航空材料研制企業構建智能制造體系的探討

王資璐

航空材料研制企業構建智能制造體系的探討

王資璐

（中國航發北京航空材料研究院發展計劃部，北京 100095）

航空材料研制具有研制周期長、經費投入大、工藝流程復雜、材料和結構種類多等特點，其研制企業具有典型的離散型制造特點。面對中國建設航空強國的戰略目標及國民經濟發展的迫切需求，傳統的航空材料研制方式和速度已經無法滿足航空裝備的發展需求。通過將航空材料研制與智能制造相結合，逐層梳理了航空材料研制企業智能制造體系要素，探討了航空材料研制企業智能制造體系的構建。通過智能制造體系的建立，以期滿足用戶對航空材料產品高品質、高可靠性、低成本、短周期等需求，促進航空材料的自主正向研制，持續支撐航空裝備的自主保障和升級換代。

航空材料；離散型制造；智能制造體系；建設思路

先進材料技術是推動武器裝備發展的決定性因素，也是推動人類社會進步的動力。在代表高端制造業的航空裝備制造領域，先進材料技術始終引領、支撐著航空裝備的發展[1]。“一代材料，一代飛機”正是世界航空發展史的一個真實寫照[2]。在美國空軍對2025年航空技術發展預測分析中，先進材料高居43個系統的第二位。

航空裝備的工作條件十分復雜。就飛機而言，軍用飛機要求提高機動性、超視距空戰和全天候作戰的能力，民用飛機則要求安全性、可靠性、舒適性、經濟性、環保型，航空發動機要求大推比和長壽命。追根溯源，這都對航空材料提出了耐高溫、高比強、抗疲勞、耐腐蝕、長壽命和低成本等更為苛刻的要求[3]。航空裝備故障與事故分析結果表明，材料和結構件等基礎裝備組成的環境失效是造成裝備整體失效的主要因素，輕則導致飛機提前返廠檢修，重則發生機毀人亡的重大事故[4]。因此，在競爭日益激烈、要求日趨嚴格的環境下，如何快速響應客戶需求，短時間內研制出高品質、高可靠性、低成本的航空材料及其產品，這對航空材料研制企業提出了嚴峻的挑戰。

1 航空材料研制的特點

1.1 航空材料研制流程長、工藝復雜

航空裝備的更新換代，正在不斷逼近、挑戰航空材料 的使用極限。例如，下一代航空發動機渦輪前溫度大于 1 726.85 ℃，已經超過現有單晶高溫合金等熱端部件使用材料的耐溫極限，必須通過冷卻設計等方式才能滿足要求。民航某些機型的飛機小時壽命已經逼近8萬h，使用年限可達25～30年，飛機的安全可靠某種程度上取決于航空材料及其產品性能的穩定性和可靠性。為充分掌握材料的“秉性”，航空材料的研制通常包括原材料、材料性能、制備工藝、加工技術、檢測技術等材料研制全流程。以航空發動機用單晶渦輪葉片研制為例， 其全流程加工工序近90道，修理工序40多道，是目前航空發動機零部件中制造工序最多、工藝最復雜、周期最長、合格率最低、核心技術水平最高的航空零部件之一。

1.2 航空材料研制覆蓋產品全生命周期

航空材料及其產品的典型全生命周期流程如圖1所示，基本覆蓋了從設計到服役維修的全生命周期。在設計階段，材料研制企業需要為設計提供材料數據，滿足設計選材需求；基礎研究階段，重點開展材料基本原理、基礎理論研究，技術成熟度為1～3級；應用研究階段，重點開展材料性能評價、加工工藝、試驗驗證技術等研究，技術成熟度為4～6級；型號產品研發階段，重點開展材料試制品工程化制備及性能評價、使用環境性能測試、零部件裝機考核、穩定批產等研究，技術成熟度為7～9級；服役維修階段，重點開展零部件修復、再制造過程中的材料研究。

圖1 航空裝備材料產品全生命周期流程示意圖

1.3 航空材料及其產品必須經過系統性的考核驗證

為了提高航空裝備推重比、減重、降低成本，航空材料產品研制過程中不可避免地會采用新材料（復合材料、金屬間化合物等）、新結構（渦輪葉片雙層壁結構、整體葉盤）或新工藝（增材制造技術、自適應加工技術等）。但是這些新材料、新結構或新工藝的引入，又給航空裝備的運行安全帶來了風險。美國國家航空航天局（NASA）、通用公司（GE）和普惠公司（P&W）等機構針對航空關鍵材料系統性地開展了“標準試樣—元件—模擬件—全尺寸零件”的“積木式”評價技術研究，如圖2所示，積累了大量試驗數據，為實現航空裝備可靠性、穩定性與經濟性提供了重要保障[5]。

圖2 航空發動機材料服役性能“積木式”評價模型

2 航空材料研制企業制造能力特點及存在問題

由于航空材料研制的特點和要求，航空材料研制企業具備典型的離散型制造特征，具體如下。

產品種類多、批量小。航空材料按用途可分為結構材料和功能材料；按種類可分為高溫合金、鈦合金、復合材料、涂層材料、橡膠材料等；每種材料又分為不同材料牌號，如鈦合金又可分為TB6、TC4、TA19等數十種不同牌號材料。航空裝備中應用的材料涉及數十種、上百個牌號，不同種材料制備原理、工藝、加工設備等均有所不同；同種材料即使工藝路線大致相同，但不同牌號材料的具體工藝參數也不一樣。這就導致了航空材料研制企業產品具有種類多、批量小的特點。

制造管理存在科研試制與批量生產混線現象。航空材料研制流程長、工藝復雜，牌號種類多，每種牌號材料產品需求量少，所需固定資產投資規模大。所以，在綜合性航空材料研制企業，特別是軍工企業，普遍存在科研與生產混線 情況。

工藝、設備、物料存在多樣性。以航空鈦合金研制為例，其研制流程涉及原材料篩選、電極制備、鑄錠熔煉、棒材開坯鍛造、鍛坯等溫鍛造、機加工、熱處理、檢驗/探傷等數十道工藝流程，研制設備涉及液壓機、真空焊箱、熔煉爐、熱處理爐、機床等數十種工藝設備，生產現場存放有原材料、電極塊、鑄錠、棒坯、鍛坯、鍛件、工裝模具等數十類物料。

基于離散型特點的航空材料研制企業普遍存在許多問題，如生產效率低、生產轉換頻繁，產能不足；生產計劃性差，難以有效建立節拍生產和平衡生產；生產過程控制難度大、影響因素眾多，生產過程和產品質量容易出現波動；生產組織復雜，人工管理工作量大；數據積累、傳遞不充分，可追溯性差等；材料試制、試驗考核過程多，研發周期長，投入經費大。

3 航空材料研制企業發展智能制造的必要性

隨著5G、人工智能、云計算、物聯網等信息技術的發展和與制造業的深度融合，智能制造已經成為傳統制造業轉型升級的主要方向。國外知名航空制造企業已經通過實施智能制造取得了顯著成效。波音公司在B777和B787研制過程中，采用并行工程和虛擬設計/制造等方法，采用并行產品定義（CPD）和100%的數字化預裝配，大量使用CAD/CAM技術等數字化制造模式，研制周期縮短了30%，研制成本降低了50%[6]。GE公司將“工業互聯網”和先進制造融合，提出了“卓越工廠”建設模式，通過新一代信息技術與先進制造技術及裝備的融合，實現了產品多品種、變批量、跨地域、高效、敏捷生產制造，提高了產品研制生產質量，降低了制造成本[7]。

航空裝備是國防科技工業的核心力量，代表著一個國家工業實力的先進水平。中國航空裝備研制水平距離國際先進水平仍有一定差距。在“十三五”規劃實施的100個重大工程及項目中，航空發動機及燃氣輪機位列榜首，大飛機研制位列第二十四位，充分體現了國家對加快發展航空裝備、建設航空強國的決心和意志。航空裝備的進步與發展愈發依賴新材料、新工藝，解決航空裝備的問題，材料及工藝更要先行、快行。為此，航空材料研制企業必須要充分借鑒國外標桿企業的成功經驗，系統提升航空材料研制的智能制造水平。

4 航空材料研制企業智能制造體系建設思路

根據材料研制的工藝流程，結合生產現場實際情況，應逐層梳理智能制造體系要素，構建航空材料研制企業的智能制造體系，如圖3所示。

設備智能化。由于航空材料研制工藝復雜，研制設備種類多、關聯性不高，單個產品數量少，無法實現連續快速制造生產模式。通常，航空材料研制單工序包含一臺核心工藝設備和若干臺工藝輔助設備，核心工藝設備自動化程度較高。為此，應該重點提升核心工藝設備的智能化水平，包括工藝自動控制、故障自我診斷、生產/質量/設備等數據自動采集、工裝模具快換系統等。同時將核心工藝設備作為工序內智能制造的控制中樞，建立與各工藝輔助設備的聯系，實現對各工藝輔助設備的自動化控制和關鍵數據采集。各工藝間通過智能化的核心工藝設備搭建智能制造的點陣網絡。

工序精益化。由于部分航空材料研制單位為軍工企業，固定資產投入主要依賴國家技改項目支持，廠房或生產線通常無法一次性規劃完整，一般都是圍繞主要工藝設備多次、分批建設，因此較難實現整個車間或者整條生產線的精益布局。因此，工序精益化較為重要。這里的工序精益化主要包括兩個方面：①各工序內部設備、物料、工裝模具等的精益布局；②在工序內增加工業機器人、自動上料機、桁架機械手等智能裝備，通過核心工藝設備的智能管理，實現物料在核心工藝設備-工藝輔助設備間、設備-物料存放區域間、工序-廠房物流間的智能移動，實現工序內的自動化、精益化作業。

物流自動化。在各工序間采用智能單元化物流技術、自動物流裝備以及智能物流信息系統搭建智能物流CPS系統，通過物流基礎應用、控制執行層應用、生產管理層應用、企業管理層應用、企業聯盟層應用、物流標準體系、信息安全體系等各層級、各系統的全面集成，實現物流業務的智能協同[8]。

車間信息化。車間是科研生產任務安排落實的管理部門，應通過MES系統使生產現場具備計劃管理、設備管理、實時監控、庫存物料管理、物流管理等功能，可實時反饋產量、產能、設備狀態、質量、人員等數據，從而提升車間運行管理水平。

圖3 航空材料研制企業智能制造體系總體建設思路

企業網絡化。企業應該通過科研生產管理系統、PDM系統、ERP系統、OA系統等業務、流程管理系統，提高網絡化管理能力。建立統一的數字化綜合協同管控平臺，打通設計、工藝、制造及各個管理系統之間的三維數據信息鏈，最終達到產品研制、綜合保障和企業管理全過程的技術狀態的高效管控[9]。

過程數據化。通過設備智能化、工序精益化、物流自動化、車間信息化、企業網絡化五個層級，可以在材料研制企業內部初步形成航空材料研制全過程的“大數據”，包括材料性能、工藝參數、質量、服役評價性能、生產、設備等各種類型數據，為后續設計單位選材使用、材料研制單位開展材料仿真模擬提供數據支持。

材料研制仿真化。一般航空材料的研制既要生產大量的半成品、成品用于材料性能研究和工藝性能研究，又要分級開展大量試驗測試，研發周期長、研制經費投入多，投入產出比較低。通過仿真與試驗測試的結合，可以有效聚焦材料研制各階段的研究方向，縮短研制周期，降低研發成本。

數據標準化。為促進航空材料產品行業的協同發展，形成基于航空裝備流程化、社會化協作的智能制造生態體系，應對產品全生命周期各階段間和智能制造系統各層級間的邏輯關系進行梳理，總結出標準對技術的支撐作用，通過制定基礎共性標準、關鍵支撐技術標準、智能運營標準、專業應用標準四部分智能制造體系結構[10]，進而建立航空材料智能制造標準體系框架，指導行業間的協同研發和智能制造體系建設。

行業協同化。任何一個企業都不能“包打天下”，航空材料作為過程產品，最終是通過零件、組件等形式裝配為航空裝備整體。航空材料研制企業要加強行業協同化研發能力，面對行業上游用戶，要明確各階段對材料的需求，并讓用戶充分了解材料的性能和用途。同時要提升自身核心能力，聚集外部配套企業優勢技術和資源。通過“小核心、大協作、專業化、開放式”形成航空材料自主研發體系，構建航空材料創新生態圈。

5 結語

航空材料研制企業制造具有典型的離散型特點，通過在航空材料研制企業建立智能制造體系，一方面可以提升航空材料產品批產的穩定性、可靠性，提高生產效率，降低制造成本，縮短研發周期，滿足用戶需求。更重要的是通過智能制造體系管控和數據積累，提升航空材料研制企業的自主正向研制能力，加速航空材料的研制和迭代，持續支撐航空裝備的自主保障和升級換代。

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［4］駱晨，劉明，孫志華，等.航空結構材料環境適應性研究進展及發展方向［J］.裝備環境工程，2014，11（6）：10-14.

［5］李興無.航空發動機關鍵材料服役性能“積木式”評價技術淺析［J］.航空動力，2020（4）：31-34.

［6］湯文仙.全面提升國防科技工業的智能制造水平 在“中國制造2025”戰略中發揮獨特作用［J］.國防科技工業，2016（3）：23-25.

［7］黃珊，李曉紅.國外典型軍工企業智能工廠建設案例［J］.國防制造技術，2017（4）：4-8.

［8］梁杰.軍工企業智能物流系統研究［J］.智能制造，2017（8）：45-48.

［9］謝穎，王政理.軍工電子企業智能工廠規劃方案淺析［J］.電子世界，2018（16）：5-7.

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V260

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.009

2095－6835（2021）08－0029－03

王資璐（1988—），男，工程師，主要研究方向為航空材料研制與應用研究項目管理。

〔編輯：王霞〕