新常態(tài)下我國(guó)航空制造業(yè)現(xiàn)狀及展望
當(dāng)前，全球產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局正在發(fā)生重大調(diào)整，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛實(shí)施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，重塑制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)，一些發(fā)展中國(guó)家也在加快謀劃和布局，而2016年又是我國(guó)“十三五”規(guī)劃的開(kāi)局之年，我國(guó)航空制造業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)核心支柱產(chǎn)業(yè)，可以說(shuō)從內(nèi)到外都在經(jīng)受一次“大考”，這個(gè)“內(nèi)”就是在“新常態(tài)”經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，尋找新一輪價(jià)值的突破；而這個(gè)“外”就是面臨發(fā)達(dá)國(guó)家和其他發(fā)展中國(guó)家“雙向擠壓”的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。如何在“新常態(tài)”下，突出重圍，重塑航空制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)中航工業(yè)的既定戰(zhàn)略目標(biāo)——“五化萬(wàn)億”，即“市場(chǎng)化改革，專業(yè)化整合，資本化運(yùn)作，國(guó)際化開(kāi)拓，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展”，以及“到2020年，中航工業(yè)挑戰(zhàn)收入10 000億目標(biāo)”，是一道擺在每一個(gè)航空人面前迫在眉睫的必解難題！
航空制造業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀??
同其他產(chǎn)業(yè)一樣，我國(guó)航空制造業(yè)也經(jīng)歷了起步階段的自主研發(fā)，到國(guó)際轉(zhuǎn)包機(jī)型零部件生產(chǎn)，再到國(guó)家工程型號(hào)任務(wù)研制，可謂從零開(kāi)始，一步一個(gè)腳印，漸入佳境，經(jīng)過(guò)近60年的不懈努力，飛機(jī)關(guān)鍵零部件的制造、裝配技術(shù)水平、質(zhì)量不斷提升，基本實(shí)現(xiàn)了自主化，完全具備了從“支線機(jī)”到“大飛機(jī)”研制生產(chǎn)的技術(shù)條件。但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，航空制造業(yè)距離實(shí)現(xiàn)目標(biāo)仍有不小差距，制約其由“量”到“質(zhì)”轉(zhuǎn)變的“瓶頸”具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。??
1. 設(shè)備的數(shù)控化程度低??
公司的核心業(yè)務(wù)是航空產(chǎn)品制造加工，公司的優(yōu)質(zhì)資源都集中在該領(lǐng)域。而現(xiàn)代航空制造業(yè)的特點(diǎn)是以大型整機(jī)制造為核心，生產(chǎn)高度集中。這就決定了在飛機(jī)制造流程中必然包括各類型飛機(jī)的各種零部件的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、試驗(yàn)和裝配過(guò)程，因此設(shè)備類型較繁雜，技術(shù)指標(biāo)差異又大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我公司現(xiàn)有各類型設(shè)備近6 000臺(tái)，機(jī)床近1 600余臺(tái)，而其中的數(shù)控設(shè)備僅占不到3成，占有量偏低。??
2. 高端設(shè)備占有率低??
現(xiàn)代化的飛機(jī)制造大量采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料，零件特點(diǎn)呈現(xiàn)尺寸大型化、型面復(fù)雜化、結(jié)構(gòu)輕量化和制造精密化，同時(shí)航空制造業(yè)零部件的多樣性，決定了加工設(shè)備的多樣化，主要體現(xiàn)在設(shè)備的特性有很大的差異，如機(jī)械剛性、加工范圍、主軸轉(zhuǎn)速、坐標(biāo)進(jìn)給速率、幾何精度及定位精度等。實(shí)際生產(chǎn)中，不同特性的設(shè)備其所加工的對(duì)象是不同的。比如一個(gè)殼體類零件模胎如圖1所示，其尺寸600mm×400mm×260mm，材料牌號(hào)Q235，采用一臺(tái)意大利FIDIA K211五坐標(biāo)高速銑削加工中心加工。該設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)采用FIDIA C20，五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)，其最大特點(diǎn)在于能夠進(jìn)行前瞻速度規(guī)劃，除了具有普通的直線、圓弧插補(bǔ)外，還能進(jìn)行樣條方法插補(bǔ)，即使有較大壓縮比，仍然可以使工件加工軌跡連續(xù)性與曲率平滑過(guò)渡。該設(shè)備配置電主軸、A、C軸復(fù)合擺頭，主軸功率36kW，轉(zhuǎn)速24 000r/min，經(jīng)一次手工裝夾，紅外線自動(dòng)對(duì)刀，加工過(guò)程中3次自動(dòng)更換刀具，經(jīng)過(guò)粗、半精、精加工，連續(xù)運(yùn)行36h，加工完成后，精度達(dá)到±0.10mm，表面粗糙度值Ra=3.2μm。然而類似這樣的高端設(shè)備在數(shù)控設(shè)備中的占比不到3成，其占有量低，是制約航空類零部件的高精度、高效率產(chǎn)出的重要因素。??
說(shuō)到“大飛機(jī)”研制，梁、框、肋、壁板及蒙皮等部件裝配工藝始終無(wú)法回避，是整機(jī)制造中最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，裝配質(zhì)量和效率將決定整機(jī)質(zhì)量與交付的進(jìn)度，裝配工藝的水平是衡量一個(gè)國(guó)家飛機(jī)制造水平高低的重要因素。在主機(jī)廠里，大量的工藝流程與質(zhì)量體系的文件都是圍繞著飛機(jī)裝配工藝展開(kāi)的，其重要性不言而喻。我國(guó)的航空零部件裝配工藝水平距離世界先進(jìn)航空器制造企業(yè)比如波音公司仍有較大差距。因此，在“智能制造”的倡導(dǎo)下，半自動(dòng)、手動(dòng)裝配作為落后產(chǎn)能將逐步淘汰（見(jiàn)圖2），數(shù)字化裝配、數(shù)字化工裝夾具和數(shù)字化檢測(cè)是部件裝配的終極選擇。??
波音公司的帶有D形框架的機(jī)身壁板自動(dòng)鉆鉚機(jī)如圖3所示。??
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??航空制造業(yè)發(fā)展方向
大而不強(qiáng)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)暴露出種種弊端，主要表現(xiàn)在了人力、物力、設(shè)備資源的無(wú)產(chǎn)出浪費(fèi)?！吨袊?guó)制造2025》為航空制造業(yè)破解難題指明了方向，即加強(qiáng)新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)。比如，對(duì)于傳統(tǒng)的工廠機(jī)械加工來(lái)說(shuō)，運(yùn)用智能化生產(chǎn)線對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行建線改造，以達(dá)到“自動(dòng)加工，閉燈工廠”的目的，似乎正逐漸成為一種趨勢(shì)。??
某廠房的6臺(tái)DMU機(jī)床智能生產(chǎn)線如圖5所示。??
航空制造企業(yè)運(yùn)用機(jī)床智能生產(chǎn)線不同與以往的單機(jī)生產(chǎn)，其優(yōu)點(diǎn)在于：①改善產(chǎn)品質(zhì)量，確保一致性，縮短加工周期時(shí)間。②實(shí)現(xiàn)中斷加工，線內(nèi)、線外混合加工，達(dá)到離線即交付狀態(tài)。③實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度智能化，擁有智能化質(zhì)量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)24h無(wú)人值守。??
?結(jié)語(yǔ)?
筆者在基層長(zhǎng)期致力于設(shè)備的管理工作，深感《中國(guó)制造2025》是國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃，呼喚航空制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代勢(shì)在必行。因此，必須想辦法提高設(shè)備管理與使用水平，提高工作效率，在現(xiàn)有資源條件下實(shí)現(xiàn)更大的產(chǎn)出。要遵循精益管理的思想，持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)和管理流程，精簡(jiǎn)運(yùn)營(yíng)管理中不增值的環(huán)節(jié)，減少和杜絕生產(chǎn)中的無(wú)效消耗。要以工藝流程為主線、以數(shù)據(jù)為平臺(tái)、以可視化為載體、以工具包為手段、以機(jī)制為保障，建設(shè)全套信息化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息管理系統(tǒng)集成、協(xié)同和共享，做到人流、物流、信息流和價(jià)值流的統(tǒng)一，從根本上改變生產(chǎn)基礎(chǔ)管理薄弱的局面。??
航空制造業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀??
同其他產(chǎn)業(yè)一樣，我國(guó)航空制造業(yè)也經(jīng)歷了起步階段的自主研發(fā)，到國(guó)際轉(zhuǎn)包機(jī)型零部件生產(chǎn)，再到國(guó)家工程型號(hào)任務(wù)研制，可謂從零開(kāi)始，一步一個(gè)腳印，漸入佳境，經(jīng)過(guò)近60年的不懈努力，飛機(jī)關(guān)鍵零部件的制造、裝配技術(shù)水平、質(zhì)量不斷提升，基本實(shí)現(xiàn)了自主化，完全具備了從“支線機(jī)”到“大飛機(jī)”研制生產(chǎn)的技術(shù)條件。但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，航空制造業(yè)距離實(shí)現(xiàn)目標(biāo)仍有不小差距，制約其由“量”到“質(zhì)”轉(zhuǎn)變的“瓶頸”具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。??
1. 設(shè)備的數(shù)控化程度低??
公司的核心業(yè)務(wù)是航空產(chǎn)品制造加工，公司的優(yōu)質(zhì)資源都集中在該領(lǐng)域。而現(xiàn)代航空制造業(yè)的特點(diǎn)是以大型整機(jī)制造為核心，生產(chǎn)高度集中。這就決定了在飛機(jī)制造流程中必然包括各類型飛機(jī)的各種零部件的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、試驗(yàn)和裝配過(guò)程，因此設(shè)備類型較繁雜，技術(shù)指標(biāo)差異又大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我公司現(xiàn)有各類型設(shè)備近6 000臺(tái)，機(jī)床近1 600余臺(tái)，而其中的數(shù)控設(shè)備僅占不到3成，占有量偏低。??
2. 高端設(shè)備占有率低??
現(xiàn)代化的飛機(jī)制造大量采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料，零件特點(diǎn)呈現(xiàn)尺寸大型化、型面復(fù)雜化、結(jié)構(gòu)輕量化和制造精密化，同時(shí)航空制造業(yè)零部件的多樣性，決定了加工設(shè)備的多樣化，主要體現(xiàn)在設(shè)備的特性有很大的差異，如機(jī)械剛性、加工范圍、主軸轉(zhuǎn)速、坐標(biāo)進(jìn)給速率、幾何精度及定位精度等。實(shí)際生產(chǎn)中，不同特性的設(shè)備其所加工的對(duì)象是不同的。比如一個(gè)殼體類零件模胎如圖1所示，其尺寸600mm×400mm×260mm，材料牌號(hào)Q235，采用一臺(tái)意大利FIDIA K211五坐標(biāo)高速銑削加工中心加工。該設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)采用FIDIA C20，五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)，其最大特點(diǎn)在于能夠進(jìn)行前瞻速度規(guī)劃，除了具有普通的直線、圓弧插補(bǔ)外，還能進(jìn)行樣條方法插補(bǔ)，即使有較大壓縮比，仍然可以使工件加工軌跡連續(xù)性與曲率平滑過(guò)渡。該設(shè)備配置電主軸、A、C軸復(fù)合擺頭，主軸功率36kW，轉(zhuǎn)速24 000r/min，經(jīng)一次手工裝夾，紅外線自動(dòng)對(duì)刀，加工過(guò)程中3次自動(dòng)更換刀具，經(jīng)過(guò)粗、半精、精加工，連續(xù)運(yùn)行36h，加工完成后，精度達(dá)到±0.10mm，表面粗糙度值Ra=3.2μm。然而類似這樣的高端設(shè)備在數(shù)控設(shè)備中的占比不到3成，其占有量低，是制約航空類零部件的高精度、高效率產(chǎn)出的重要因素。??
圖 1
3. 數(shù)字化裝配亟需提速??說(shuō)到“大飛機(jī)”研制，梁、框、肋、壁板及蒙皮等部件裝配工藝始終無(wú)法回避，是整機(jī)制造中最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，裝配質(zhì)量和效率將決定整機(jī)質(zhì)量與交付的進(jìn)度，裝配工藝的水平是衡量一個(gè)國(guó)家飛機(jī)制造水平高低的重要因素。在主機(jī)廠里，大量的工藝流程與質(zhì)量體系的文件都是圍繞著飛機(jī)裝配工藝展開(kāi)的，其重要性不言而喻。我國(guó)的航空零部件裝配工藝水平距離世界先進(jìn)航空器制造企業(yè)比如波音公司仍有較大差距。因此，在“智能制造”的倡導(dǎo)下，半自動(dòng)、手動(dòng)裝配作為落后產(chǎn)能將逐步淘汰（見(jiàn)圖2），數(shù)字化裝配、數(shù)字化工裝夾具和數(shù)字化檢測(cè)是部件裝配的終極選擇。??
圖2 傳統(tǒng)的半自動(dòng)裝配
波音公司則大量采用自動(dòng)壁板鉆鉚系統(tǒng)，該系統(tǒng)由龍門式機(jī)床、定位系統(tǒng)和柔性工裝組成。龍門機(jī)床帶有上下鉚頭，實(shí)現(xiàn)主軸和鐓鉚頭Y、Z軸運(yùn)動(dòng)，龍門機(jī)床整體沿X軸運(yùn)動(dòng)；定位系統(tǒng)由兩個(gè)定位塔柱和拖框組成，定位塔與拖框的兩個(gè)接頭同時(shí)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)形成拖框的A軸運(yùn)動(dòng)，沿Z軸分別差動(dòng)形成B軸運(yùn)動(dòng)，以便法向?qū)φ菆A柱面（錐或球面）壁板。所有這些軸構(gòu)成了一個(gè)與鉆鉚機(jī)完全集成的5軸數(shù)控系統(tǒng)；并且柔性工裝通過(guò)多點(diǎn)成形原理，實(shí)現(xiàn)單套工裝適應(yīng)多種形狀和尺寸壁板的定位裝夾，具有更高的通用性；同時(shí)，也極大降低了傳統(tǒng)工裝的制造和管理成本。??波音公司的帶有D形框架的機(jī)身壁板自動(dòng)鉆鉚機(jī)如圖3所示。??
圖 3
自動(dòng)壁板鉆鉚系統(tǒng)可對(duì)任意曲面的部件進(jìn)行快速、精確的裝配，整套鉆鉚系統(tǒng)典型的鉆鉚速率為每分鐘鉚接12個(gè)鉚釘，并完成自動(dòng)鉚釘插入、鉆孔、锪窩、涂膠、鉚接及去毛刺等工藝流程。自動(dòng)鉆鉚機(jī)上工作頭在壁板蒙皮側(cè)運(yùn)行，并裝有大部分的工藝工具，包括上部夾緊板、鉆孔電主軸、鉚接驅(qū)動(dòng)器和同步相機(jī)，是鉆鉚機(jī)中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。自動(dòng)鉆鉚機(jī)對(duì)已采用工裝定位的壁板鉚接如圖4所示。????
圖 4
因此，加大力度對(duì)自動(dòng)壁板鉆鉚系統(tǒng)的研究及應(yīng)用，可大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高壁板裝配一致性與精度，對(duì)于工廠實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配、數(shù)字化工裝夾具、數(shù)字化檢測(cè)，以及部裝交付率意義重大。????航空制造業(yè)發(fā)展方向
大而不強(qiáng)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)暴露出種種弊端，主要表現(xiàn)在了人力、物力、設(shè)備資源的無(wú)產(chǎn)出浪費(fèi)?！吨袊?guó)制造2025》為航空制造業(yè)破解難題指明了方向，即加強(qiáng)新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)。比如，對(duì)于傳統(tǒng)的工廠機(jī)械加工來(lái)說(shuō)，運(yùn)用智能化生產(chǎn)線對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行建線改造，以達(dá)到“自動(dòng)加工，閉燈工廠”的目的，似乎正逐漸成為一種趨勢(shì)。??
某廠房的6臺(tái)DMU機(jī)床智能生產(chǎn)線如圖5所示。??
圖 5
托盤軟著陸系統(tǒng)。?智能化生產(chǎn)線主要由以下單元構(gòu)成：①加工系統(tǒng)。②工件自動(dòng)裝夾系統(tǒng)。③物料系統(tǒng)。④工件自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。⑤工件加工數(shù)據(jù)流自動(dòng)傳輸系統(tǒng)。⑥工件自動(dòng)測(cè)量補(bǔ)正系統(tǒng)。⑦生產(chǎn)線加工信息管理系統(tǒng)MMS5。⑧智能化質(zhì)量管理系統(tǒng)EMRP。⑨輔助冷卻液收集系統(tǒng)。⑩輔助排屑系統(tǒng)。??航空制造企業(yè)運(yùn)用機(jī)床智能生產(chǎn)線不同與以往的單機(jī)生產(chǎn)，其優(yōu)點(diǎn)在于：①改善產(chǎn)品質(zhì)量，確保一致性，縮短加工周期時(shí)間。②實(shí)現(xiàn)中斷加工，線內(nèi)、線外混合加工，達(dá)到離線即交付狀態(tài)。③實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度智能化，擁有智能化質(zhì)量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)24h無(wú)人值守。??
?結(jié)語(yǔ)?
筆者在基層長(zhǎng)期致力于設(shè)備的管理工作，深感《中國(guó)制造2025》是國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃，呼喚航空制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代勢(shì)在必行。因此，必須想辦法提高設(shè)備管理與使用水平，提高工作效率，在現(xiàn)有資源條件下實(shí)現(xiàn)更大的產(chǎn)出。要遵循精益管理的思想，持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)和管理流程，精簡(jiǎn)運(yùn)營(yíng)管理中不增值的環(huán)節(jié)，減少和杜絕生產(chǎn)中的無(wú)效消耗。要以工藝流程為主線、以數(shù)據(jù)為平臺(tái)、以可視化為載體、以工具包為手段、以機(jī)制為保障，建設(shè)全套信息化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息管理系統(tǒng)集成、協(xié)同和共享，做到人流、物流、信息流和價(jià)值流的統(tǒng)一，從根本上改變生產(chǎn)基礎(chǔ)管理薄弱的局面。??
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