高产品质量、增强核心竞争力的目的。

通过飞机制造业数字化工程的推进,突破了飞机三维数字化定义、数字化预装配、产品数据管理、CAD/CAPP/CAM集成等关键技术,使飞机行业的数字化技术由单项应用向集成技术应用发展,初步形成了基于广域专网数字化设计制造基础环境,显著提高了飞机研制质量,缩短了研制周期。

飞机数字化工程推进了基础平台建设,各厂所配置了包括企业级服务器、工程工作站和微机及网络系统等硬件支撑环境,以及三维CAD/CAM系统、适用于航空产品工程分析的各类CAE系统和工程试验仿真软件、数字化工艺设计系统、车间制造执行系统、检测系统以及企业资源管理系统等,建立了覆盖厂所管理、设计和部分试验区域的计算机网络系统,形成了比较完整的网络体系,在航空工业成飞、沈飞、西飞、昌飞、哈飞、西航、黎明等主机企业建设了一批切削加工、钣金成形、部件装配等专业的数字化生产车间或生产线。这些基础平台,成为新一代航空装备研制的核心环境。

(四)集中突破高效数控加工技术,提升航空企业核心工艺能力

从“十五”到“十一五”期间,各企业的制造部门配备了大量数字化加工设备,广泛采用CAD/CAPP/CAM技术,制造企业初步实现了工艺和工装三维数字化设计及数字化预装配,数字化工艺设计覆盖机加、钣金、装配、复材等零部件类型。零件制造不仅实现了与飞机外形有关的复杂型面类零件、关键对接类零件和复杂结构件的数字化制造以及相关的工装的数控加工,而且开始了数控弯管、钣金下料、数控高压水切割、数控激光切割、自动钻铆及电缆的数字化制造技术应用。经过多年的发展和不断完善,针对一些关键零部件制造,建立了车间级的数字化设计制造管理集成环境,在关键零件工艺设计、工装设计、数控加工中取得了明显效果,航空零部件制造开始走上向数字化方向发展的道路。

数控加工水平的提升显著提高了航空工业重点企业的核心制造能力,缩短了航空产品的研究制造周期,降低了航空产品的制造成本,实现了数控车间管理从人工管理到信息化集成的跨越。这对于我国航空工业先进制造技术的发展,以及航空行业国际竞争力的提升都产生了极为重要的作用。

(五)MBD技术逐步应用,促进航空产品研制模式的变革

MBD模型强大的非几何信息描述能力为关键特性、定位计划、测量计划等协同信息的描述提供了全新的定义方法,改变了传统由三维实体模型来描述几何形状信息。而用二维工程图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法,使三维模型成为生产制造过程中的唯一依据,减少了对其他信息系统的过度依赖,以及数据流在研制全过程中转换和人工读取导致错误的问题。而且,MBD技术体系改变了传统方法下纸质介质的产品定义表述模式,完全符合数字化管理的要求,提高了信息传递的准确性和效率。采用MBD技术体系为航空制造带来了管理和效率上的飞跃。

伴随着国外飞机在国内转包生产,MBD技术逐渐进入国内航空企业,各主机厂所也开始了MBD技术体系的不断探索,通过基于CAD平台的二次开发,就实现MBD的表达方式、数据管理、设计与制造数字化信息的无缝传递进行了研究与应用,逐步形成了航空工业MBD的数字化设计技术体系,有效推进了MBD技术在型号研制中的应用。

我国早期采用三维数字化设计技术是从ARJ21新支线客机开始的,该机采用的是三维数字化模型+二维工程图+零组件明细表工作模式。三维数字化设计技术的采用,大幅度提高了ARJ21飞机设计协调性,通过借助计算机技术进行干涉检查、运动机构仿真模拟等,极大地减少了结构之间、结构与系统之间以及系统与系统之间的不协调因素。

我国新一代大型运输机全面采用了MBD的方法进行全机三维数字化定义,飞机设计单位通过协同设计平台实现了各专业关联设计,同时实现了设计领域的并行工程。采用MBD技术的飞机产品定义方法,彻底结束了二维工程图的使用,大幅减少了设计的工作量,使得研制周期缩短了50%以上,在大型运输机的制造中发挥了重要作用。C919大型客机和AG600大型水陆两栖飞机都采用了MBD技术进行全机三维数字化定义。

责任编辑:臧航

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