航空航天先进制造理论与技术研究现状及趋势

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31309

Abstract

Abstract:

Advanced manufacturing theory and technology are the cornerstone of technological progress and social development， as well as the foundation for supporting the aerospace industry and national defense construction. They are also the key to promoting innovation in high-end equipment. However， with the development of new materials and new structures， traditional manufacturing techniques are unable to meet the processing requirements of key components in the aerospace industry. Therefore， advanced manufacturing theory and technology have become an important research direction in the aerospace field， experiencing rapid development. This paper first introduces the connotation and characteristics of advanced manufacturing theory and technology in aerospace. Besides， it summarizes the basic principles， application areas， and application material scope of typical advanced manufacturing theories and technologies in the aerospace field， such as high/ultra-high speed machining， precision forming manufacturing， micro and nano machining， atomic and near atomic scale machining， modern special machining， rapid prototyping manufacturing， and green manufacturing. Secondly， the latest research progress in advanced manufacturing theory and technology is summarized， Including high speed and efficient machining technology， high performance composite machining technology， intelligent control machining technology， large scale， miniaturization， and emerging material technology. Then， the main challenges and future development trends faced by current advanced manufacturing theories and technologies are discussed in depth. Subsequently， the engineering application and design manufacturing integration of advanced manufacturing theory and technology are elaborated， and its important position in the aerospace manufacturing field is emphasized. Finally， the frontier fields involved in the new generation of advanced manufacturing theory and technology in aviation and aerospace are analyzed， and the principal development points for the future are clarified， the pivotal development directions are indicated.

Key words: advanced manufacturing theory and technology, precision forming manufacturing, engineering applications, design and production integration, new generation manufacturing technology

CLC Number:

Wenfeng DING, Nian WAN, Biao ZHAO, Yucan FU, Jiuhua XU. Research status and tendency of advanced manufacturing theory and technology in aerospace[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(6): 531309.

Figures/Tables 37

Fig.1

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Table 1

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Table 7

Development history of ultrasonic processing mode［116］

加工模式

加工原理

加工特征

一维超声振动切削

刀尖振动的方向平行于切削速度方向

临界切削速度： $v c = v m a x = 2 π A f$ ，v_c为临界切削速度；A为超声振动单边振幅；f为进给量

水平速度比HSR（horizontal speed ratio）：HSR= $v c 2 π A f$

二维椭圆振动切削

振动方向包含平行于切削速度和切削深度方向的两个分量

HSR<1：为断续切削过程，刀具与工件周期性地分离

HSR≥1：为连续切削过程，刀具与工件不再分离

超声振动加工效果随着HSR的增大逐渐减弱，当HSR>1之后效果消失

超声振动高速切削

突破了传统超声振动的临界切削速度

分离临界条件： $f ≤ 2 A 2 a r c s i n f 2 A ≤ φ ≤ 2 π - 2 π a r c s i n f 2 A$ ，

$φ$ 为相邻两转切削轨迹的相位差5

Table 7

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Fig.19

Table 8

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Table 10

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Table 11

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Fig.25

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工艺类型	成形精度	材料适用范围
高速/超高速加工技术	加工尺寸精度通常可达到10 µm级别表面粗糙度可达到30 nm级别	铝、镍、钛合金；纤维增强塑料；钢；铸铁；铜；高性能陶瓷、陶瓷增强金属基复合材料、纤维增强复合材料；淬硬钢等
精密成形制造技术	加工尺寸精度可达10 nm级别表面粗糙度可达到1 nm级别	硬脆性材料：陶瓷及复合材料等；碳化硅、氧化镓等；塑料：丙烯酸、聚碳酸酯、ABS、PEEK等；碳纤维、玻璃纤维等
微细与纳米加工技术	加工尺寸精度可达10 nm级别表面粗糙度可达1 nm级别	单晶硅、硅及锗等；光敏物质、多晶硅膜、金属膜等；纳米金属材料、陶瓷材料及复合材料等；燃料电池材料等；导电材料等
原子及近原子尺度加工技术	原子级针尖的埃米级（0.1 nm）控制	超导材料、半导体材料等；特种玻璃、晶体材料等；超材料；石墨烯和二硫化钼等；硅、砷化镓等；金属和介电晶体等
现代特种加工技术	加工尺寸精度可达0.01 mm级别表面粗糙度可达0.3~0.1 µm级别	硬质合金和淬火钢等；高脆性材料；热敏材料；耐腐蚀材料；高强钢、复合材料等；工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等
快速原型制造技术	FDM：加工尺寸精度可达0.1~0.3 mm级别 SLA：加工尺寸精度可达0.05 mm级别 3D打印：加工尺寸精度可达0.1 mm级别	塑料材料；尼龙材料；金属材料；陶瓷材料；复合材料：碳纤维增强塑料和玻璃纤维增强塑料；光敏树脂；橡胶材料；其他特殊材料：环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂等热固性树脂等

指标	优点
加工速度	高速/超高速加工的切削速度比传统加工高5~10倍以上，使得单位时间内的材料切除率大幅增加，从而缩短了加工时间，提高了生产效率
加工质量与精度	高速加工时刀具的激励频率远离系统的固有频率，减少工艺系统的受迫振动，保证较好的加工状态。较小的切削深度和宽度保证了刀具和工件的小变形，实现了高精度、低粗糙度的加工
刀具耐用度与切削力	高速/超高速加工至少可降低30%的切削力。较小的切削深度和进给量保证了较小的切削力，减少了对机床和工件的负担。有利于加工刚性较差的零件，减少加工变形
热变形	高速/超高速加工过程中，由于切削速度的提高，切削区域的温度升高，但切屑的快速移除有助于热量的分散，从而减少热变形
加工范围与应用领域	高速/超高速加工技术广泛应用于航空航天领域细长、复杂曲面、薄壁零件以及难加工材料
简化工序	高速/超高速加工可以直接加工淬火后的硬材料，省去了放电加工等后续工序，减少了加工步骤。同时，减少了机床台数和装夹次数，避免了多次装夹带来的精度误差
资源消耗与环保性	高速/超高速加工技术通过减少工序、提高材料利用率等方式，减少了冷却液的使用，降低了资源消耗和废物产生

工艺类型	成形机理	研究方向	应用范围	成形优点
颗粒填料辅助推弯成形	颗粒填料填充于管材，对管材进行塑性成形	推动颗粒填料和管材进入模具，实现薄壁管材的弯曲变形	超薄壁小弯曲半径弯管、超薄壁导管弯头	抑制管坯起皱、减小横截面畸变
楔横轧短流程制坯	发生径向压缩、轴向延伸的局部变形	辊式、单辊弧形式和板式	叶片类零件	低成本；高成形极限、材料利用率、产品性能、成形精度；高模具寿命；成形件流线分布良好
冲击液压成形	冲击波传载到液-固界面后，使板或管型坯料发生塑性变形	固-液-力多场耦合模型；输出精确控制、动态减阻技术	铝合金、钛合金等难变形材料
等温锻造	模具坯料温度相同，锻件在恒定温度下慢速成形	坯料设计、工艺参数设计与模具结构设计	筋板、盘饼、叶片、枝杈等形状复杂的零件
局部加载	仅在工件某个部位施加载荷，不断变换加载的部位来完成成形过程	简单冲头式、垫板式和分模式	尺寸大、薄壁高筋结构的形状特殊的零件
多向模锻	多个方向对坯料施加载荷，成形带多向内空腔或凹凸外形的复杂形状锻件	坯料的多方向载荷施加，实现复杂形状锻件的成形	飞机起落架、球形接头、导弹喷管等零件

工艺类别	特点
原子尺度切削	原子尺度切削是切削加工技术从宏观尺度发展到微米再到纳米尺度的下一阶段，其目的在于对材料去除量进行原子量级的精确控制，可用于实现原子级表面、原子尺度结构和器件加工
原子级抛光	抛光是获得原子级表面的关键技术，目前已经能够实现原子量级的表面粗糙度，而如何进一步做到原子层可控去除是抛光在原子级制造中面临的重大问题
电化学加工	使用探针作为工具电极，将阳极溶解区域限制在纳米尺度范围，显著减小阳极溶解区域大小、提高电解加工精度，近年来在单晶硅、石墨等材料的纳米尺度加工方面取得重要进展
等离子体原子级加工技术	利用了等离子体的化学反应活性，改性降低表面硬度，结合软磨粒抛光去除改性层获得超光滑表面
原子精准操控	通过精准且高效地操控原子并按需形成新物质/材料、功能结构及器件

技术类型	基本原理	加工特征	加工方式	应用领域
激光加工	激光束与物质相互作用，使材料熔化气化	高精度、高效率、应用范围广、无污染成本高、厚度限制	焊接、切割、表面处理、打孔、微加工	金属、塑料、玻璃材料等
电火花加工	工具电极与工件电极间的脉冲放电的电蚀作用	作用力小、自动化程度高、热影响小材料限制、效率低、表面变质、污染重	成形、切割、表面强化、同步共轭回转加工	金属、塑料、陶瓷等高熔点材料
电化学加工	利用金属在电解液中产生阳极溶解	范围广、效率高、损耗低、无切削力精度偏低、设备复杂、环境污染	电解、电磨削、电化学抛光、电镀和电刻蚀	不锈钢、硬质合金、高温耐热合金等
超声波加工	通过悬浮液中磨料对工件表面进行撞击和抛磨	高精度质量、磨损小、操作方便效率低、厚度限制	穿孔、切割、焊接、套料和抛光加工	各种脆硬、硬质金属等材料
水射流加工	利用高速射流的动能对工件进行加工	无热损伤与机械应力、高精度、高效率成本高、能耗大、加工效率低、技术复杂	切割、清洗、打磨加工	金属、石材、玻璃、塑料等材料
电子束/离子束加工	利用带电粒子对工件材料的冲击作用	非接触加工、范围广、高精度、污染少成本高、环境苛刻	刻蚀、切割、焊接、热处理；镀膜、注入	硅片、金属、陶瓷等硬质材料

Research status and tendency of advanced manufacturing theory and technology in aerospace

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特种加工的具体应用	加工效率的提升	加工质量的提升
机翼的襟翼、机翼紧固件的激光切割加工	高功率激光器的普及，使得激光切割设备不断突破厚度极限，同时提升了切割效率。对于50 mm合金钢板的切割，3×10⁴ W瓦激光切割机效率提高了88%	新型激光切割技术实现了横向精度达到10 nm，深宽比超过15 000 nm深加工。超快激光可实现微米级加工精度，表面粗糙度Ra为0.4 μm
发动机涡轮盘、喷嘴、液压元件的电火花加工	电火花加工的材料去除率通常约为2~30 mm³/min，随着技术创新和工艺优化，这一速率得到不断地提升	电火花加工的精度可高达±0.005 mm
机身蒙皮、机翼的壁板	超声波切割技术能够显著降低所需的切割力，并最大限度地减少了对复合材料结构的损伤。在切割碳纤维部件时，有助于保持纤维的结构完整性，确保机械性能不受影响	超声波加工可以实现高达±1 µm的加工精度
内饰板、座椅和行李箱的水射流切割加工	水射流切割的非热特性意味着这些材料不存在变形或弱化的风险，同时通过优化工艺参数，有效提升加工效率	水射流加工技术能够实现严格的公差和复杂的设计，其切口宽度较窄，通常为0.08~0.25 mm
航空结构的电子束打孔微细加工	电子束的能量密度高，因而加工生产效率很高，每秒钟可以在2.5 mm厚的钢板上钻50个直径为0.4 mm的孔	电子束加工能够实现精度为1~0.1 µm的加工

技术类型	基本原理	成型特点	应用范围
光固化立体造型	基于液态光敏树脂的光聚合原理，通过紫外激光逐层扫描固化树脂	技术成熟、应用广、生产周期短、精度高，表面质量好、自动化程度高设备成本高、环境要求高、材料价格贵、成型性能差	光敏性、流动性、稳定性较好的弹性、高韧性树脂等
分层物件制造	利用薄片材料（纸、塑料薄膜）逐层叠加并切割，通过热压粘合	成本低、速度快、无需支撑结构、适合大尺寸工件、过程稳定、精度高材料利用率低、种类有限、成型性能差、后处理复杂	纸、塑料薄膜、金属箔等薄层材料
选择性激光烧结	使用激光束逐层烧结粉末材料（塑料、金属粉末）	材料及结构范围广、利用率高、无需支撑结构、强度高表面质量差、环境污染、设备成本高	塑料粉（尼龙、聚苯乙烯）、陶瓷粉、金属粉及蜡粉等
熔融沉积造型	通过加热熔化丝状材料，逐层挤出并固化	成本低、材料多样、操作简便、环保、个性化定制精度低、表面质量差、材料强度有限、成型速度慢、尺寸受限	塑料、尼龙、聚碳酸酯等
三维打印	通过逐层堆积材料	设计自由度高、开发周期短、材料选择多样、适用于小批量定制化生产尺寸限制、表面质量低、材料成本高	塑料、金属、陶瓷、复合材料等
三维焊接	利用焊接技术逐层堆积金属材料	尺寸或重量不受限制、效率高、废料少，高度自动化成本高、零件尺寸限制、操作复杂	金属粉末、陶瓷粉末等粉末材料

实施步骤		挑战	未来发展
需求分析	明确产品的功能需求、性能要求、市场定位等，收集制造过程中材料选择、工艺流程、成本控制等限制条件	专业能力参差不齐评审方式滞后跨部门协作困难发现问题时机滞后	注重环保材料的使用、能源消耗的优化以及产品生命周期的管理实现远程监控、自动化运行以及更精准的制造过程控制更注重用户需求，以提供更符合用户期望的产品和服务与多学科交叉融合，共同解决复杂的制造问题，促进创新和多元化
制定设计规范	制定产品的功能要求、性能指标、尺寸和形状要求、材料选择、制造工艺等设计规范，为后续工作提供指导
设计优化	在整个设计过程中，不断考虑制造因素，优化设计方案，提升产品的可制造性、降低生产成本、提高生产效率
项目管理与应用	用于产品开发的整个生命周期，从概念设计到生产准备，充分考虑设计原则，以预见并解决潜在的制造问题

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