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中国航空工业三大神器:解决能设计不能生产的

来源: 发布时间:2018-01-20热度:我要评论
【鹰眼图说军事 国防工业聚焦栏目第1期】长期以来,形容中国航空工业的一句很常用的话是“我们能设计出来任何飞机...

【鹰眼图说军事 国防工业聚焦栏目第1期】长期以来,形容中国航空工业的一句很常用的话是“我们能设计出来任何飞机,但却不能生产和批量制造”,工业生产能力和技术水平成为影响中国航空工业发展的巨大瓶颈,高性能零件不能生产,高性能材料不能应用,高性能仪器仪表不能装配,如何才能造好性能良好的飞机呢?近年来,中国人正在快速解决如何生产制造的困局,并在一起领域取得了世界瞩目的成就,本期策划就来抛砖引玉,总结中国航空工业快速发展的三大神器。

第一神器:3D打印“无中生有”制造歼31最大部件

钛是上世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,由于钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于航空航天领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性,相继对其进行研究开发,并得到了实际应用。目前,世界上主流战斗机和客机都大量使用钛合金材料生产的钛合金结构零件,比如F-22战斗机的钛合金用量就高达35%,传统的钛合金零件制造主要依靠铸造和锻造。其中铸造零件易于大尺寸制造,但重量较大且无法加工成精细的形状。锻造切削虽然精度较好,美国F-22战机主要承力部件便是大型铸造钛合金框。但是零件制造浪费严重,原料95%都会被作为废料切掉,而且锻造钛合金的尺寸受到严格限制,人们一直在寻找解决这一问题的办法,最终找到了激光成形技术。

激光成形技术或激光增材技术也就是我们常说的“3D打印”,它是将钛材料粉末进行激光高温处理后“组成”一个钛合金部件的“神奇魔术”,据悉,飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术是“3D打印技术”的高端发展形势,对航空工业来说是一场革命性的技术,而跑在这项技术前列的是中美两国,而中国则领先美国,在国际上首次突破了飞机钛合金大型整体主承力结构件激光成型工艺、力学性能控制、工程化成套设备、技术标准等一系列技术问题。

图片为我国展出的超大型某型号战斗机钛合金飞机承力件。

2013年1月18日,国务院向“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”颁发国家技术发明奖一等奖。目前,这一技术在我国已经投入工业化制造,使我国成为继美国之后、世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及技术的国家。更加令人欣喜的是,在性能上,根据公开的材料表明,我国已经能够生产优于美国的激光成形钛合金构件。成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造且付诸实用的国家。

军事专家称,中国歼-31战机至少有4个激光成型“眼镜式”钛合金主承力构件加强框,而美国目前并不能生产如此大型号的钛合金部件。目前,我国已经具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力,并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中。成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造并且装机工程应用的国家。外国媒体称,中国已经用激光增材技术直接制造30多种钛合金灯大型复杂关键金属零件,并在大型运输机、舰载机、C919大型客机、歼-20歼击机等7型飞机中装机应用,解决型号研制“瓶颈”,使中国成为迄今世界上唯一掌握高性能大型金属零件激光直接制造技术并实现工程应用的国家。

第二神器:大型模锻压机是现代飞机生产的“揉面机”

刚才我们讲到了激光增材技术对飞机钛合金部件加工的贡献,但我们仍然要提醒各位读者,目前,激光增材技术虽然能够生产各种型号的飞机钛合金部件,但需要大规模生产时,增材技术并不是最佳的选择,解决这一问题说到底,还是需要工业基础技术的进步才行,而比较适合大规模生产飞机钛合金部件的机器,我们称它为“大型模锻压机”,简称“大压机”。

首先要说明的一点是,大型模锻压机是衡量一个国家工业实力的重要标志。迄今为止,仅有中国、美国、俄罗斯、法国4个国家有类似设备,世界上曾经最大的锻造等级为俄罗斯研制的7.5万吨级别超级锻压机,而我国近年来相继建立了4万吨、6.5万吨和8万吨的超级锻压机,未来还建造10万吨和16万吨级超巨型锻压机。目前,中国成为拥有全球最高等级模锻装备的国家。

“如果说以前生产锻件需要千锤百炼,那么有了8万吨大型模锻压机则是一锤定型。”这是一个很形象地比喻,锻压机是通过强大的压力作用,使性能普通的金属材料在模具内流动,细化内部晶粒,实现大型模锻件的整体精密成形,这些金属材料可以蜕变为飞机的“骨骼”———框梁,可以蜕变为发动机的“脊柱”———涡轮盘,可以蜕变为油田的“血管”———输油管三通等。锻压机就像是在“压月饼”一样生产钛合金部件,也像“揉面机”一样给钛合金材料塑形,锻压机通过液压传递能量形成压制力,并解决一次性成型问题。

目前,我国阎良6.5万吨和德阳8万吨大型模锻压机已经投入试运行,并互为备份,也将我国高端重大装备的制造能力托举到国际顶级水平,为中国走向制造强国掀开了历史性的一页。8万吨大型模锻压机列装后,我国航空航天等最难做的大件,动力发电、海洋工程、西气东输、深部开采等各行各业要用的性能最高的、尺寸最大的、结构最复杂的构件都能通过该锻压机完成。大型锻压机对我国大型运输机、隐身战斗机、超高速飞行器、大型轰炸机和大型客机的生产具有重要意义,中国生产大飞机不再受限制于外国人(顺便提一下,当中国大压机开始试生产的时候,来自欧洲的空客公司第一跑上门来谈合作,然后大家懂的)。

图为哈飞空客复合材料制造中心新厂房内配备的热压罐。

第三神器:把比头发丝还细的碳纤维变成飞机机翼

现代飞机出去大量使用钛合金材料外,还大量使用一种叫碳纤维的材料,目前,使用碳纤维为主的复合材料已经作为现代飞机核心部件生产的必需品,而如何把比头发还要细的碳纤维原丝生产为飞机部件,就成为一项十分艰巨的技术难题,目前,中国在碳纤维复合材料自动铺丝机、自动铺带机、整体成型技术和树脂基预浸料技术上接连取得突破,中国已经具备生产大多数不同结构和尺寸的复合材料零件的能力。

军事专家称, 中国在碳纤维自动铺叠技术取得了重大进展,说明这一短板正在被迅速弥补当中。现在铺带机完成了工程化应用验证,铺丝机也开始了这一进程,非常令人欣喜。从设备上看,中航工业在国内的碳纤维复材自动铺放铺叠领域,绝对是第一把交椅。三个手工铺叠、功能结构铺叠和液体成型纤维预形体制备三个独立净化间里的下料机、激光投影仪、大型缝合机、纤维预形体制备机等高大上制造设备,具备世界一流水平。

据悉,在碳纤维复材的整体成型技术方面,中航复材拥有9台先进热压罐设备,具备30米长筒型和壁板型、盒段型构件的整体成型制造能力。在技术储备上,中航复材已配合设计研制了多个型号的翼面/机身加筋壁板、多墙整体化壁板/盒段、全高度蜂窝整体舵面,实现了小批或批量生产,在某型隐身无人机和歼10B战斗机上已经得到应用。在部分相关关键技术上已经达到世界先进水平,中航工业在2010年之后,陆续并购了国外多架复合材料生产企业,加快了中国技术水平的提升,目前,我国已经开始研制12米和14米以上级别的超大型热压罐设备,力图在短时间内赶上美国整体成型技术的高水平。

此外,中国在树脂基预浸料技术上具有国际先进水平,目前,中航复材具备使用温度从280℃到420℃的多种高温树脂基复材制件的制造能力,并已在某国产先进发动机上,实现了高温复合材料结构的定型生产。总体来说,树脂基材料在碳纤维复材的生产体系中,是我们相对较强的一环。从发展进度来看,中国的树脂基预浸料技术已经超前于整体成型技术和自动铺叠技术的发展,并不会给我国大型军用运输机、第四代战斗机、远程隐身轰炸机等关键项目拖后腿。

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