加工轻质结构材料的柔性生产系统

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轻量化虽不是大潮流，却是-种技术和经济上解决资源短缺和能源环保的有效方法。特别是在汽车制造、船舶制造和飞机制造领域，轻量化具有重要的意义。现在已有许多不同轻质结构材料可以使用：在金属轻质材料方面有铝、镁、钛等；在非金属轻质材料领域有碳纤维、玻璃纤维复合材料和其他传统轻质材料。为了使生产系统能适应新材料的推广应用以及轻结构产品的产业化，需要解决制造模式和加工方法的转变。

1 航空领域中的轻质材料和复合材料1.1 复合材料和钛合金材料的应用在航空工业中，飞机质量是其经济性和环境污染方面必须考虑的重要因素。机身是由桁条、翼梁和蒙皮构建的。在碳纤维增强塑料(CFK)的推广应用过程中，首先聚焦机翼蒙皮的质量减少↑年来，CFK组件在飞机中的比例已经增加到飞机总质量的-半。由于 CFK比例增加，铝材料 比例降低，造成铝和 CFK连接处因电化学的电位差导致腐蚀。飞机的支承结构(如舱壁)与CFK蒙皮直接联接 ，铝和 CFK连接处因电化学的电位差等效腐蚀以及铝与 CFK的热膨胀系数不同的问题，使飞机越来越多地由钛合金制造。基于上述原因，当前和未来飞机中的钛合金用量将会有很大的增长，如空客 A350-XWB新型飞机即其-例，如图 1所示。在同样强度的条件下，5m长的舱壁用钛合金比用铝合金能显著减少质量。

- 传统飞机结构 新型飞机结构图1 飞机的复合材料和钛舍金组件的使用除了已经提到的舱壁和翼梁外，机翼、机壳、机尾和机侧身都有很多的复合材料和钛合金的应用案例。

1.2 对飞机生产系统的能力需求两大飞机制造商最新的长期预测认为，未来若干年飞机需求量将有很大的增长≌客公司(欧洲航空防务和航天集团的子公司)预测，到2030年飞机的需求量大约为28 000架 J，波音公司认为，最近 20年飞机的需求量为 34 000架 j。例如，新型近程(支线)飞机的碟状翼盒”(如图2所示)需求量旺盛。

如果每年生产480架类似飞机，每月就有 160个翼盒，翼盒每件重 1 300kg，这就意味着每月的需求量为208 000kg。生产厂家为了达到这- 目标，每月需要21天 16小时开工，而且需具有 620kg/h的生产能力，但 就 目前的技术而言，仅能达 到12kg/h～55kg/h。从经济性角度看，生产系统合理的生产能力为 100～150kg/h。因此，需要开发轻质材料加工处理的新型生产系统，以确保生产效率能够满足要求。

收稿日期：2013-Ol-o9作者简介：Heiner Lang，男，德国巴符州人 ，MAG-IAS公司首席技术官，博士，主要研究方向为机床设计与制造。