先进制造技术在航空领域中的应用-路冬-10-9-19-两次课.ppt

1、先进制造技术在航空领域中的应用,授课：路冬,航空制造工程学院,2,课程介绍及进度安排,课程特点：描述先进制造技术在航空领域中的应用课程性质：专业任选课、建立航空科学的基本 概念、拓宽知识面课程课时：20学时课程考查方式：平时考核30期末考核70,3,前 言,4,背景,为了适应国防建设和国民经济发展的需要，航空科技工业的主要产品-现代飞机和发动机正朝着高性能、高减重、长寿命、高可靠、舒适性以及低制造成本的方向不断发展更新。,5,背景,要求飞机和发动机结构进一步整体化、零件大型化，以达到大幅度减少零件数量，减少零件之间连接所增加的重量，避免由于连接带来的应力集中，提高结构寿命和结构可靠性;通过减少

2、零件数量，还可以大量减少工装的数量和加工工装的工时，从而大幅度降低制造成本。,6,第一章,21世纪的航空先进制造技术,7,1.1 先进制造技术含义,先进制造技术是一个相对概念。首先要看是否应用新结构、新材料、新原理带来制造技术上的新突破。信息化和数字化则是融入其中的重要手段。,8,1.1 先进制造技术含义,随着信息技术的迅速发展，数字化协同设计制造和基于网络的系统集成技术发展迅速，新一代CADCAPPCAM系统发展迅速，参数化、变量化设计技术进入实用阶段，设计制造数字化和智能化程度不断提高。,9,推动先进航空制造技术的发展一是要从技术发展的规律来考虑，二是要考虑要素，从结构、材料和原理等要素来

3、考虑。因为制造业是改变形态和性能的行业，工作对象是物质、是材料、是资源。在这些要素的基础上，21世纪先进制造技术应该包括以下三个方面。,10,一、新结构的制造技术 随着新机型、新发动机、新机载设备的出现，一些具有新结构的产品和需应用新原理加工的技术必然随之出现。微机电产品。一种微型飞机，其发动机由利用光刻蚀在电路板上的转子、定子组成。对于一个整体仅有蜜蜂大小的微型飞行器，驱动装置制造技术就属于超精加工。,11,二、新材料的制造技术 新世纪的新材料将层出不穷，需要有创新的制造技术去加工，所以这是先进制造技术必需解决的问题。例如，发动机的叶片纳米隔热涂层问题，凡是原子排列整齐的涂层，其隔热效果就比

4、较好，原子排列不好的，效果就差。,12,二、新材料的制造技术 人们需要在真空容器中，通过隧道显微镜观察分子和原子的排列，用原子夹移动原子。作为纳米材料碳管本身的制造，以及怎样在碳管上构造零件等，也都是新材料带来的先进制造技术问题。,13,三、新原理基础上产生的先进制造技术 例如，激光加工技术等。新的成形技术发展非常快，不光有激光切割，还有激光粉末成形，用一把喷枪就能制成一个零件。,14,1.2 航空制造技术的作用,航空制造技术是为产品服务的。人们常说，设计是根本，材料是基础，制造是手段，试验是保障。而这个手段即航空先进制造技术，对航空武器装备和民用航空器以及国民经济的发展具有影响全局，有时甚至

5、是决定全局的重要作用。航空先进制造技术的作用与地位集中体现在以下几个方面:,15,(1)加速飞机发展的重要技术基础 从飞机发展的历程来看，飞机的更新换代总是伴随着新材料、新结构、新工艺、新技术的重大突破；飞机的发展不断促进材料和制造技术的发展，而材料和制造技术的发展又为飞机的发展提供了基础和保障，从而推动了飞机的发展。,16,(2)提高航空器的性能 先进制造技术可以提高航空器的性能，确保航空器的高精度、高质量、高可靠性和安全性。随着飞机性能的提高，其结构愈来愈复杂，精度要求愈来愈高。航空发动机每更新一代，关键零部件的尺寸精度、形位精度和装配精度就需要提高12级；,17,(2)提高航空器的性能

6、第三代航空发动机的关键零部件精度已从毫米级提高到微米级；飞机机载设备关键零部件精度正从微米级向纳米级发展。这样高的精度仅靠普通制造设备、工人的技艺和经验是制造不出来的。,18,(3)缩短飞机研制周期 20世纪70年代以来，计算机数控加工技术和计算机辅助设计制造一体化(CADCAM)技术的发展及其在设计和制造中的应用，使飞机的生产面貌发生了质的变化，大大缩短了研制周期，加速了飞机的更新换代。,19,例如，20世纪90年代，美国空军要求新一代飞机研制周期缩短13l2；成本降低2530，并要求在较短的时间内研制出经济可承受、买得起也用得起的高性能航空武器装备。,20,美国F-35联合攻击战斗机是实现

7、“短周期，低成本”这一要求的高性能经济型第四代战斗机。它采用了先进数字化异地协同设计制造技术，将研制周期缩短了50；制造时间缩短了66(从15个月缩短到5个月)。,21,采用了先进数字化异地协同设计制造技术的美国F-35联合攻击战斗机,22,(4)降低成本的重要手段 随着飞机性能的提高，飞机的造价持续上涨。在激烈的市场竞争中，飞机制造者只有不断降低飞机价格，才能赢得市场优势。,23,(4)降低成本的重要手段 据统计，在飞机总成本中制造成本约占50。工业发达国家的飞机生产经验表明，采用先进制造技术是降低飞机成本的最有效的途径。,24,为此，美国空军为下一代战斗机制定了“低成本先进结构制造”计划，

8、此项计划实施后可使两倍声速的战斗机结构重量减轻30%，成本降低50%。,25,1.3 航空先进制造技术的发展方向,未来二三十年，无论是军机还是民机，首先还是要降低机体结构重量，提高性能，提高结构效率。几乎每一代飞机的相对结构效率的提高都在10左右，制造技术首先要满足结构效率的需要。,26,第二，飞机的发展在很大程度上取决于动力，要提高单位推力，即提高推重比，而这又取决于涡轮前温度，温度的升高带来了一系列的制造技术问题。,27,第三，可靠性。军机的总寿命可能会达到60008000 h，民机将达到60000h。因此，一系列有关提高飞机可靠性的研究开展起来。,28,第四，降低成本。例如，美国的两种第

9、四代战斗机F一22和F一35，一架F一22的售价为上亿美元，而F-35只有30004000万美元。,29,为适应飞机发展的新趋势，航空制造技术要致力于降低成本，缩短研制周期，能很快的拿出样机及成品。21世纪先进航空制造技术将在以下几个方面得到迅速的发展：(1)快速响应技术(2)与减重有关的制造技术(3)提高可靠性的制造技术(4)高精度的制造技术(5)难加工材料的加工技术,30,第二章,数字化制造技术成为航空科技工业关键制造技术,31,2.1 数字化制造技术的内涵与特点,与传统研制技术体系相比，数字化设计/制造/管理体系的内涵发生了根本性的变化。1.产品数字化：产品数字建模和预装配以及并行产品定

10、义；2.设计数字化：飞机构型定义和控制，多变共用模块设计，采用整体件，减少分立零件；,32,3.试验数字化：设计功能样机和性能样机，减少或简化实物试验；4.制造数字化：采用数字化生产线，大幅度减少工装模具，全面推行数字化制造方式；5.飞行数字化：构建虚拟飞行环境；6.管理数字化：以项目为龙头建立全球虚拟企业。,33,2.1.1 数字化制造技术的内容：,（1）定义数字化生产线和数字化车间；（2）扩大数控机加范围，增加大件、高效数控加工；（3）对钣金件、复合材料构件、焊接、检测等采用数字化技术手段和工艺；（4）减少零部件工装，发展柔性工装和数字化装配定位技术，取消原用装配精加工台。（5）要求制造时

11、间缩短 66%，工装减少90%，制造成本降低50%。,34,2.1.2 现代数字化设计制造技术特点：,在现代新机研制中，虽然其产品的研制阶段没有多大变化，但是，它的模线和物理样机全都由产品的数字化定义或数字样机所替代，而且其研制过程是并行的，便于实现多学科的协同设计。具体数字化技术有如下几大特点：,35,（1）数字化制造技术是先进技术的集合。数字化制造涵盖了企业管理、产品设计、工艺设计、零部件制造、装配、客户服务与保障等技术领域，以提供这些领域的先进信息技术的应用为主要特征，包括CAX/MES/PDM/ERP/各类仿真软件/各种共享资源库等支撑系统、平台和数据库，与单一产品数据源、工作流、系统

12、集成、仿真等技术紧密相关。,36,（2）数字化制造是一种先进制造模式。数字化制造以并行工程为基本特征，强调并支持产品全生命周期的并行与协同，并为这种并行与协同提供技术手段；数字化制造同时吸收了敏捷制造的基本思想，对变化的市场和客户化的产品做出快速和准确响应，强调并支持生产过程组建灵活多变的动态组织机构；数字制造把先进的生产技术、先进的管理技术和高素质的人员有效集成。,37,（3）数字化制造是一种现代企业特征。数字化制造不仅为企业目标实现提供一系列的技术手段和解决方案，而且提供一种先进的运行组织体系，给传统航空制造业的研制模式、企业运作方式、组织结构、经营理念等带来新的变化，从而推动企业向着数字

13、化生产方式的方向发展。,38,2.3 国际现状,2.3.1国际大型飞机数字化设计制造技术 波音 777-全球第一个全机数字样机，是实现数字化制造的里程碑；在近几年来的大型民用运输机的研制中，无论是空客A380 客机，还是波音787 客机的研制，都充分体现了数字化技术是企业的核心竞争力，是产品创新发展的最有力工具。,39,波音公司在研发波音787 客机中，不仅协同方式有了重大发展，而且其研制工作的重心也发生了重大转变，波音原来是把飞机产品的各零部件设计信息分发给供应商去制造，波音监管着所有产品的研制进度和质量，最后负责飞机的对接总装和试飞交付，即波音负责着全部飞机的设计工作。,40,一、原有的传

14、统飞机研制过程和方法大体分3个阶段：（1）概念设计阶段（2）初步设计阶段（3）生产设计阶段 在这3个设计阶段中，都需绘制模线和制作物理样机来帮助技术人员准确地设计飞机和配置飞机的内部空间，研制过程是串行的，产品定义信息的传递是不连续的，其缺点众所周知。,41,二、而数字化技术贯穿了现代整个产品的研制过程 在现代新机研制中，虽然其产品的研制阶段没有多大变化，但是，它的模线和物理样机全都由产品的数字化定义或数字样机所替代，而且其研制过程是并行的，便于实现多学科的协同设计。,42,产品数字化定义的研制过程为对象，将处于孤立和离散状态的参与研制的不同企业/部门/人员/信息整合起来协同工作，并得到完成任

15、务所需的完整的数字化产品信息描述，保证了研制过程中不同阶段、不同部门和不同团队之间工作的并行及信息的连续和有效，充分体现了数字化技术贯穿了整个产品研制全过程，是数字化条件下的飞机结构设计的多学科优化研制模式。,43,2.3.2 国外航空发动机行业数字化 制造技术的应用情况,Inchinnan 工厂是罗罗公司的专业化航空发动机压气机叶片制造厂。所有产品工艺在投放生产之前，均采用生产线仿真手段进行仿真模拟，确保生产线稳态安全运行；标准的数控加工制造单元中包括了机器人手臂、标准化工装、测具及刀具、待加工零件与工序的柔性自适应制造工艺与数控加工程序，零件的装夹、找正、周转、测量、数控加工以及零件在不同

16、制造工区的周转均自动完成；通过系统集成、规范数据结构，能够与罗罗公司总部产品设计部门实时保持沟通并参与设计决策过程。,44,一、航空发动机行业数字化制造技术 应用基本内容,下图所示为在多厂所联合研制新一代发动机中应用数字化制造技术的总体发展设想，重点突出了协同工作平台构建、产品数据管理、数字化设计/试验/工艺/装配等技术的研究和推广应用。,45,46,（1）协同工作平台,协同工作平台提供多厂所联合设计制造管理的协同工作流程控制管理、数据服务功能，实现各应用系统的信息集成，主要建设内容包括：(a)协同工作平台为多厂所发动机协同研制提供基本的协同工具，包括设计/制造/试验/管理多层次BOM 管理、

17、分布式产品数据管理、设计/制造数据中心管理与维护、可视化工具、并行工程团队IPT 定义与管理等功能。,47,(b)协同工作平台为多厂所发动机联合研制提供流程控制工具，包括厂所内部设计/制造/试验/管理流程与外部协同流程的定制、控制和管理，跨厂所异地协同流程的定制、控制和管理等多个层次的流程。(c)协同工作平台与各厂所PLM/PDM 系统实现紧密集成，并将进一步和各厂所ERP 系统实现集成，不仅为系统项目成员之间的信息共享与集成提供平台，同时为企业级集成系统建设提供基础平台。,48,（2）航空发动机数字化制造技术的应用领域,(a)数字化设计：建立支持气动、结构、强度、热力、传热、燃烧、自动控制等

18、学科的专业支撑工具，开展多学科综合优化设计技术及其应用系统开发，实现设计过程中主要专业的协同与并行，建立包括发动机设计规范、标准化体系、发动机工程数据库在内的知识管理系统。,49,(b)数字化制造：包括工艺与工装设计、数字化生产线建设、制造过程集成应用、制造工艺/制造资源数据源、工艺仿真、制造过程仿真等内容。工艺与工装设计重点解决快速工艺与工装设计、工艺工装设计并行等设计环境与工具的开发。建立发动机关重件生产线支撑系统，完成几条重点生产线的数字化改造。推进仿真技术在发动机制造过程的应用，由专业应用仿真向制造过程仿真过渡。,50,(c)数字化试验：开展试验信息实时传送技术的研究，支持异地设计试验

19、协同；建立整机、部件及系统试验数据库，满足发动机设计对试验数据的需求；开展压气机、燃烧室、涡轮、控制及发动机各系统的试验仿真研究，提高试验效率，降低试验成本及风险。,51,(d)数字化管理：包括企业管理、项目管理、产品支持与服务等内容。通过E R P 系统实施，实现生产、财务、人力资源等的一体化管理。构建跨地域的项目管理平台，具有多项目按层次管理和任务关联的能力、项目信息共享和协同的能力。建立完整的发动机外场服务系统，与PDM等系统有效集成，实现发动机售后服务的信息化。,52,二、进一步分析国外发动机数字化制造的应用案例，呈现以下应用特点：(1)规范完善的数字化制造技术应用支撑体系，包括各类标

20、准规范、共享资源数据库等。(2)以数字样机为代表的数字化设计制造技术，实现了发动机研制过程基于统一虚拟产品样机的信息共享；,53,(3)大规模的仿真技术的应用，在专业应用仿真的基础之上，实现了面向制造过程的仿真技术应用，局部取消了物理样机；(4)大规模并行工程及其技术的应用，在企业内部不同部门、企业核心成员体、供应链各个环节之间建立了协同工作机制与环境；,54,二、航空发动机行业数字化技术应用存在问题,从总体上来说，我国航空发动机行业的数字化制造技术水平较低，与国际先进水平相比有很大差距，尚未形成一种强大的生产力，无法充分满足大规模数字化技术在型号工程中的应用，主要表现在：,55,（1）数字化

21、制造技术应用的范围和深度有限。目前各厂所数字化制造技术的发展是分散、独立进行的，只是在部分环节上辅以数字化技术手段。数字化技术在航空发动机行业的应用还没有经历一个完整的型号研制过程的全面应用验证，无法形成有效的数字化制造技术体系，数字化制造技术应用的效益、效果尚不能充分发挥。,56,（2）设计所、制造厂分离造成并行工程不宜实施。目前航空发动机设计所、制造厂分离的组织体系，使得不同部门间的信息交流存在障碍，生产准备周期长，更改反复频繁，由此造成实施航空发动机研制的设计制造并行工程的困难。,57,（3）目前的数字化技术应用仍以单项应用为主，“信息孤岛”问题依然严峻。各单位、甚至同一单位的不同部门之

22、间，数字化制造技术应用自成体系、相互隔离、低水平重复建设比较普遍，没有通过数字化手段将异构、分散和孤立的各种资源有效的集成和共享。各厂所之间尚未建立有效的数据共享与传递平台，纸介质图纸仍是设计表达的唯一“合法”手段。,58,（4）数字化制造技术基础薄弱，行业发展不平衡。基础薄弱表现在技术基础滞后，缺乏有效的数字化信息资源，各厂所的数字化应用与开发能力不强，基础设施不配套，数字化技术应用标准规范建设滞后于数字技术的推广应用。,59,三、对我国飞机发动机制造技术的展望,近30 年来，特别是“十五”期间，我国发动机主要制造厂不断深入开展数字化制造技术的研究与应用，在发动机关键零件工艺设计、工装设计、

23、数控加工中取得了明显的效果，推动了传统的发动机研制和生产模式的变化。,60,数字化制造技术的应用是新一代航空发动机研制的必需手段和必由之路，需要各单位在投资方向、政策措施、人才引进等方面予以保障，重视理念的转变。,61,2.4.1飞机数字化装配技术,一、数字化装配协调技术 数字化协调方法也可称数字化标准工装协调方法，是一种先进的基于数字化标准工装定义的协调互换技术，将保证生产用工艺装备之间、生产工艺装备与产品之间、产品部件与组件之间的尺寸和形状协调互换。数字量传递协调路线如下：,62,(1)飞机大型结构件（与飞机外形及定位相关）如框、梁、桁、肋、接头等用NC 方式加工；(2)在飞机坐标系下，工

24、装设计人员以产品工程数模为原始依据，进行工装的数字化设计，并且在工装与产品定位相关的零件上用NC方式加工出所有的定位元素；,63,(3)工装在装配时利用数字标工（数据）协调，采用激光自动跟踪测量系统测量，通过坐标系拟合，定位出零件的安装位置，满足安装基准的空间坐标及精度要求；(4)飞机钣金件模具数字化设计以及用N C 方式加工，钣金零件数控加工。,64,二、数字化装配容差分配技术 容差数值直接影响产品的质量与成本，因而根据产品技术要求，进行零、组件的容差分析和设置，可以经济合理地决定零部件的尺寸容差，保证加工精度，提高产品质量，在满足最终设计要求的同时使产品获得最佳的技术水平和经济效益。,65

25、,可通过数理统计的方法来模拟装配过程和次数，可看到最终形成产品的公差与零件的公差、零件的装配顺序等因素有关。在零件数模的基础上，对于我们关注的关键的质量特征，设定公差和装配顺序，通过数理统计的方法仿真，分析各种因素对质量特性的影响程度，为查找质量问题的原因和改进容差分配提供了依据，不断仿真找出最优的公差分配方案。,66,三、自定位与无型架定位数字化装配技术 现代的飞机设计遵循面向制造的原则，在零件设计的时候就必须考虑以后零件的加工和装配。在工艺人员的建议下，飞机设计时对主要结构件(梁、框、肋和接头等)建立装配的自定位特征，如小的突耳、装配导孔、槽口和形成定位表面等，或者在产品结构设计的同时，把

26、用来安放光学目标的工艺定位件设计到结构件上。,67,但这些零件的自定位特征需要用数控方式精确加工，在实际装配过程中这些零件自己就能利用自定位特征定位，或应用激光跟踪仪和光学目标定位。基于飞机产品数模和数字量尺寸协调，无型架定位数字化装配技术采用模块化、自动化的可重新配置的工装系统，大大简化了或减少了传统的复杂型架，缩短了工装设计与制造的时间，降低了工装成本，并提高了装配质量。,68,四、数字化装配工艺设计技术 数字化装配工艺设计技术是根据企业结构和制造流程在软件环境中构建企业的制造体系结构，包括产品、工艺和资源3 个主要部分，完全可描述什么人、在什么地方、用什么工具、用什么方法、制造什么产品，

27、当然也包含成本和时间。,69,数字化装配工艺设计,70,2.5 数字化制造技术的发展趋势,2.5.1 发展趋势及其应用 目前所开展的数字化工作，只是把数字化技术应用到现有工作和环节中，简单地达到缩短周期和提高效率的目的，还没有体现出它是一场新技术革命，没有深入到系统内部去改变传统的设计、制造、试验和管理的模式、方法、手段、流程和生产组织，尚未形成数字化生产方式。,71,要提高飞机的研制和制造水平，必须在更广的范围和更深的层次上应用数字化技术，从整体上增强企业的发展能力和核心竞争力。数字化制造一些技术发展及其应用趋势：（1）建立支持数字化制造的流程体系与组织模式。,72,在制造生产全球一体化的形

28、势下，制造系统面对的是异地分布的制造资源，所以未来的制造系统将采用并行化的先进制造理念和集成化的网络制造环境组织业务流程，并更加强调资源的合理重组和企业间及其企业内部的优化协作，以快速响应市场需求。,73,（2）实现各种资源的整合与协同 实现人力资源、知识与技术资源、制造资源、客户资源等企业资源的有效组织与协调，基于虚拟企业的组织体系使得企业各层次人员能够利用现有条件、方法与工具有效的协同工作，进一步提升各种资源的利用效率。,74,（3）建立贯穿产品全生命周期快速响应制造工程的模型和建模方法。建立快速产品设计、快速工艺设计与工装设计、快速加工与装配等模型，使它们的数据能够实现共享和继承、并可重

29、用，基于单一数据源实现各阶段模型数据关联和无缝连接，为产品的优化设计、性能分析、生产制造、质量检验及企业生产系统规划、调度、各级过程管理与控制提供一体化模型支持。,75,（4）建立支持产品全生命周期的虚拟企业协同工作平台。结合具体行业应用，基于供应链的虚拟企业运行模式，建立从产品概念设计，详细设计，生产准备，零部件制造、装配到客户服务与维修保障的快速响应协同工作平台及其支撑系统，并实现这些应用系统之间的集成，建立支持各个应用系统及集成系统的知识库体系，建立基于协同工作平台的标准规范体系。,76,（5）由专业仿真和局部仿真向快速响应制造过程仿真发展。仿真技术在快速响应制造中的范围进一步扩展，仿真的精度进一步提高，在“产品、过程、资源及制造”的一体化集成平台和产品知识库支持下，由面向具体专业应用的局部仿真向基于产品数字样机的研制过程仿真的方向发展，实现虚拟环境下的产品创新设计、精益制造与基于人机工程的产品应用验证。,