各位领导、各位专家，大家好。很荣幸在此给大家汇报近几年航空制造和飞机结构件的技术发展和装备发展。我今天汇报的这个题目是《飞机结构件智能制造与装备发展趋势》。我将从飞机结构件的特点与飞机数控机床的发展趋势两个方面向大家汇报。飞机制造是国家科技与制造水平的重要体现，例如，我国的C919，空客公司的A380等一众优秀的飞机系列。在航空制造产业链中，飞机结构件的加工占据非常大的比重，占比约35%。

在飞机制造领域，随着国内近几年飞机制造的发展，加之国家对于产能的要求，军、民融合的要求，零件制造大都选择外包，成飞就有几十家相关配套企业。飞机制造业是国家2025的重要发展方向，因此这些企业都十分具有投资价值。

从制造角度而言，飞机结构件在整机中的比例也非常重。飞机结构零部件存在供应问题，飞机自然做不到量产。飞机零部件制造涵盖了多项技术，包括零部件变化，装备变化等。目前有多家公司支持成飞的零部件生产。零部件生产在未来有着良好的发展前景。因此广联航空已在哈尔滨、西安、成都、珠海都设有企业。近几年来，广联航空的运营情况较好，制造水平同样较高。除了航空结构件外，广联航空还着眼于发动机领域，近期也有相关项目。

飞机结构件组成了飞机的骨架，90%以上采用数控加工，80%左右更是采用五坐标数控加工，加工难度非常高。未来，飞机结构件发展趋势多样。其一是整体零件大型化，比如整体框架、整体翼梁等。整体结构件可大量减少零件数量和装配工序，有效减轻飞机整机重量，提高零件强度和可靠性，减少了装配工作量的同时，提高了飞机的装配效率、装配质量等。

其二是零件结构复杂化，如图所示某重要的结构件。特点是零件复杂，存在诸多交点孔，外形和轮廓等都有很高的制造要求，也是飞机机翼的一项关键零件。图中，绿色结构零件为不锈钢的材料，加工难度非常大。

除了零件结构复杂化以外，随着制造水平的提高，为了保证飞机的质量和减轻飞机的重量，零件结构也有了新的调整设计。传统零件结构多为对称设计，如今零件架构多为掏空设计，目的在于减轻重量，飞机设计过程中，诸如此类的设计方法逐渐开始应用，但这也使飞机零件结构更为复杂，给零件制造带来了新的挑战。

如图，对比庞巴迪的典型设计，新设计的零件结构选择掏空设计，减少了重量，但掏空所导致的变形设计为避免发生裂纹，不允许矫形，因此对加工带来了非常大的难度。

对比空客的传统设计零件，新设计的零件结构变形是无法控制的，这为加工工艺及方法带来了新的挑战。空客的另外一个零件结构案例更是无法加工，定位困难、变形问题等都是难以应对的挑战。

其三是零件制造精确化。飞机性能提升对零件装配提出了新的要求，同时飞机重量的控制更为严格，因此零件的制造精度要求也大幅提高。

从第二代飞机的50到80个零件，到第三代飞机的2到3个结构件，再到第四代飞机的整体结构件，新型战机整体重量变得更好控制，公差带从原来的0.5mm减少到0.25mm，再到0.1mm，而随着公差带的缩小，加工难度也将变得更大，合格率对工艺方法、刀具、机床、震动的要求变得更高。

其四是零件材料的多元化。随着飞机性能要求的提高，新型高性能材料不断引入，整体结构件材料逐渐由铝合金为主转变为铝合金、钛合金、复合材料并重，零件材料呈现出多样化的局面。如图，空客A350与波音787飞机的复合材料占比分别已达40%和50%。复合材料比例的大幅度地提高，对飞机的制造、成型、加工尤其是曲面零件加工带来了非常大的难度。随着飞机性能的提高，新材料不断地引入，整体结构的材料由过去的铝合金转变为铝合金与钛合金的复合材料。而钛合金材料作为一种难加工材料，其增量使用必将增大加工难度，波音787整机的钛合金材料比例高达15%。传统飞机蒙皮，包括民机、军机都是铝合金，歼-10飞机的铝合金比例占80%以上，如今的歼-20铝合金比例只占30%，另外30%为钛合金，其余30%为复合材料。材料发生了大幅度变化，对加工也带了大幅度的变化。美军机F-22的钛合金比例甚至高达40%。

总的来说，未来零件结构的发展趋势多以零件尺度大型化、结构整体化、复杂化、精确化，以及钛合金与复合材料的大量应用为主，新一代的飞机结构件结构更复杂、精度要求高、制造周期更短，这对制造技术而言是全新的挑战。但挑战与需求共存，未来零件复杂程度高、精度要求提高、加工性能差、加工量大与飞机产品研制周期要求短之间的矛盾日益突出；现代飞机结构件的制造是典型的复杂产品小批量生产甚至单件生产模式，这种模式是对高效、优质、低成本制造的挑战；与其它制造行业相比，飞机结构件制造领域实施智能制造的技术难度更大，但需求也更为迫切。因此，飞机结构件的制造为航空业带来的不仅仅只有挑战，也为行业的投资也带来了机遇。在飞机结构件加工制造领域，我国航空业所面临的难题包括大型零件的高精度加工、钛合金高效加工和复合材料绿色制造，驱使着航空产业向着复杂结构件的多品种、小批量生产智能制造发展。

目前国内该领域装备多以进口为主，因此机床制造业也带来了一个全新的发展机遇。在高速机床领域，国外研发的高转速，高功率，高密度的电主轴已经发展到150千瓦，峰值转速达3000rpm。然而，成飞大量应用的装备多60到80千瓦，近期引入了120千瓦的电主轴设备。随着电主轴效率的提高，机床的进给速度自然需要提升，在直线电机和立矩电机的辅助应用下，目前的进给速度已经达到每分钟120米。

目前的技术加持下，大型机床进给速度达到1g，中小型机床进给速度达到2g，进给加速度越来越大，在这种前提下，加加速度成为了衡量高速性能的主要指标。所述参数都是航空产品对机床发展的需求。对航空业来说，现在需求量更大、要求更高。所以从投资角度而言，满足技术与发展的前提下，航空是代表国家技术发展至关重要的行业。

DST公司与GMN公司联合研发的150KW高功率密度高速电主轴，理论金属去除率可12000立方厘米。目前国内60至80千瓦的电主轴去除率只能达到5000立方厘米，未及一半。性能大幅度的提高也为机床结构也带来了硬性要求。高效率的电主轴含有大量的传感器，包括了温度传感器、震动传感器、液压传感器、润滑传感器等，能保证高技术类机床的核心部件能够高效地利用、铣削，结合切削颤振稳定域频域分析算法，可以有效提升高速铣削的安全性，具有一定的智能。在相同的进给速度下，同样走刀轨迹，加工效率随加速度的提高而成倍提高。比如，若0.5 g切削轮廓需要1.36秒，那么1g的进给速度只要0.68秒，而2g的进给速度下只要0.34秒。因此这也给予了机床与结构设计相应的难度。

如图，9米长的零件空间位置误差小于72微米。目前大型的龙门铣床，不但加工数控机床，还能够加工飞机部件。为F35项目研发的5米x15米工作台面的大型龙门铣床，采用了DST公司研发的空间精度自检测、自补偿系统，用以保持机床精度的可靠性，空间精度高达1.6μm/m3(要求环境温度控制到±1℃)。对航空机床来说，难度是非常之大，但是该机床价值非常高，约1000万美金。而民用机床只需要 500 万美金。

对精度的控制也带来了结构要求。温度控制水平对机床精度影响极大，除了环境温度的控制，机床部件自身温度的控制也至关重要。机床运动产生热，所以需要机床结构体里循环风和循环水，来保证机床的机体恒温及其稳定。

对于钛合金加工来说，首先扭矩要大，加工铝合金消耗功率，加工钛合金消耗扭矩。所以大扭距的电主轴也是当前需要攻克的难题。现在的钛合金常规加工速度需求是每分钟50米到100米，高速加工的速度需求是200米到300米，所以扭矩的主轴要求非常高，需要匹配五个坐标，所以它的摆动扭矩很大。因此，目前五坐标的钛合金主轴也是一个难题。

国外有大量的机床行业公司在研究此类结构的主轴头，像钛合金的主轴头、机床及其高速加工机床目前同样是行业内存在的难题之一。此外，机床的刀库也非常重要，因为飞机结构件的零件非常复杂，需要大量的刀进行变换。DST研发的卧式钛合金高效加工机床，采用HSKB160刀柄及机器人换刀系统，刀库容量高达320把，刀库可扩展性强。另外一个就是柔性生产线。柔性生产线技术在国外早已成熟。随着工业的发展，购买生产线的情况愈发的多，目的有两点，第一点是控制成本，第二点是提高零件的效率、加工一致性，保证零件精度的质量要求。卧式柔性生产线在航空工业得到普遍应用，利用柔性生产线的排产功能，结合标准化夹具，可以满足多品种小批量零件的自组织高效生产，是航空结构件的一个典型生产需要。

如图，比如斯达拉格生产线，两台机床需要许多工作台来进行加工。右边这个是 4 台机床。成飞06年建立了一条生产线5台斯达拉格五坐标立卧转换的加工柔性生产线。这个生产线的基本机床是五台1.25米x1.25米的斯达拉格五坐标工作台，立体库里面有40个工作台等待调配使用。有两个装卸站满足零件的装卸，保证生产线的使用。生产线建立以后，通过自主研发里面的核心软件来控制整个应用，实施管理上的变革，使产线的综合运营指标大幅度提升，设备利用率突破90%。原本单机运行的时候，每个机床利用率只有40%到45%，几乎翻了一倍，达到国际先进水平。这些数据使我们对生产线有了更新的认识。设备使用率提高22%，产出率提高22.8%，操作人员降低66.7%，机床24小时运行所需人数由15人下降到4人，大幅度提高生产效率。

另外一个是柔性加工和绿色加工，复合材料由于粉尘和变形等因素，集加工、检测、运输、清洗等一体的自动化加工系统在飞机零件生产中开始应用，是提高加工效率和产品质量的有效途，是碳纤维复合材料蒙皮零件精确制造的完美解决方案（如图）。因为复材结构件里面大量填充NOMEX蜂窝，这种加工会极大污染环境，随着人们环境保护意识的提高，绿色制造开始得到重视。如何减少环境污染和降低对工人健康的威胁，已经在机床设计中得以考虑。超声切割技术可以解决蜂窝芯材料加工导致的污染问题。

本文根据嘉宾在【第二届中国航空投资峰会】上的发言整理、删减。（查看更多完整视频请扫描二维码）