材料加工智能制造技术及应用

材料加工智能制造技术及应用

王晨

邯钢冷轧厂 河北 邯郸 056001

摘要：航空制造业是我国国防建设和国民经济的重要组成部分，关乎着国家战略安全、经济建设与发展。我国航空制造业发展至今，度过了曲折的几十年，迎来了现在的全面发展时期。在国家“十四五”发展规划和推动制造业高质量发展等一系列政策带动影响下，航空制造业也急需建立完备的数字化智能化制造体系，融合最新的信息通信技术，推动产业升级，向实现航空强国迈进。航空制造产业产品系统复杂程度高，产业链长，结构复杂且对质量、精密性及生产制造效率等有着极高的要求。本文将详细解读航空制造业特点，以中国航空工业集团有限公司为例，介绍航空制造产业如何从顶层设计着手，构建数字化生产线，提升工业制造能力，实现智能化转型升级。

关键词：航空制造业；智能制造；转型升级；产业发展

中图分类号：TH16

文献标识码：A

引言

针对航空锻造企业对航空锻造知识管理及应用的需求，搭建航空锻造知识管理系统，使得锻造企业可以通过计算机数字化的方式积累以往的材料冶金知识和锻造工艺技术知识，实现锻造知识的共享和利用，提高技术人员工作效率和设计水平，控制锻造加工质量，从而提高整个企业的竞争力。

1航空制造业特点

1.1系统复杂程度高，结构复杂　

由于航空产品应用领域的特殊性，导致航空制造业呈现系统高度综合的产业特点，系统间构成了复杂庞大的关系网并在精度上有高标准、严要求。航空制造产业零部件种类繁多，零部件数量达到500万量级。而且，零部件之间相互联系，要求具有很高的协调性。航空产品的研发较其他行业相对复杂，兰德公司研究了1965－2000年美军采购战机的相关历史数据后发现，制约防空系统创新理念落地的瓶颈在于复杂度管理能力。在新的防务产品带来的价值增长中，与复杂度管理相关的影响因素占5成左右，如图1所示。图中，红色为集成电路产业，绿色为汽车制造产业，蓝色为防务工业。航空航天系统从设计、集成到测试所耗费的时间大于集成电路、汽车制造。不考虑通货膨胀因素，从20世纪60年代至今，航空航天系统开发费用增长率达8～12倍，其他两个产业却没有明显增长。

1.2多品种、变批量和定制化　

航空产品包括飞机、发动机及各类机载设备等，品种多，型号谱系和批次多达几十种，但单一型号的飞机年产量却往往不超过百架。这个特点对数字化生产线的建立有很大的制约，增加了生产体系的构建和运营成本，同时对生产设施的高度柔性化和智能化，以及生产运营过程的精益化提出了很高要求。

1.3生产制造过程工艺路线长，产品制造和装配要求高　

作为高价值产品，航空产品工件生产制造工序多，误差积累的环节多。航空行业的机械加工往往需要突破零部件尺寸大、结构复杂、刚性弱、材料难加工和加工精度要求高等一系列复杂制造难题。航空产品装配过程以人工为主，大部件精准对接，表面接插控制和零部件协调操作对操作人员来说操作难度大。在制造数据管理中，产生的数据模型体量庞大，从时间与准确性上对数据控制有严格要求。

2材料加工智能制造技术及应用要点

2.1建立智能制造架构，构建数字化生产线

在世界工程技术发展历程中，航空航天往往通过自身产业的创新发展牵引先进生产制造技术、装备、大型工业软件的创新发展，成为先进信息通信技术、先进工艺装备和先进生产制造模式的应用高地。实现中国航空制造业的智能化发展，是一个复杂的系统工程。在集团公司指导下，中国航空制造技术研究院、航空工业信息技术中心联合建设智能制造创新中心，完善航空工业智能制造架构规划和建设方案，为各单位开展项目论证、建设以及中心技术预研、解决方案开发等提供指导。参与航空智能制造试点推进，培育智能制造导航项目，总结提炼并形成推广模式。研究智能制造关键技术并形成航空工业智能制造技术体系，从材料、技术、人力等方面支撑航空工业智能制造行动计划。从发展规划、架构设计、体系建设、技术研发和应用验证几大方面统筹推进智能制造工作。

2.2航空锻造企业信息化系统

针对航空锻造企业对CAD/CAPP/CAM系统集成及企业信息化管理的需求，搭建基于CAPP系统的企业信息化集成平台，利用计算机技术辅助产品设计、工艺编制、产品管理和控制产品加工过程，提升企业的信息化水平，提高制造效率和性能，保证产品质量，降低生产成本。该系统涉及关键技术包括以下三项。

（1）基于航空锻造特点的CAPP系统应用

建立以锻造工艺典型化、标准化(成组化)为基础的检索式CAPP系统，建立设备库、工装库，实现工艺规程设计优化与标准化(成组化)，应用CAPP系统完成机加及装配工艺的编制，实现计算机辅助的材料定额计算及汇总，缩短工艺设计周期。

（2）实现CAD/CAPP/CAM的系统集成

建立三维CAD设计系统(平台)，建立通用图形库、数据库及常规设计计算系统，实现产品设计系列化和通用化，解决部分产品设计中的重复劳动，实现CAD系统内部与外部数据共享以及集成运行，为实现CIMS奠定基础，缩短设计周期，降低设计成本，降低产品成本。

（3）实现与PDM/ERP系统的信息集成。基于产品数据生命周期管理，开展项目流程管理，建立图库快速检索系统，实现产品结构配置，解决CAD系统内部与外部数据共享和集成运行，实现PDM为CAPP/ERP提供产品设计信息，为ERP提供CAD/CAPP信息。

2.3结合数字化转型和高端设备研制，加速推进航空智能制造发展

当前，以新一代信息技术为代表，数字技术与制造业的深入融合正在加速智能制造向更高层面、更深层次的发展。当然，航空制造业数字化、智能化转型工作不是一蹴而就的，要分层推进，多层面同步发力。通过引入数字孪生的理念，建立基于模型的企业，多维推动企业的数字化、智能化转型。首先在产业链层面，要更加关注应用供应链建模和仿真技术来优化产业布局和分工，在“数字中国”大环境中建立航空工业的数字供应网络；第二，在智能工厂建设层面，要更加注重基于过程仿真的智能车间和数字化生产线设计建造的过程。当然，工厂和生产线设计建造过程也不局限于行业内部，也可以延伸至行业外。在这个基础上，对实际的生产过程，即整个物理制造过程要进行更加细致和逼真的建模和仿真，促进生产制造活动的优化和重构，使之更加柔性化和智能化。在生产执行层，如生产设备、物流系统、制造资源等同步引入建模与仿真，构建数字孪生。在产品全生命周期模型贯通方面，产品的数字化定义（MBD）在航空航天行业的应用已有相当成效，但远期要向全生命周期进一步扎实推进。

结束语

综上所述，航空工业推进数字化和智能化，最终目标是满足用户对航空产品的新需求，以国防实力，推动大众享受航空，实现对美好生活的向往。未来航空工业智能制造的发展要以用户需求为核心，为用户提供高质量的个性化定制服务。以此为牵引推动构建网络化协同和智能化生产网络，形成一种新的生产制造模式。在这基础上提升产品服务的质量，降低成本，提高综合效率。整个行业要迎合以数字技术为代表的新一轮科技革命和产业变革的历史趋势，抓住新一轮发展的机遇来推动数字化、网络化和智能化技术在航空航天的应用。

参考文献：

[1]黄柯鑫，闻立波，黄淮杰，等.制约航空制造企业多品种小批量生产管理的因素研究[J].价值工程，2017，36（18）：23-25.

[2]张玉婷.航空制造企业供应链管理研究[J].中国市场，2018（15）：185-186.

[3]宁振波.航空工业的智能制造体系和架构[J].民用飞机设计与研究，2021（2）：1-5.