增材技术在飞机结构研制中的应用

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1、增材技术在飞机结构研制中的应用米ApplicationofAdditiveManufacturingTechnologyonAircraftStructureDevelopment中航工业沈阳飞机设计研究所王向明苏亚东吴斌王向明研究员，博导。中航工业沈阳飞机设计研究所副总设计师。中航工业增材制造技术专业委员会副主任。国防科技工业激光增材制造技术研究应用中心副理事长。先进制造技术专业组专家，中航工业结构强度特级专家。研究方向为飞机新型结构快速响应多约束设计／制造一体化技术。承担十二五预研大型项目7项、在研型号攻关项目9项，曾获国家技术发明一等奖、国防科技进步一等奖(2项)、

2、第九届航空航天月桂奖(技术先锋奖)、航空报国金奖(2项)。撰写出版专著4部。拥有授权发明专利7项，发表文章及重要研究报告70余篇。+装备预研项目“飞机翼身整体结构先进制造技术集成验证(513181XXX)”资助。16航空制造技术·2014年第22期增材技术是一项“变革性”的设计、制造一体化技术，具有诸多技术优势和潜力，但存在个异化强、工艺窗口过窄等问题，变形、开裂、力学性能等控制仍是关键技术。尽管在某些型号上已开始试用，但仍需要充分的工程化验证，并持续开展应用技术研究。现代飞机结构快速试制特点以战斗机为代表的现代飞机具有技术先进、系统复杂、小批量、多品种、成本高等特点，要

3、求快速响应试制。一代飞机，一代技术。现代飞机的研制需要从技术验证机开始。在确保较好性能的前提下，以较短的周期、较低的成本快速试制出技术验证机，实现所需先进技术的快速工程化验证，以便为型号的后续工程化发展提供技术支撑。较为成功的是美国洛克希德·马丁公司的“臭鼬”工作队，其新型技术验证机层出不穷，不仅通过YF一22及X一35验证机最终赢得F一22、F一35研制权”‘2】，而且还帮助洛·马公司成功研制出F一16、F一117、U一2、SR一71、C一5、C一130、P一3、F一80、A—12等多个著名机种，协助洛·马公司占据美国国防部每年高达l／3的订货量，甚至控制世界防务市场4

4、0％的份额。该团队运行的原则是周期、性能、成本、简单、独立、高效、灵活，设计与制造紧密结合。美国波音公司的“鬼怪”工作队也具有同样作用。俄罗斯的飞机设计局也拥有自己的试制工厂(如苏局、米局等)，其作用与“臭鼬”、“鬼怪”工作队大体相当。飞机机体结构是航空武器综合系统的载体和平台，其自身既要承受和传递使用载荷，又要承载飞机各功能系统、武器系统等，同时为飞行员和机载设备提供可靠的工作环境，因此机体结构的作用不言而喻，其研制的核心要求是轻质高效、长寿命、多功能、低成本、快速响应，其优劣决定着整个型号工程的成败。由此可见，专稿机体结构平台的快速试制是整个技术验证机研制，甚至型号后

5、续工程化发展的前提与保障。飞机快速试制的主要特点是研制周期非常紧，资金投入较少，跨代技术较多。作为飞机的平台载体，机体结构如何摆脱传统“刚性”工艺束缚，满足“研制快、性能好、费用廉”要求，开发以“柔性无模敏捷制造”为核心的飞机机体结构快速试制技术是急需解决的核心问题。目前，主机厂在飞机批产和新机研制方面资源纷争严重，矛盾十分突出，批产依托的理念、目标、机构、管理、流程、人员等诸多方面与快速试制存在较大差异，特别是在技术运用上存在明显不同。在飞机批产中，传统制造技术仍占绝大部分比例，每个构件的生产都需要大量配套的刚性模具、工装来保证。以大型锻件加强框、梁类零件为例，不仅需要

6、铸锭、制坯、制模、锻造、机加等多个工艺环节，而且需要配套大型模具、重型锻造装备，导致工艺环节复杂、周期长、响应慢、成本高、材料利用率低，无法满足新机机体结构快速试制“快、好、廉”的特殊需求。新机结构快速试制以“快、好、廉”为研制目标，要求轻质高效、长寿命、多功能、低成本、快速响应，需要摆脱传统工艺束缚，构建创新结构．突破技术瓶颈；增材技术以金属粉末、金属丝材为原材料．以激光、电子束等为热源，将粉材、丝材逐层熔覆沉积，直接由零件CAD模型完成全致密、高性能、“近终形”复杂金属零件的成形制造，是一种低成本、快速、高效、数字化的先进制造技术，也是一种“变革性”的设计、材料、制造

7、一体化的先进技术(见图1)，尤其适合于飞机结构大型、高性能、复杂金属结构件和功能件的快速试制，无需模具及锻造工业装备，材料利用率大幅度提高．并具有响应快、成本低、柔性高效等显著遴萄正■图1航空用金属材料增材制造技术图2钛合金加强框激光成形构件数模(投影面积5．02m2、长3．62m)特点，为新机结构快速响应试制提供了新的机遇，也为创新结构设计提供了物理实现平台。对于金属增材大型复杂主承力结构，变形、开裂、力学性能控制是关键。此外，增材技术工艺窗口窄、个异化非常强．即使相同的设备、工艺，只要零件略有差异也需要进行丁艺适应性研究，