航空器制造技术的发展与航空器产品的发展相辅相成。一方面,新型航空器产品的轻量化、长寿命、气动热导致的高温等对航空器机体结构性能和功能的需求牵引了航空器制造技术的发展;另一方面,先进制造技术的发展又不断推动新型航空器产品的性能提升和升级换代,二者相互依赖、不可分割。航空器制造技术涉及机电工程、计算机技术、信息技术、材料科学、管理工程、控制工程和系统工程等科学技术领域,各种新结构、新元件、新材料、新工艺、新方法正在加速整个航空器制造体系的发展,设计-结构-材料-工艺技术的配合将是航空器制造的发展趋势。
航空器对航空制造技术的需求具体体现在:①快速研制能力。为了缩短航空产品研制周期,需要快速研制出原理样机和原型机,以快速将航空产品的设计理念转化为实物,进行试验验证和评价,确定其是否适应当前需求,并制定后续的发展计划。快速研制应用的制造技术主要包括数字化制造技术、智能制造技术、增材制造技术等,融合敏捷制造、网络化制造等手段加以实现。②高效率低成本制造能力。制造技术的水平决定了生产效率和成本。实现高效率低成本制造的关键技术包括:制造过程的建模与仿真技术、制造执行信息系统技术、低成本制造工艺和工装技术如复合材料液体成形技术,柔性工装技术,柔性装配技术及焊接技术等。③长寿命制造能力。长寿命的要求直接关系到航空器的可靠性和安全飞行。要实现结构长寿命,需要采用先进成熟的基于表面完整性的制造技术,如热处理、表面防护和强化等,提高加工表面硬度、减少残余应力和应力集中等。④轻质高效结构制造能力。飞机的重量与其机动性、耗油率、作战半径等指标直接相关,因此减轻重量一直是航空装备追求的目标,发展了一些轻质高效结构,如整体化结构、空心结构、轻质材料结构等,相应的制造技术包括超塑成形/扩散连接技术、新型焊接技术、轻质材料制造技术等。⑤节能、环保制造能力。航空制造业对环境的影响逐渐受到关注,未来将着重发展对环境影响小、低耗能的制造技术,航空产品将可能被设计成可回收和再利用的产品。减少废料的制造技术包括近净成形和增量成形技术,如精密铸造、锻造、激光和电子束快速成形技术。将生物技术用于制造可以产生无污染、可降解的废料。环境友好的材料将被更多地采用,与之相关的制造技术是发展的重点。⑥装备自主保障能力。航空武器装备是保障国家安全的重要手段之一,为了保障国家安全,必须确保装备具有自主保障能力。为此需要发展国产航空专用工艺装备及控制系统的研制能力,确保在非常时期、在国外禁运的情况下能够保障航空武器装备的研制和生产。
飞机结构制造要经过工艺准备、毛坯制备、零件加工、部件装配、总装和检测等过程。飞机制造中采用不同于一般机械制造的协调技术(如模线样板工作法)和大量的工艺装备(如各种工夹具、模胎和型架等),以保证所制造的飞机具有准确的外形。工艺准备工作即包括制造中的协调方法和协调路线的确定,工艺装备的设计等。飞机机体的主要材料是铝合金、钛合金、镁合金和复合材料等,多以板材、型材和管材的形式由冶金工厂提供。飞机上还有大量锻件和铸件,如机身加强框,机翼翼梁和加强肋多用高强度铝合金和合金钢锻造毛坯,需万吨型水压机锻压成形。飞机零件加工主要有钣金零件成形、机械加工和非金属材料加工。金属零件在加工中和加工后一般还要热处理和表面处理。飞机的部件装配是按构造特点分段进行的,首先将零件在型架中装配成翼梁、框、肋和壁板等构件,再将构件组合成部段(如机翼中段、前缘,机身前段、中段和尾段等),最后完成一架飞机的对接。装配中各部件外形靠型架保证,对接好的全机各部件相对位置,特别是影响飞机气动特性的参数(如机翼安装角、后掠角、上反角等)和飞机的对称性,要通过水平测量来检测,现代的激光测量提高了飞机零部件及整机的装配效率和质量。飞机总装工作包括发动机、起落架的安装调整,各系统电缆、导管的敷设,天线和附件的安装,各系统的功能试验等。总装完成后,飞机即可推出外场试飞。通过试飞调整,当飞机各项技术性能指标达到设计要求时即可交付使用。
飞机制造从零件加工到装配都有不同于一般机器制造的特点。机体零件加工中,飞机生产的批量小,生产中还要经常修改,所以飞机钣金零件(蒙皮、翼肋、框等)的制造力求用简单的模具,广泛应用橡皮成形、蒙皮拉伸成形、拉弯等钣金成形技术,尽量采用塑料制造成形模具。现代飞机尺寸增大,蒙皮厚度增加,以及成形性能较差的钛合金、铍合金、不锈钢板材的应用,对钣金成形技术提出更高的要求。不断使用各种大尺寸、大功率的型材拉弯机、蒙皮拉型机、强力旋压机和压力超过100兆帕的橡皮成形压床。同时一些新的加工方法,如超塑性成形、加热成形、真空蠕变成形、半模或无模成形技术不断涌现。现代飞机上广泛应用的大型整体结构件,如机翼整体壁板、翼梁、加强框等,形状复杂、切削加工量大、自身刚度差,需要在工作台面很大(有的长达数十米)的、带有多个高速铣削头的现代数控铣床上加工。整体壁板的加工还需带真空吸盘的大面积工作台,加工立体形状复杂的大型框架,如座舱风挡骨架、舱门、窗框等,还需要采用多坐标联动的数控铣床或立体靠模铣床。此外,为加工切削性能不好的材料和形状复杂的零件还广泛采用电加工、化学铣切等特种加工工艺。复合材料在飞机结构上的应用日益增多,已在机翼、机身及承力构件上得到应用。复合材料构件由高强度纤维与树脂复合,在模具中加温、加压制成。所用设备是自动铺带机、预浸带和预浸布成形机等。复合材料构件制造的关键问题是要控制构件的变形,要求细致研究铺层工艺、模压技术,并在加工中精确地控制温度和压力变化。
机体装配在飞机制造中装配工作量占直接制造(即不包括生产准备、工艺装备制造)工作量的50%~70%,现代飞机的零件连接方法以铆钉连接为主,在重要接头处还应用螺栓连接。这种连接方法简便可靠,但钻孔、铆接多是手工操作,工作量很大。应用自动压铆机可以提高铆接生产率,改进铆接质量,同时也可改善装配工人的劳动条件。为了增加使用成组压铆的比例,要在构造上将飞机各部件分解成许多壁板件。焊接也是飞机制造中常用的连接工艺。熔焊用于起落架、发动机架等钢制件的连接。接触点焊和滚焊用于不锈钢和铝合金钣金件的连接。金属胶接用于制造蜂窝结构。胶接制件表面光滑,疲劳特性好,但对于胶接面的准备、加温、加压控制都有严格要求。现代飞机制造中还广泛采用电子束焊、钛合金扩散连接、胶铆、胶接、螺接、胶接点焊等多种连接工艺。
飞机制造的机械化和自动化程度比较低,特别是飞机部件装配和总装工作,手工劳动是主要工作方式。加之飞机制造中要使用大量的成形模胎、模具、装配型架和供协调用的标准工艺装备(样板、标准样件等),使得生产准备工作繁重,飞机生产的周期比较长。应用计算机辅助设计和制造技术可以提高飞机生产的自动化程度,大量压缩生产准备工作量和缩短飞机生产的周期。