航空發動機，被譽為“工業之花”，是構成國家實力基礎和軍事戰略的核心技術之一。發達國家在策略上對內優先發展，對外嚴密封鎖。我國航空發動機研制任重道遠，突破關鍵技術、走自主研制航空發動機之路是我國的必然選擇。本文主要介紹了我國航空發動機產業現狀和數字化制造技術、PDM、PLM、CIMS系統在產業中的應用，并且介紹了相關制約我國航空工業發展的核心技術的發展情況。
一、航空發動機產業的主要特點以及瓶頸技術
從發達國家航空發動機產業發展歷程看，航空發動機產業主要有以下特點：

1、航空發動機產業是保持大國地位的核心，是工業強國的象征。

美國政府一直嚴格控制航空發動機技術，不僅對我國保持封鎖，甚至在某些核心技術上也對其歐洲盟友實行“禁運”。在未來 10 ～ 20 年，航空發動機產業仍然占據了美國國防科技戰略的核心位置。同時，發達國家在人力資源方面實行看不見的封鎖，不僅限制其他國家人員進入航空發動機核心研制領域，而且限制本國相關人才向國外轉移，以此來保持產業實力。

2、航空發動機產業需要國家進行長期、穩定的扶持與投入。

航空工業是典型的高技術、高投資、高風險、高附加值和國際化的工業，而航空發動機更是如此，研制周期長、耗資巨大。根據國外經驗，典型的發動機研制周期約為 8~14 年，整個發動機的使用壽命期約為 30 年。研制經費在歷年增長，根據發動機型號大小、研制條件的不同，研制一臺先進的大中型航空渦輪發動機，大致需要 15 億~30 億美元。美國長久以來一直通過國家長期、穩定的大力支持和投入，實施多項超前于具體型號的純粹綜合性技術研究性的中長期研究計劃和短期專項研究計劃，為發動機研制提供了充足的技術儲備，降低了工程研制的技術風險，縮短了研制周期。正是因為這種長時間的巨額投入才保持了美國在航空發動機產業的領先地位。

3、航空發動機的技術門檻很高。
3.1、航空發動機設計之難
在航空式發動機中，最關鍵的壓氣機、燃燒室、渦輪組成發動機的核心機。渦輪驅動壓氣機以每秒上千轉的轉速高速旋轉，進入發動機的空氣在壓氣機中逐級增壓，多級壓氣機的增壓比可達 25 以上。增壓后的空氣進入發動機燃燒室，與燃油混合、燃燒。要保持燃油火焰在以100m/s以上高速流動的高壓氣流中穩定燃燒，同時要保護燃燒室火焰筒壁不被高溫燃氣燒蝕，光靠選擇耐高溫材料和耐熱涂層還不夠，還要通過燃燒室結構設計，采取冷卻手段，降低燃燒室筒壁溫度，保證燃燒室正常工作。從燃燒室出來的高溫、高壓燃氣流驅動渦輪葉片以每分鐘數千轉甚至上萬轉的轉速運轉，通常渦輪前溫度要超過渦輪葉片材料的熔點。除此之外，航空發動機的外部運行環境極其嚴苛，要適應從地面高度到萬米高空缺氧環境、從地面靜止狀態到每小時數千米的超音速狀態和從沙漠干燥環境到熱帶潮濕環境?？傊娇瞻l動機需要在高溫、高寒、高速、高壓、高轉速、高負荷、缺氧、振動等極端惡劣環境下，到達數千小時的正常工作壽命，這就使得航空發動機的研制對結構力學、材料學、氣體動力學、工程熱力學、轉子動力學、流體力學、電子學、控制理論等學科都有極高要求。

下圖為航空發動機復雜的內部結構：

圖1? 國外某型號航空發動機內部結構示意圖

3.2、航空發動機材料之難
發動機最關鍵的是壓氣機、燃燒室和渦輪。特別是渦輪，在工作過程中，現代噴氣發動機的渦輪葉片通常要承受 1600~1800℃的高溫，同時還要承受 300m/s 左右的風速，以及由此帶來的巨大的空氣壓力，在這種極為惡劣的工作環境下可靠工作成千上萬個小時。如此惡劣的工作環境遠遠超出一般金屬材料的能力，為此需要其他特殊的材料。這就是定向凝固高溫合金、單晶、金屬間化合物、金屬基復合材料和陶瓷基復合材料，如碳化硅纖維增強的陶瓷基復合材料，使用溫度可達 1500℃，遠遠超過超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）。

目前中國在航空發動機的材料應用方面與國外的差距非常大，以至于中國民用的發動機全部依賴進口。軍用發動機的材料應用也不甚理想，發動機的平均無故障時間，平均大修時間、平均壽命等關鍵指標與國外仍有較大差距。

航空發動機主軸承是航空發動機的關鍵部件之一，在高速、高溫、受力復雜的條件下運轉，其質量和性能直接影響到發動機性能、壽命和可靠性。目前國外發達國家航空發動機主軸承的壽命均能達到 1 萬小時以上，完全可以滿足大飛機發動機主軸承的壽命需求。而我國目前航空發動機的主軸承壽命基本在 900h 以內，主軸承壽命不如西方 1/10。但近年來我國在航空發動機方面取得了可喜的進展。下圖為2012年9月上海大學自主研發的通過驗收的30厘米長的渦輪單晶葉片，是晶體生長工藝上一次突破，也是我國自主培養的最長一塊單晶葉片，但與國外最先進技術相比，還有5—10厘米的差距。

圖2 我國自主研制的單晶體葉片

3.3、航空發動機制造之難
要讓航空發動機在極端苛刻的工作狀態下保持足夠的強度正常運轉，發動機的制造除了需要新型耐高溫材料外，還需要采用眾多復雜先進的的制造工藝。

航空發動機的制造涉及材料、結構、焊接等眾多難度極高的工業技術。如噴氣式發動機上大量使用高強度材料和耐高溫合金，零部件精度要求達到 μm級，葉片型面復雜，燃燒系統和加力系統薄壁焊接零件多，大量使用定向凝固、粉末冶金、復雜空心葉片精鑄、復雜陶瓷型芯制造、鈦合金鍛造、微孔加工、涂層與特種焊接等先進制造技術。如航空發動機整體葉盤，每個原始毛坯成本約二三十萬，加工到成品要經過幾十道工序、數百次換刀、上千次進退刀。A4 紙大小的整體葉盤葉片最厚2mm，最薄處只有 0.2 ～ 0.3mm，絕不允許有任何瑕疵。再如渦輪葉片需要精細設計制造出多通道空心渦輪葉片，利用氣膜冷卻降低葉片表面溫度，以便發動機上葉片在極端苛刻的工作環境下滿足發動機工作的需要。

二、我國航空發動機制造業的現狀及發展
?航空發動機零部件制造過程一直是新技術、新工藝應用的重點領域，同時也是對技術更新有迫切要求的行業。航空發動機零部件數字化制造技術涉及 CAD/CAM 技術、數控設備、產品數據管理、信息集成等諸多技術內容，其核心是產品數據的數字化表達、存儲和交換，基本平臺是計算機網絡、數字化設備，基本方式是協同、并行和集成。數字化工藝設計、數控加工技術、虛擬制造技術、智能控制技術以及企業資源數據管理技術等構成了產品研制協同設計制造過程中的基礎支撐技術。

近年來，CAD/CAM/CAE 技術、高性能數控機床及控制系統應用的不斷深入，推動了航空發動機產品數字化制造技術的發展，從根本上改變了傳統的工藝設計和制造模式，數字化制造已經成為提高航空發動機制造企業制造能力和研制能力的重要手段之一。

1、我國航空發動機精益生產的狀況及發展

1.1 、我國航空發動機企業精益生產現狀
??? 近年來，國內航空產品的型號任務大幅增加，給企業帶來收益的同時，也暴露出相關發動機生產企業在精益生產方面的問題，現以我國航空發動機制造商黎明公司和國外著名軍用發動機制造商普拉特惠特尼公司為例，比較二者精益生產方面的差距：

（一）組織模式的差距
??? 普惠公司是專業化發動機企業，而黎明公司按照當年原蘇聯模式建立起來的發動機工廠，是“大而全”的模式。

（二）自制零件數量的差異
??? 1995 年經過第二次精益之后的普惠公司有 3 萬員工，只有 2000 多種自制零件。而黎明公司只有 5000 名員工，卻有萬余種自制零件。

（三）資源布置方式的差異
??? 我國航空發動機企業大多是集群式的組織模式，流水生產線正在建設之中，大多沒形成能力，而且建立起來的生產線由于只是局部的流水線，局部效率雖有所提升，但對整體的精益貢獻不大。

（四）生產效率的差異
第二次精益生產改革完成后，普惠公司供貨周期降為 4 個月以內，庫存降低了 70%，質量問題減少 50%，零件成本降低了 20%。黎明公司供貨周期為 6~8 個月，庫存占用巨大，存貨費用居高不下，質量問題頻發，制造成本非常高。
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1.2、我國航空發動機生產企業的精益生產途徑
基于航空發動機企業目前的狀況，比照目標企業普惠公司，我國航空發動機企業推進精益生產的方法和途徑：

（一）堅持產品專業化是推進精益生產的前提
??? 航空發動機企業必須走專業化之路，這是推進精益生產的前提。最簡單的道理可以說明，每一個零件的精益制造都會需要大量的工裝夾具，2000 個零件和 10000 個零件之間的差距不是 8000那么簡單，而是 8000 的十倍以上，沒有專業化想推進精益是不可能的。

（二）實行生產布局流水化是推進精益生產的基礎
以產品價值流為導向，優化產品生產流程，改變過去生產單位集群式組織模式，成立按價值流、物流和信息流流動方向設置的若干條流水線，使產品在盡量短的流水線內封閉，流水線對承制產品的交付負責，實現零件生產的流水化推進，并最大限度地推進“單件流”。將負責技術、準備的相關人員分別配到生產線上，支持生產線運行，既可以保證價值流和物流的通暢，又可以減少信息流的阻滯，降低了管理難度。

“生產流水化”、“班組單元化”是普惠公司 1985 年開始的做法，黎明公司從2010年開始實施，并結合公司科研多、批產少的特點，提出“科研獨立化”，在進一步提高現有設備使用效率和補充部分資源的條件下，局部實現科研和批產分線。實施兩年來取得了顯著效果，產能提升了一倍多。

（三）抓好生產準備精細化是推動精益生產的關鍵
精益生產的核心在理念，但最關鍵的是生產準備。樹立精益理念，優化工藝流程。工藝流程優化就是要樹立精益理念，以提高整體效率為目的，對單道工序用時太短的要合并，單道工序用時太長的要增效，加工難度大的工序要靠工裝或設備保證質量，減少“短板”和“瓶頸”，以保證各道工序的均衡化。

（四）加快生產管理信息化是推進精益生產的手段
??? 我國航空發動機生產系統中存在的最大問題是信息流不暢，因為手段落后，信息不準、信息延遲、不能共享等問題大量存在。必須加快推進 ERP、MES、PDM、條碼等信息化系統的應用。這些信息系統的應用要在集成和本企業化上下功夫，進行二次開發，對推進精益生產意義重大。

2、基于 MBD 技術的數字化工藝及其應用
?MBD（Model Based Definition），即基于模型的工程定義，是一個用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息的方法體，它詳細規定了三維實體模型中產品尺寸、公差的標注規則和工藝信息的表達方法。MBD改變了由三維實體模型來描述幾何形狀信息，而用二維工程圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息的分步產品數字化定義方法。

MBD 設計數據主要包括幾何模型、注釋和屬性3部分。具體分解為零件的幾何模型、零件的尺寸和公差標注、零件結構樹幾何定義部分、零件結構樹標注定義部分、關鍵特征的標注、零件的注釋說明、零件加工工藝過程所必須提供的產品描述性定義信息和裝配連接定義。

MBD 設計數據是建立在能夠準確表達設計理念的基礎之上的，一方面，能夠直接獲取的數據信息包括模型、注釋和屬性信息，這些數據信息必須建立在相關標準體系完善的前提下，才能夠被工藝設計直接引用；另一方面，工藝設計需要完整的數據信息，由于 MBD 數據有大量的未注幾何信息，需要定義或制定相應規則加以約束，這樣才能保證 MBD 數據的唯一性，而這些數據只能通過提取、分析、查詢等技術手段間接獲取。

因此，必須在準確把握設計思想的基礎上，尋找將 MBD 設計數據轉化為工藝數據的解決方案。涉及的主要技術如下：
·三維模型尺寸和公差標注技術；
·多視圖生成技術；
·加工要求標注技術；
·特征視圖捕獲創建與管理技術；
·附加標準依據信息技術；
·采用零件模型進行三維裝配模型的標注技術。

目前國內航空企業在 MBD 技術應用方面與國外發達航空企業仍然存在很大的差距，主要表現在：
（1）基于 MBD 技術的產品定義工作尚處于探索階段；
（2）以 MBD 為核心的數字化工藝設計和產品制造模式尚不成熟；
（3）三維數模并沒有貫穿于整個產品數字化制造過程中；
（4）MBD 的設計、制造和管理規范還有待完善；
（5）三維數字化設計制造一體化集成應用體系尚未貫通。

下圖為MBD技術在航空發動機管路全三維設計與空間布局的應用：

圖3 航空發動機管路系統全三維設計與空間布局
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3、 我國航空發動機企業的CIMS之路
3.1、 在我國的航空發動機制造行業,FMS應該緩行
航空發動機制造難度之大是眾所周知的。世界上任何一家供應商都無能力單獨向用戶提供適用于航空發動機制造的FMS。國外的航空發動機企業在生產現場至今仍無不采用“數控加工調整工”的操作機制,即對于每批零件,首件數控加工均由調整工人進行,轉入正常生產后方可轉交操作工人進行加工。在這樣的場合下,不要說“無人化”絕對行不通,就是安排有人,但人的素質不夠也是行不通的。
在國外著名航空發動機制造商法國透博梅卡公司和加拿大普惠公司的技術改造中，盡管這兩家公司有相當的實力,但他們都未卷入FMS的浪潮中。因此,國內的航空發動機制造企業在最近10年之內完全可以不做FMS的打算。
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3.2、? CIMS結構應因零部件工藝特點而異
航空發動機的零部件,主要可分為機匣類、盤類、軸類、整體葉輪類和葉片類等。各類零部件的制造對數控設備的需求差別很大。如果我們把整個企業的CIMS視為一個大的框架,那么落實到各類零部件的生產,還必須對CIMS的實際結構細化。

1）、機匣類零件的CIMS結構
??? 對于航空發動機機匣類的零部件,應采用CIMS=CAD/CAM+FMC。FMC是柔性制造單元,它是FMS的初級階段。雖為初級,卻要成熟得多。FMC近來的發展也是十分迅速的,超過了FMS的發展速度。

一方面FMC比FMS成熟,可靠性相對較高,二是因為FMC的管理、操作和編程相對于FMS要容易得多,所以凡是對CNC加工中心機床有經驗的用戶,轉為使用FMC時不會有什么困難。這就為機匣類零部件的外包生產提供了便利
近年來,立臥兩用加工中心,五面加工中心等大有發展,這對于航空發動機機匣加工是甚為有利的。因此,在規劃機匣生產線上的FMC時,應優先考慮以這些功能更齊全、加工范圍更廣闊的CNC機床為FMC的集成對象

2）、 盤軸類零件的CIMS結構
盤軸類零件加工的主力機床為數控車床,以臥式為主,立式為輔。盤軸類零件的加工安裝,廣泛使用軟爪。軟爪的在線修正和工件在軟爪上的夾持都依賴于正確的操作。要實現這類操作的全自動化,難度很大,也無必要。航空發動機盤軸件多為鈦合金、不銹鋼和高溫合金的,切忌磕碰,大量的薄壁零件更要求操作者謹慎小心地安裝和卸下。但如果以此理由,使數控加工停留在CNC數控車床的單機水平上,則程序的管理和信息的傳遞都不會順暢。因此,有必要使數控加工上升到DNC水平,即對于盤軸類零件應采用CIMS=CAD/CAM+DNC。

在設備類型方面,應著重注意對車削加工中心的選擇。目前,國內的航空發動機制造尚未使用車削加工中心。

3）、 整體葉輪類零件的CIMS結構
整體葉輪包括壓氣機軸流葉輪和離心葉輪,今后還可能發展到熱端部件的葉輪。各類葉輪也可稱為葉片盤。

這類零件的加工特點是材料可加工性差,切削時間長,刀具消耗量大,工件單件價值高,設備需多軸聯動,設備價格昂貴等。加工的基礎設備是4～5軸聯動的數控銑床或加工中心。在生產批量較大時,應考慮采用多主軸的機床。針對走刀時間長,裝卸時間短的特點,應放棄可換工作臺(托盤)的選擇。刀庫容量不必過大,機床之間也不必有多少相互聯系,因此整體葉輪類零件的加工宜采用CIMS=CAD/CAM+CNC。

法國透博梅卡公司和加拿大普惠公司在布置他們的葉輪生產線時,都將三坐標測量機納入了生產現場,普惠公司甚至將刀具修磨的設備都安排在葉輪生產線上。這些做法的目的,都是為了讓現場加工停歇時間盡可能地縮短。葉輪是價格昂貴的零件,JIT(Just-in-time)能獲取很好的經濟效益。

綜上，隨著航空發動機制造的專業化發展，由于零部件之類的不同，航空發動機生產應該采取各自適應的ＣＩＭＳ模式，這樣才能提高專業化水平，提升競爭力。