王資璐

航空材料研制企業(yè)構(gòu)建智能制造體系的探討

王資璐

（中國航發(fā)北京航空材料研究院發(fā)展計劃部，北京 100095）

航空材料研制具有研制周期長、經(jīng)費投入大、工藝流程復雜、材料和結(jié)構(gòu)種類多等特點，其研制企業(yè)具有典型的離散型制造特點。面對中國建設(shè)航空強國的戰(zhàn)略目標及國民經(jīng)濟發(fā)展的迫切需求，傳統(tǒng)的航空材料研制方式和速度已經(jīng)無法滿足航空裝備的發(fā)展需求。通過將航空材料研制與智能制造相結(jié)合，逐層梳理了航空材料研制企業(yè)智能制造體系要素，探討了航空材料研制企業(yè)智能制造體系的構(gòu)建。通過智能制造體系的建立，以期滿足用戶對航空材料產(chǎn)品高品質(zhì)、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(xù)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(shè)思路

先進材料技術(shù)是推動武器裝備發(fā)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(yè)的航空裝備制造領(lǐng)域，先進材料技術(shù)始終引領(lǐng)、支撐著航空裝備的發(fā)展[1]?！耙淮牧希淮w機”正是世界航空發(fā)展史的一個真實寫照[2]。在美國空軍對2025年航空技術(shù)發(fā)展預測分析中，先進材料高居43個系統(tǒng)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(zhàn)和全天候作戰(zhàn)的能力，民用飛機則要求安全性、可靠性、舒適性、經(jīng)濟性、環(huán)保型，航空發(fā)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(jié)果表明，材料和結(jié)構(gòu)件等基礎(chǔ)裝備組成的環(huán)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(fā)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(huán)境下，如何快速響應客戶需求，短時間內(nèi)研制出高品質(zhì)、高可靠性、低成本的航空材料及其產(chǎn)品，這對航空材料研制企業(yè)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

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?lián)Q代，正在不斷逼近、挑戰(zhàn)航空材料 的使用極限。例如，下一代航空發(fā)動機渦輪前溫度大于 1 726.85 ℃，已經(jīng)超過現(xiàn)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(shè)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(jīng)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(chǎn)品性能的穩(wěn)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(shù)、檢測技術(shù)等材料研制全流程。以航空發(fā)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(fā)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(shù)水平最高的航空零部件之一。

1.2 航空材料研制覆蓋產(chǎn)品全生命周期

航空材料及其產(chǎn)品的典型全生命周期流程如圖1所示，基本覆蓋了從設(shè)計到服役維修的全生命周期。在設(shè)計階段，材料研制企業(yè)需要為設(shè)計提供材料數(shù)據(jù)，滿足設(shè)計選材需求；基礎(chǔ)研究階段，重點開展材料基本原理、基礎(chǔ)理論研究，技術(shù)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(shù)等研究，技術(shù)成熟度為4～6級；型號產(chǎn)品研發(fā)階段，重點開展材料試制品工程化制備及性能評價、使用環(huán)境性能測試、零部件裝機考核、穩(wěn)定批產(chǎn)等研究，技術(shù)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(chǎn)品全生命周期流程示意圖

1.3 航空材料及其產(chǎn)品必須經(jīng)過系統(tǒng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)（渦輪葉片雙層壁結(jié)構(gòu)、整體葉盤）或新工藝（增材制造技術(shù)、自適應加工技術(shù)等）。但是這些新材料、新結(jié)構(gòu)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(gòu)針對航空關(guān)鍵材料系統(tǒng)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(shù)研究，如圖2所示，積累了大量試驗數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)航空裝備可靠性、穩(wěn)定性與經(jīng)濟性提供了重要保障[5]。

圖2 航空發(fā)動機材料服役性能“積木式”評價模型

2 航空材料研制企業(yè)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(yè)具備典型的離散型制造特征，具體如下。

產(chǎn)品種類多、批量小。航空材料按用途可分為結(jié)構(gòu)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(shù)十種不同牌號材料。航空裝備中應用的材料涉及數(shù)十種、上百個牌號，不同種材料制備原理、工藝、加工設(shè)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(shù)也不一樣。這就導致了航空材料研制企業(yè)產(chǎn)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(chǎn)混線現(xiàn)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(chǎn)品需求量少，所需固定資產(chǎn)投資規(guī)模大。所以，在綜合性航空材料研制企業(yè)，特別是軍工企業(yè)，普遍存在科研與生產(chǎn)混線 情況。

工藝、設(shè)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(shù)十道工藝流程，研制設(shè)備涉及液壓機、真空焊箱、熔煉爐、熱處理爐、機床等數(shù)十種工藝設(shè)備，生產(chǎn)現(xiàn)場存放有原材料、電極塊、鑄錠、棒坯、鍛坯、鍛件、工裝模具等數(shù)十類物料。

基于離散型特點的航空材料研制企業(yè)普遍存在許多問題，如生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)轉(zhuǎn)換頻繁，產(chǎn)能不足；生產(chǎn)計劃性差，難以有效建立節(jié)拍生產(chǎn)和平衡生產(chǎn)；生產(chǎn)過程控制難度大、影響因素眾多，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量容易出現(xiàn)波動；生產(chǎn)組織復雜，人工管理工作量大；數(shù)據(jù)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(fā)周期長，投入經(jīng)費大。

3 航空材料研制企業(yè)發(fā)展智能制造的必要性

隨著5G、人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展和與制造業(yè)的深度融合，智能制造已經(jīng)成為傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要方向。國外知名航空制造企業(yè)已經(jīng)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(shè)計/制造等方法，采用并行產(chǎn)品定義（CPD）和100%的數(shù)字化預裝配，大量使用CAD/CAM技術(shù)等數(shù)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和先進制造融合，提出了“卓越工廠”建設(shè)模式，通過新一代信息技術(shù)與先進制造技術(shù)及裝備的融合，實現(xiàn)了產(chǎn)品多品種、變批量、跨地域、高效、敏捷生產(chǎn)制造，提高了產(chǎn)品研制生產(chǎn)質(zhì)量，降低了制造成本[7]。

航空裝備是國防科技工業(yè)的核心力量，代表著一個國家工業(yè)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(guī)劃實施的100個重大工程及項目中，航空發(fā)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(xiàn)了國家對加快發(fā)展航空裝備、建設(shè)航空強國的決心和意志。航空裝備的進步與發(fā)展愈發(fā)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(yè)必須要充分借鑒國外標桿企業(yè)的成功經(jīng)驗，系統(tǒng)提升航空材料研制的智能制造水平。

4 航空材料研制企業(yè)智能制造體系建設(shè)思路

根據(jù)材料研制的工藝流程，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況，應逐層梳理智能制造體系要素，構(gòu)建航空材料研制企業(yè)的智能制造體系，如圖3所示。

設(shè)備智能化。由于航空材料研制工藝復雜，研制設(shè)備種類多、關(guān)聯(lián)性不高，單個產(chǎn)品數(shù)量少，無法實現(xiàn)連續(xù)快速制造生產(chǎn)模式。通常，航空材料研制單工序包含一臺核心工藝設(shè)備和若干臺工藝輔助設(shè)備，核心工藝設(shè)備自動化程度較高。為此，應該重點提升核心工藝設(shè)備的智能化水平，包括工藝自動控制、故障自我診斷、生產(chǎn)/質(zhì)量/設(shè)備等數(shù)據(jù)自動采集、工裝模具快換系統(tǒng)等。同時將核心工藝設(shè)備作為工序內(nèi)智能制造的控制中樞，建立與各工藝輔助設(shè)備的聯(lián)系，實現(xiàn)對各工藝輔助設(shè)備的自動化控制和關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集。各工藝間通過智能化的核心工藝設(shè)備搭建智能制造的點陣網(wǎng)絡。

工序精益化。由于部分航空材料研制單位為軍工企業(yè)，固定資產(chǎn)投入主要依賴國家技改項目支持，廠房或生產(chǎn)線通常無法一次性規(guī)劃完整，一般都是圍繞主要工藝設(shè)備多次、分批建設(shè)，因此較難實現(xiàn)整個車間或者整條生產(chǎn)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(nèi)部設(shè)備、物料、工裝模具等的精益布局；②在工序內(nèi)增加工業(yè)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(shè)備的智能管理，實現(xiàn)物料在核心工藝設(shè)備-工藝輔助設(shè)備間、設(shè)備-物料存放區(qū)域間、工序-廠房物流間的智能移動，實現(xiàn)工序內(nèi)的自動化、精益化作業(yè)。

物流自動化。在各工序間采用智能單元化物流技術(shù)、自動物流裝備以及智能物流信息系統(tǒng)搭建智能物流CPS系統(tǒng)，通過物流基礎(chǔ)應用、控制執(zhí)行層應用、生產(chǎn)管理層應用、企業(yè)管理層應用、企業(yè)聯(lián)盟層應用、物流標準體系、信息安全體系等各層級、各系統(tǒng)的全面集成，實現(xiàn)物流業(yè)務的智能協(xié)同[8]。

車間信息化。車間是科研生產(chǎn)任務安排落實的管理部門，應通過MES系統(tǒng)使生產(chǎn)現(xiàn)場具備計劃管理、設(shè)備管理、實時監(jiān)控、庫存物料管理、物流管理等功能，可實時反饋產(chǎn)量、產(chǎn)能、設(shè)備狀態(tài)、質(zhì)量、人員等數(shù)據(jù)，從而提升車間運行管理水平。

圖3 航空材料研制企業(yè)智能制造體系總體建設(shè)思路

企業(yè)網(wǎng)絡化。企業(yè)應該通過科研生產(chǎn)管理系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、OA系統(tǒng)等業(yè)務、流程管理系統(tǒng)，提高網(wǎng)絡化管理能力。建立統(tǒng)一的數(shù)字化綜合協(xié)同管控平臺，打通設(shè)計、工藝、制造及各個管理系統(tǒng)之間的三維數(shù)據(jù)信息鏈，最終達到產(chǎn)品研制、綜合保障和企業(yè)管理全過程的技術(shù)狀態(tài)的高效管控[9]。

過程數(shù)據(jù)化。通過設(shè)備智能化、工序精益化、物流自動化、車間信息化、企業(yè)網(wǎng)絡化五個層級，可以在材料研制企業(yè)內(nèi)部初步形成航空材料研制全過程的“大數(shù)據(jù)”，包括材料性能、工藝參數(shù)、質(zhì)量、服役評價性能、生產(chǎn)、設(shè)備等各種類型數(shù)據(jù)，為后續(xù)設(shè)計單位選材使用、材料研制單位開展材料仿真模擬提供數(shù)據(jù)支持。

材料研制仿真化。一般航空材料的研制既要生產(chǎn)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(fā)周期長、研制經(jīng)費投入多，投入產(chǎn)出比較低。通過仿真與試驗測試的結(jié)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(fā)成本。

數(shù)據(jù)標準化。為促進航空材料產(chǎn)品行業(yè)的協(xié)同發(fā)展，形成基于航空裝備流程化、社會化協(xié)作的智能制造生態(tài)體系，應對產(chǎn)品全生命周期各階段間和智能制造系統(tǒng)各層級間的邏輯關(guān)系進行梳理，總結(jié)出標準對技術(shù)的支撐作用，通過制定基礎(chǔ)共性標準、關(guān)鍵支撐技術(shù)標準、智能運營標準、專業(yè)應用標準四部分智能制造體系結(jié)構(gòu)[10]，進而建立航空材料智能制造標準體系框架，指導行業(yè)間的協(xié)同研發(fā)和智能制造體系建設(shè)。

行業(yè)協(xié)同化。任何一個企業(yè)都不能“包打天下”，航空材料作為過程產(chǎn)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(yè)要加強行業(yè)協(xié)同化研發(fā)能力，面對行業(yè)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(yè)優(yōu)勢技術(shù)和資源。通過“小核心、大協(xié)作、專業(yè)化、開放式”形成航空材料自主研發(fā)體系，構(gòu)建航空材料創(chuàng)新生態(tài)圈。

5 結(jié)語

航空材料研制企業(yè)制造具有典型的離散型特點，通過在航空材料研制企業(yè)建立智能制造體系，一方面可以提升航空材料產(chǎn)品批產(chǎn)的穩(wěn)定性、可靠性，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，縮短研發(fā)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(shù)據(jù)積累，提升航空材料研制企業(yè)的自主正向研制能力，加速航空材料的研制和迭代，持續(xù)支撐航空裝備的自主保障和升級換代。

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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〕