先进制造技术在航空领域中的应用课件.ppt
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1、.1先进制造技术先进制造技术在航空领域中的应用在航空领域中的应用授课:路冬授课:路冬航空制造工程学院航空制造工程学院.2课程介绍及进度安排课程介绍及进度安排课程特点课程特点: 描述先进制造技术在航空领域中的描述先进制造技术在航空领域中的应用应用课程性质课程性质: 专业任选课、建立航空科学的基本专业任选课、建立航空科学的基本 概念、拓宽知识面概念、拓宽知识面课程课时课程课时:20学时学时课程考查方式课程考查方式:平时考核平时考核30期末考核期末考核70.3 前前 言言.4背景背景 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、高高
2、性能、高减重、长寿命、高可靠、舒适性以及低制造成本可靠、舒适性以及低制造成本的方向不断发展更新。.5背景背景 要求飞机和发动机结构进一步整体化、零件大整体化、零件大型化,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; 通过减少零件数量,还可以大量减少工装的数减少工装的数量和加工工装的工时量和加工工装的工时,从而大幅度降低制造成本。.6第一章第一章21世纪的航空先进制造技术世纪的航空先进制造技术.71.1 1.1 先进制造技术含义先进制造技术含义 先进制造技术是一个先进制造技术是一个相对概念相对概念。 首先要看是否应用新结构新
3、结构、新材料新材料、新原理新原理带来制造技术上的新突破新突破。 信息化信息化和数字化数字化则是融入其中的重要手段。.81.1 1.1 先进制造技术含义先进制造技术含义 随着信息技术的迅速发展,数字化协同数字化协同设计制造设计制造和基于网络的系统集成技术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技术发展的规律来考虑,二是要考虑要素要素,从结构、材料和原理等要素来考虑。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
4、础上,21世纪先进制造技术应该包括以下三个方面。.10 一、一、 新结构的制造技术新结构的制造技术 随着新机型、新发动机、新机载设备的出现,一些具有新结构新结构的产品的产品和需应用新原理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,其隔热效果就比较好,
5、原子排列不好的,效果就差。.12 二、新材料的制造技术二、新材料的制造技术 人们需要在真空容器中,通过隧道显隧道显微镜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、三、 新原理基础上产生的先进制造技术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。.141.2 1.2 航空制造技术的作用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,试验设计是根本,材料
6、是基础,制造是手段,试验是保障。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,有时甚至是决定全局的重要作用。 航空先进制造技术的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) 提高航空器的性能提高航空器的性能 先进制造技
7、术可以提高航空器的性能,确保航空器的高精度、高质量、高高精度、高质量、高可靠性和安全性。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级级;.17 (2) 提高航空器的性能提高航空器的性能 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
8、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 美国美国F-35联合攻击战斗机联合攻击战斗机是实现“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先进数字化异地协同设计制造技术,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
9、的美国采用了先进数字化异地协同设计制造技术的美国F-35联合攻击战斗机联合攻击战斗机.22 (4) 降低成本的重要手段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,此项计划实施后可使两倍声速两倍声速的战斗机结构重量减轻重量减轻30%,成本降低,
10、成本降低50%。.251.3 1.3 航空先进制造技术的发展方向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,要提高单位推力单位推力,即提高推重比推重比,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
11、第四代战斗机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,能很快的降低成本,缩短研制周期,能很快的拿出样机及成品。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) 快速响应技术快速响应技术 (2) 与减重有关的制造技术与减重有关的制造技术 (3) 提高可靠性的制造技术提高可靠性的制造技术 (4) 高精度的制造技术高精度的制造技术 (5) 难加工材料的加工技术难加工材料的加工技术.30第二章第二章数字化制造技术成为航空科技工业数字化制造技术成为航空
12、科技工业关键制造技术关键制造技术.312.1 2.1 数字化制造技术的内涵与特点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化:产品数字建模和预装配产品数字建模和预装配以及并行产品定义; 2.设计数字化设计数字化: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;.323.试验数字化: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: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:飞行数字化:构建虚拟飞行环境;6.管理数字化:管理数字
13、化:以项目为龙头建立全球虚拟企业。.332.1.1 2.1.1 数字化制造技术的内容: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)要求制造时间缩短 66%,工装减少90%,制造成本降低50%。.34 2.1.2 2.1.2 现代数字化设计制造技术特点: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模线和物理样机全都由产品
14、的数字化定义或数字样机所替代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集合。 数字化制造涵盖了企业管理、产品设计、企业管理、产品设计、工艺设计、零部件制造、装配、客户服务与保工艺设计、零部件制造、装配、客户服务与保障等技术领域障等技术领域,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/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、系统集成、仿真等技术紧密相关
15、。.36 (2)数字化制造是一种先进制造模式先进制造模式。 数字化制造以并行工程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
16、研制模式、企业运作方式、组织结构、经营理念式、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化生产方式的方向发展。.382.3 2.3 国际现状国际现状2.3.1国际大型飞机数字化设计制造技术 波音波音 777 777 - 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
17、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制模线和制作物理样机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模线和物理样机
18、全都由产品的数字化定义或数字样机所替代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并行的,便于实现多学科的协同设计协同设计。.42 产品数字化定义的研制过程研制过程为对象,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。.432.3.2 2.3.2 国外航空发动机行业数字化国外航空发动机行
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