未來，圍繞金屬和復(fù)合材料部件的成形、加工與裝配，飛機(jī)制造將朝著“大”、“精”、“省”的方向進(jìn)一步發(fā)展，從而帶來新的挑戰(zhàn)。針對這些趨勢和挑戰(zhàn)，本文關(guān)注了未來飛機(jī)制造的6個(gè)熱點(diǎn)主題，這些主題將是今后一段時(shí)間內(nèi)飛機(jī)制造領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)，也將是航空制造業(yè)競爭力的集中體現(xiàn)。

　　白與黑的較量

　　波音787和空客A350客機(jī)在復(fù)合材料用量上的競爭一度是業(yè)界的焦點(diǎn)，也讓人們認(rèn)識(shí)到，碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)首次替代鋁合金，成為未來雙通道客機(jī)的首選材料。碳纖維復(fù)合材料這種黑色塑料似乎一夜之間橫掃了其白色前輩——鋁合金。

　　面對碳纖維復(fù)合材料咄咄逼人的攻勢，以美鋁公司為首的鋁合金供應(yīng)商也展開了反攻，針對復(fù)合材料的弱項(xiàng)開發(fā)更先進(jìn)的鋁合金材料。第三代鋁鋰合金就是這“白與黑的較量”中的重要籌碼。新開發(fā)的2099型鋁鋰合金，比現(xiàn)有的7150型鋁合金在對抗片狀剝落腐蝕上要高出一大截。與碳纖維復(fù)合材料相比，鋁鋰合金材料不僅氣動(dòng)性好、防腐能力強(qiáng)、可回收，并且重量還要輕10%，制造、運(yùn)行、維修成本要低30%，總體的風(fēng)險(xiǎn)更低，而且已經(jīng)用到了波音787、空客A350和龐巴迪C系列飛機(jī)上。

　　與此同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料制造商也在研究降低成本、提升質(zhì)量的方法。非熱壓罐（OOA）成形一直是業(yè)界創(chuàng)新研究的重點(diǎn)，包括先進(jìn)的常溫固化樹脂體系、自加熱的制造工裝，以及模壓成形、微波固化和激光固化等方法。目前在非熱壓罐領(lǐng)域，已經(jīng)取得了眾多豐碩的成果，比如洛馬制造出的先進(jìn)全復(fù)合材料運(yùn)輸機(jī)（ACCA）、波音和洛馬分別應(yīng)用非熱壓罐成形的自動(dòng)絲束鋪放（AFP）工藝制造大型部件等。此外，為了解決復(fù)合材料切削和鉆孔中的分層、速度慢和刀具磨損問題，洛馬聯(lián)合刀具供應(yīng)商開發(fā)了化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石涂層刀具，大大提升了加工效率和質(zhì)量；洛馬和波音還在積極破解復(fù)材-鋁/鈦金屬板材鉆孔的尺寸精度難題，并取得了積極效果。

　　在可預(yù)見的未來，碳纖維復(fù)合材料和先進(jìn)鋁/鋁鋰合金的競爭還會(huì)加劇，這對于飛機(jī)制造業(yè)來說是一個(gè)好消息，因?yàn)檫@個(gè)競爭將使得飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)在重量、成本、可靠性、維修性上有較大的提升和改進(jìn)空間，并給帶來他們更多的設(shè)計(jì)選擇。

　　加法與減法

　　2012年，增材制造的火熱引起了人們對于未來飛機(jī)制造到底應(yīng)該使用“加法”還是“減法”的思考。相對于傳統(tǒng)的去除材料的加工方法，增材制造可以大幅降低工裝需求，減少材料消耗，縮短制造時(shí)間，它還可以成形常規(guī)方法無法實(shí)現(xiàn)的新穎零件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可能引起產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和制造上的重大變革。

　　也正因?yàn)樵霾闹圃煸诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造上的革命性潛質(zhì)，使其能滿足未來飛機(jī)制造對于結(jié)構(gòu)件的整體化輕量化要求。波音在軍民用的10個(gè)飛機(jī)平臺(tái)上應(yīng)用了200多個(gè)增材制造的零件，還擁有一套為增材制造項(xiàng)目量身定做的技術(shù)成熟度等級（TRL）指南；洛馬P-175復(fù)合材料無人機(jī)的研制中，讓碳納米管和基體粉末在輸送過程中由激光燒結(jié)成形機(jī)體結(jié)構(gòu)是最大亮點(diǎn)。

　　增材制造技術(shù)的誘惑力無疑是極大的，然而目前它在飛機(jī)制造中還存在著諸多的挑戰(zhàn)，在實(shí)體零件生產(chǎn)方面，其推廣速度一直緩慢。美國防務(wù)分析研究所（IDA）認(rèn)為技術(shù)和制造成熟度不足、缺乏人才和商業(yè)化環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)章制度不健全是三個(gè)主要原因，他們認(rèn)為短期內(nèi)，增材制造技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該在過程改進(jìn)、速度提升、質(zhì)量控制和材料發(fā)掘這四個(gè)方向上進(jìn)行努力，而政府和業(yè)界也應(yīng)該重視這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化。

　　在“減法”方面，圍繞未來國防領(lǐng)域采購數(shù)量最大的F-35的金屬加工，相關(guān)制造商也一直在開發(fā)先進(jìn)技術(shù)滿足其精密、高效、低成本需求。例如，美國Creare公司開發(fā)了稱作間接冷卻系統(tǒng)（ICS）的低溫加工技術(shù)，使用一種惰性液態(tài)受壓流體實(shí)現(xiàn)刀具的非間接冷卻，對鈦合金（Ti-6Al-4V）的車削來講，將刀具壽命延長了160%。目前看來，盡管F-35中也將引入增材制造技術(shù)，但僅限于制造幾種非承力的小型管道和鉸鏈零件，而在無法證明其大批生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性、大型制造的可行性之前以及大承力下的可靠性，“減法”加工還將長期統(tǒng)治未來飛機(jī)制造的舞臺(tái)。

　　機(jī)器人總動(dòng)員

　　“機(jī)器人總動(dòng)員”已經(jīng)不再是一部電影的名稱，而是未來飛機(jī)制造中的一個(gè)鮮活場面。機(jī)器人可以運(yùn)用到飛機(jī)零件成形、加工、焊接、裝配和噴涂等各個(gè)領(lǐng)域，執(zhí)行復(fù)合材料預(yù)形件編織、預(yù)浸料絲束鋪放、金屬粉末激光增材制造、無損檢測、零件切割、切削、表面精整、激光噴丸、攪拌摩擦焊、激光焊、鉆孔、鉚接、輔助定位、搬運(yùn)、噴漆和涂層厚度測量等一系列的工作。尤其是在F-35、A400M、A350、C系列等先進(jìn)飛機(jī)的裝配和噴涂上，機(jī)器人幾乎已經(jīng)成為標(biāo)配，成為了快速、高精度、低成本的代名詞。而在機(jī)器人金屬焊接和復(fù)合材料成形等領(lǐng)域，以波音、EADS為首的制造商以及以MAG、EI為首的設(shè)備供應(yīng)商也在聯(lián)合開發(fā)適用的機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)一步擴(kuò)大機(jī)器人在大型零件制造方面的應(yīng)用范圍。

　　但同時(shí)應(yīng)該看到，機(jī)器人在未來飛機(jī)制造中的普及還受制于4個(gè)有待解決的問題，即傳統(tǒng)觀念與傳統(tǒng)工藝的革新、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成的復(fù)雜、工作空間與負(fù)載能力的限制、專用工裝與周邊設(shè)備的配套。相信在這些問題解決之后，我們將會(huì)迎來飛機(jī)制造的機(jī)器人時(shí)代。

　　好馬配好鞍

　　俗話說“好馬配好鞍”，一個(gè)精密零件的高效成形和裝配，既離不開優(yōu)良的制造設(shè)備，也離不開優(yōu)良的制造工裝（模具）。進(jìn)入到復(fù)合材料時(shí)代，其獨(dú)特的熱膨脹和壓力變形特性使這一點(diǎn)顯得更加重要。今后復(fù)合材料飛機(jī)的競爭，將既取決于制造商的設(shè)計(jì)水平、制造工藝和生產(chǎn)能力的優(yōu)劣，也取決于其選用的工裝技術(shù)的好壞。

　　在復(fù)合材料成形領(lǐng)域，針對熱壓罐固化和非熱壓罐（OOA）固化，國外發(fā)展了多種新工裝材料和技術(shù)。在金屬工裝方面，所作的工作是大幅減少殷鋼重量，開發(fā)新金屬材料，如在F-22前機(jī)身上試驗(yàn)的殷鋼/復(fù)材混合工裝；在復(fù)合材料工裝方面，著眼于提升復(fù)合材料性能，引入納米增強(qiáng)技術(shù)，如用于A350機(jī)身壁板的各向同性HexTOOL材料工裝；在自加熱工裝方面，則關(guān)注減少加熱周期和能源消耗的自加熱技術(shù)，如用于RQ-7B機(jī)翼蒙皮的高效電加熱工裝。

　　在復(fù)合材料裝配領(lǐng)域，制造商采用先進(jìn)的柔性工裝和夾具將成為縮短周期、降低成本的重要手段，空客公司在A350上就采用了兩種創(chuàng)新的柔性理念。一種是基于并行運(yùn)動(dòng)機(jī)械裝置（PKM）的柔性夾具，消除了只能有一個(gè)心軸/裝配工具的數(shù)量限制；另一種是經(jīng)濟(jì)可承受的可重配置工裝（ART），由標(biāo)準(zhǔn)鋼組件包拼裝而成，依靠度量系統(tǒng)快速組裝，并且可調(diào)整和重新組合。

　　愛拼才會(huì)贏

　　飛機(jī)裝配既是體現(xiàn)一個(gè)企業(yè)乃至國家制造技術(shù)水平的環(huán)節(jié)，也是縮短飛機(jī)制造周期、降低飛機(jī)制造成本的關(guān)鍵過程，正所謂愛拼才會(huì)贏。未來飛機(jī)制造，如何裝配，是決定勝負(fù)的關(guān)鍵。波音、空客都在致力于建立空前的柔性裝配系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)中有6個(gè)主要的特征，即自動(dòng)化鉆孔與鉚接、數(shù)字化測量與控制、模塊化裝夾與定位、無人化搬運(yùn)與輸送、序列化裝配與集成、虛擬化仿真與現(xiàn)實(shí)。其中，前4個(gè)特征已經(jīng)得到了充分地體現(xiàn)，而后2個(gè)特征也在不斷豐富其內(nèi)涵和應(yīng)用案例，向人們描繪著未來飛機(jī)裝配的發(fā)展方向。

　　空客為A350機(jī)身壁板設(shè)計(jì)了一條柔性脈沖移動(dòng)裝配線（PML），可以允許最多7種壁板同時(shí)進(jìn)行鉆孔操作，每種壁板按照任務(wù)量不同分配適當(dāng)?shù)你@孔機(jī)器人，這種方法既節(jié)省空間又可以支持壁板的高效與透明化裝配。為了監(jiān)控總裝線上的所有物體和人員，以安全地裝卸部件并精確地定位自動(dòng)化裝配機(jī)床，波音參與開發(fā)了一套工廠三維激光掃描成像系統(tǒng)，并且在747-8總裝線進(jìn)行了試驗(yàn)性部署，該系統(tǒng)一旦收入使用，將可能顛覆目前的飛機(jī)裝配管理流程，顯著提升生產(chǎn)效率。

　　今天你成熟了嗎

　　對于飛機(jī)制造項(xiàng)目中的制造風(fēng)險(xiǎn)，過去沒有科學(xué)的、統(tǒng)一的衡量和管理方式，美國國防部在總結(jié)了大量經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)之后，開發(fā)出了制造成熟度這一管理工具，試圖將制造風(fēng)險(xiǎn)的衡量和管理標(biāo)準(zhǔn)化，并取得了顯著的效果。制造成熟度著眼于制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目最終目標(biāo)的能力，在技術(shù)和工業(yè)基礎(chǔ)、制造管理、制造管理、設(shè)計(jì)、材料、過程能力和控制、設(shè)施、人員、成本和投資等維度對其進(jìn)行衡量，統(tǒng)一了描述制造風(fēng)險(xiǎn)的語言?，F(xiàn)在，如P-8A巡邏機(jī)、MQ-9無人機(jī)、KC-46加油機(jī)等美國國防部眾多采辦項(xiàng)目，都要設(shè)定制造成熟度里程碑，用以監(jiān)控并降低制造風(fēng)險(xiǎn)。

　　未來飛機(jī)制造的競爭已經(jīng)超越了工藝技術(shù)本身，實(shí)質(zhì)上成為了技術(shù)成熟度和制造成熟度的競爭。工藝技術(shù)的創(chuàng)新和工業(yè)基礎(chǔ)的完善是前提，設(shè)計(jì)仿真能力、材料供應(yīng)能力、過程控制能力、設(shè)備研制能力、人才技術(shù)能力都是核心競爭力，供應(yīng)鏈管理、成本管理、質(zhì)量管理、制造過程管理、設(shè)施管理、人員管理、計(jì)劃和進(jìn)度管理則是必要的保障。這也要求我國航空工業(yè)轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)念，做好充分的準(zhǔn)備，迎接未來飛機(jī)制造領(lǐng)域更加系統(tǒng)、更加復(fù)雜的競爭。（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心助理研究員：劉亞威）