中國在航空航天薄壁元件製造上的突破：鏡面銑削技術引領未來

在航空航天工程中，減重與性能直接相關。較輕的機身使飛機能夠飛得更遠，攜帶更多的有效載荷，並消耗更少的燃料。對於火箭來說，每節省一公斤的結構都能轉化為額外的有效載荷送入軌道。然而，使這一切成為可能的組件——大型曲面飛機外殼和火箭油箱底部——必須在保持空氣動力學精度的同時承受極端的應力。

數十年來，製造商依賴化學銑削。這一過程雖然被廣泛使用，但帶來了重大挑戰：低精度、不均勻的壁厚、嚴重的環境污染，以及對鋁-鋰合金等新材料的應用有限。隨著下一代計劃對強度與重量比的要求提高，化學銑削成為了一個障礙，而不是解決方案。

鏡面銑削技術的出現——一種雙五軸加工方法——現在重新定義了薄壁航空航天元件的生產方式。中國在過去十年的持續研究努力，已將這一曾經依賴進口的過程推向了國內創新和大規模應用的領域。

飛機外殼必須結合超輕量的結構與長期的疲勞壽命，而火箭油箱底部必須能夠承受推進劑壓力和發射時的巨大力量。傳統的化學蝕刻（化學銑削）有幾個固有的弱點：

和保持均勻厚度的難度

, 具有高化學廢物和污染

, 使得規模和一致性變得困難

例如鋁鋰

在大直徑零件中

這些問題成為了一個嚴重的瓶頸，限制了飛機和太空載具性能的改進。

鏡面銑削被廣泛認為是五軸加工的“皇冠明珠”。該過程涉及兩個銑頭的同步運動——一個切削頭和一個支撐頭——以鏡像方式工作。實時測量壁厚和自適應支撐可防止弱薄壁部件的變形。

數十年來，這項技術被法國的Dufieux和西班牙的M.Torres等歐洲供應商壟斷。一台12米級的機器曾經售價超過人民幣1.1億元（1500萬美元），通常在限制性合同下出售，禁止轉讓核心技術。

中國的回應是一項長達十年的國家努力。一個包括上海交通大學、Topplus CNC、COMAC、AVIC西安飛機和天津火箭製造的聯盟在整個鏈條上實現了一系列突破——理論、技術、流程和設備。主要成就包括：

這些進展已成功應用於主要項目，如Y-20運輸機、C919客機、中國載人航天計劃以及5米級整體坦克底部的月球任務。

在2017年，上海交通大學和上海拓普數控交付了中國首台國產鏡面銑床，填補了長期以來的空白。這使中國成為繼法國和西班牙之後，世界上第三個掌握該技術的國家。

系統克服了關鍵的技術障礙，例如對超薄結構的阻尼支撐、在線壁厚測量和補償，以及機器動態精度提升。當應用於火箭油箱部分時，壁厚公差相比化學銑削提高了五倍。

這一突破被中國工業和信息化部認可，作為其「重大裝備成就五年進展」的一部分。

研究團隊接著開發了一款3米級垂直雙五軸機器，將鏡面銑削應用從單曲面擴展到雙曲面結構。在天津，他們成功地銑削了一個直徑為3.35米的火箭油箱底部，壁厚僅為1毫米，實現了直徑與厚度的比率為3350:1。

為了克服極端的弱剛性——類比於加工一個“巨型蛋殼”——工程師引入了激光掃描、自動厚度補償和數字變形控制。這使得精確的綠色製造成為可能，並顯著縮短了生產週期。

在上海航天149厂，火箭油箱底部的鏡面銑削工藝經過三年的精煉。精度提高至±0.1毫米，而加工時間從20天縮短至僅6-7天。2023年10月，該工廠慶祝其第100個3米級整體油箱底部的推出，標誌著該技術在批量生產中的成熟。

在2024年，中國再次實現了世界首創——鏡面銑削一個5米直徑的火箭油箱底部。挑戰是巨大的：壁厚均勻性變得更加難以維持，變形風險也隨之增加。工程師設計了一台6米跨的雙頭垂直機器，配備110°同步支撐、增強的實時厚度掃描和升級的夾緊系統。

這一成就標誌著從污染、低精度的化學加工和焊接，全面過渡到清潔、高精度的鏡面加工，用於大型火箭結構。

C919客機需要具有超過波音和空客標準的疲勞壽命的機身外殼，其中許多是由鋁鋰合金製成的。傳統的化學銑削無法滿足這些要求。

在某一時刻，C919供應鏈依賴於進口的鏡面銑床。但當外國設備出現故障時，中國面臨潛在的供應中斷。國內團隊迅速介入，提供了比進口替代品更高精度、更高效率和更大範圍的水平雙五軸鏡面銑床系統。

今天，五條基於國產鏡面銑削的自動化生產線已經安裝，為超過60架飛機提供外殼，確保C919項目的安全可靠生產。

Y-20大型運輸機具有巨大的曲面機身外殼，工程師形容為「金屬薄膜」。這些超大型、超薄的結構在加工過程中極易變形。傳統的CNC設備無法適應。

為了解決這個問題，航空工業中國西安飛機公司及其合作夥伴開發了世界上最大的鏡面銑削機，一個12米的水平雙五軸系統。它實現了對大型外殼的自動化、精確銑削，將曾經是一個關鍵瓶頸的過程轉變為一個穩健的流程。

該設備不僅滿足了性能預期，還超出了預期，為大型曲面皮膚建立了一個完整的工藝和設備系統。它現在支撐著Y-20和C919項目，並被《人民日報》認可為高端機床創新的里程碑。

鏡面銑削的成功已經超越航空航天，擴展到更廣泛的高端機械工具領域。它的影響包括：

系列配置的水平五轴面铣机，用于铝和钛合金

比傳統龍門銑床高四倍

大跨度、超高精度五轴龙门加工民用飞机组件

這些成就不僅確保了在曾經被壟斷的技術中的獨立性，還提高了中國在精密製造方面的全球競爭力。

從3米到5米的油箱底部，從鋁鋰合金到超薄金屬外殼，中國的鏡面銑削計劃已經實現了一系列世界首創。在十多年的努力中，中國團隊在理論、工藝、設備和工業應用方面取得了突破。

該技術現在支持包括C919、Y-20、長征火箭、載人航天飛行和月球探索在內的關鍵國家項目。通過用高精度、綠色鏡面銑削取代化學銑削，中國不僅消除了長期存在的瓶頸，還使自己處於下一代航空航天製造的最前沿。

隨著應用擴展和技術不斷演進，鏡面銑削將發揮更大的作用——幫助中國的航空航天行業達到新高度，同時重塑全球航空航天製造的未來。