解決航空航天部件CNC加工中的7個(gè)常見問題

航空航天部件CNC加工：概述

航空航天工業(yè)與其他工業(yè)不同，因?yàn)榻o定部件故障的后果是可怕的。無需詳細(xì)說明，但總的來說，每次都需要完美運(yùn)行。這意味著每個(gè)齒輪都需要轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)支架都需要保持在原位，并且它們都需要完美地結(jié)合在一起。

從設(shè)計(jì)和制造過程開始——使用正確的工具和正確的材料。精確配合和保持嚴(yán)格的公差至關(guān)重要，因?yàn)橘|(zhì)量比成本和交貨時(shí)間更重要。這就是為什么CNC 加工是航空航天應(yīng)用的理想選擇。

自動(dòng)化 CNC 加工限制了人為錯(cuò)誤的可能性，并實(shí)現(xiàn)了這種制造方法的高度精確性。CNC 加工速度也很快，尤其是在加工數(shù)量較少的零件時(shí)。與消費(fèi)電子產(chǎn)品不同，并非每個(gè)人都有自己的飛機(jī)供個(gè)人使用。例如，2019 年交付了 1,377 架飛機(jī)。相比之下，2019 年售出了 4080 萬部 iPhone。飛機(jī)的制造數(shù)量遠(yuǎn)低于消費(fèi)產(chǎn)品，而這些較低的數(shù)量非常適合 CNC 加工。

使用 CNC 加工制造的部件

CNC 加工用于制造整個(gè)現(xiàn)代飛機(jī)的部件，從起落架(支架和扭矩連桿等部件)到發(fā)動(dòng)機(jī)(壓縮機(jī)和渦輪機(jī))。結(jié)構(gòu)部件也可以進(jìn)行 CNC 加工，例如機(jī)身、艙壁和機(jī)身的部件。對(duì)運(yùn)動(dòng)部件很重要的齒輪、軸和外殼通常是 CNC 加工零件。最后，特別是在直升機(jī)中，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)外殼通常是 CNC 加工的。

用于航空航天部件的材料

CNC 加工也可以很好地處理航空航天部件所需的材料。飛機(jī)、直升機(jī)和宇宙飛船所經(jīng)歷的極端環(huán)境和用例需要特殊材料。這些材料包括鈦，特別是 2 級(jí)和 5 級(jí)，由于其耐熱性和強(qiáng)度，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件。然而，鈦是一種昂貴的材料，因此不能用于飛機(jī)的每個(gè)部件。

合金鋼，特別是 4340 和 4130，也用于制造航空航天部件。4340鋼堅(jiān)韌而堅(jiān)固，具有很高的潛在硬度，非常適合飛機(jī)起落架承受的高負(fù)荷。4130鋼還具有高抗拉強(qiáng)度，用于齒輪、緊固件和外部部件。鋼的強(qiáng)度成本比，特別是與鈦相比，是有利的，但鋼是一種密度更大、更重的材料，這限制了它在航空航天應(yīng)用中的使用。與鈦不同的是，鋼容易腐蝕，因此如果暴露在濕氣中，則必須進(jìn)行涂層處理。

最后，鋁(7075、2024 和 6061)由于其低密度而具有高強(qiáng)度重量比。它也很容易加工——加工速度比鋼快兩到三倍。鋁 2024 具有良好的抗疲勞性，這意味著它可以承受許多負(fù)載循環(huán)(非常適合使用多年的飛機(jī))。鋁 6061 是一種沉淀硬化鋁合金，具有良好的耐腐蝕性，可以在飛機(jī)機(jī)翼和機(jī)身中找到。鋁7075兼具良好的抗疲勞性和耐腐蝕性，這導(dǎo)致其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件中的普遍使用。

航空航天制造的獨(dú)特挑戰(zhàn)

在任何應(yīng)用中，CNC 加工并不總是一個(gè)簡單易行的過程，航空航天部件也是如此。以下是制造航空航天部件時(shí)經(jīng)常遇到的七種不同障礙，以及解決這些障礙的解決方案。

1.加工薄壁大型部件

某些部件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)或壓縮機(jī)外殼，具有較大的內(nèi)腔。例如，要制造直升機(jī)葉片的傳動(dòng)裝置外殼，CNC 機(jī)器必須取出一大塊材料。這需要很長時(shí)間，會(huì)產(chǎn)生大量廢料，還會(huì)導(dǎo)致零件產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致變形或翹曲——當(dāng)您使用嚴(yán)格的公差和高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，這是有問題的。

為了事先確定去除大量材料是否會(huì)成為問題，您可以使用一對(duì)公式。您需要同時(shí)檢查 IRMR(內(nèi)部去除材料比率)和 ERMR(外部去除材料比率)。兩者的公式如下所示。

IRMR 應(yīng)大于 85%，這表明您已移除不到 15% 的內(nèi)部零件體積。將最終零件邊界框體積與庫存體積進(jìn)行比較的 ERMR 應(yīng)大于 30%。如果這兩個(gè)都通過了測試，您可以繼續(xù)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和測試。但是，如果這些值中的一個(gè)或兩個(gè)超出可接受的限制，您的零件可能難以在公差范圍內(nèi)制造，或者您可能會(huì)遇到性能問題。

在這些情況下，您有幾個(gè)選擇。如果所需的零件數(shù)量很少，您可以加工一個(gè)并對(duì)其進(jìn)行測試，然后如果第一個(gè)零件符合規(guī)格，則繼續(xù)(并繼續(xù)測試每個(gè)零件)。

有時(shí)可以鑄造這樣的零件，這是一種更適合制造薄壁大型部件的工藝。通過鑄造，您將浪費(fèi)更少的材料并減少翹曲。CNC 加工可能仍然是精加工和滿足公差所必需的。

最后，您可以使用特殊的高性能5 軸 CNC 機(jī)床，它對(duì)力、功率和速度的控制能力更強(qiáng)。通過使用較低的力、功率和速度，您可以加工薄壁零件，而不會(huì)施加太大的力使其變形。此外，您可以使用 ADOC(軸向切削深度)或 RDOC(徑向切削深度)對(duì)稱地加工零件以分散力，從而減少殘余應(yīng)力。

2.處理復(fù)雜的幾何圖形

由于航空航天部件的獨(dú)特需求，這些部件通常具有復(fù)雜的幾何形狀，以減輕重量，同時(shí)最大限度地提高強(qiáng)度或促進(jìn)部件表面的氣流。

然而，有時(shí)這些復(fù)雜的幾何形狀是不必要的復(fù)雜。例如，當(dāng)內(nèi)部組件設(shè)計(jì)為具有復(fù)雜的有機(jī)表面幾何形狀時(shí)。由于更高的復(fù)雜性意味著更多的加工時(shí)間，并且可能需要更多的時(shí)間來尋找有能力的供應(yīng)商，因此最好盡可能簡化零件設(shè)計(jì)。

有時(shí)，緩解這種情況所需要的只是促進(jìn)設(shè)計(jì)師和工程師之間的可制造性設(shè)計(jì) (DFM)。DFM 考慮到制造的局限性，并從加工角度考慮設(shè)計(jì)的可行性、時(shí)間和成本。這可以幫助工程師思考復(fù)雜性在哪些方面是真正必要的，在哪些方面不那么重要。例如，內(nèi)部組件對(duì)氣流并不重要，也不需要花哨的曲面。

然而，對(duì)于航空航天應(yīng)用，復(fù)雜的幾何形狀通常是不可避免的，在這些情況下，您可以使用 5 軸(或更多軸)機(jī)器。

3.零件尺寸：CNC 限制

最后的零件幾何挑戰(zhàn)是零件尺寸。飛機(jī)是由數(shù)百萬個(gè)零件組成的巨大組件。雖然其中許多零件都很小，但需要一些大型組件。典型的機(jī)床床身只有幾英尺長，這對(duì)于結(jié)構(gòu)部件或其他大型零件來說是不夠的。這意味著要找到具有這種能力的供應(yīng)商可能具有挑戰(zhàn)性。

為了解決這個(gè)問題，您需要找到一個(gè)新的供應(yīng)商，該供應(yīng)商擁有可以處理零件尺寸的大型 CNC 機(jī)床。否則，您必須重新設(shè)計(jì)零件以適應(yīng)。這可能涉及將較大的組件分解成較小的部分。然而，由于組裝多個(gè)較小部分需要額外的緊固件，這可能會(huì)增加整體重量。

另一種可能的解決方案是改變制造方法。鑄造可以一體生產(chǎn)更大的零件，但可能仍需要 CNC 加工來進(jìn)行后處理。鑄造需要更長的時(shí)間，因?yàn)樵谥圃烊魏瘟慵岸夹枰＞叩脑O(shè)計(jì)和制造。這也使其成為小批量零件的 CNC 加工成本效益較低的選擇。

4.獲得適當(dāng)?shù)牟牧咸匦?

很難實(shí)現(xiàn)航空航天應(yīng)用所需的高度特殊的材料特性。金屬通常需要進(jìn)行熱處理以達(dá)到所需的硬度和強(qiáng)度。熱處理是一種常見的工藝，但也有其自身的挑戰(zhàn)。

機(jī)加工前的熱處理將使材料顯著更硬和更強(qiáng)，因此它可以保持更嚴(yán)格的公差。但是，加工硬化材料更耗時(shí)，并且更快地磨損刀具，因此加工成本更高。如果您必須在加工前進(jìn)行熱處理，那么購買由鈦等較硬材料制成的工具，而不是硬質(zhì)合金或高速鋼，可以幫助改善這些問題。

當(dāng)然，加工后的熱處理有其自身的問題，因?yàn)樗赡軙?huì)影響零件的尺寸。這否定了 CNC 工藝的精度，甚至可能使零件超出規(guī)格。您可以通過選擇最有效的熱處理工藝來緩解這種情況。

回火和時(shí)效涉及將金屬加熱到比其他工藝更低的溫度，因此尺寸不會(huì)發(fā)生太大變化。此外，在熱處理過程結(jié)束時(shí)，您可以使用壓力淬火而不是油淬。油淬會(huì)使材料收縮得更快，從而導(dǎo)致更大的尺寸變化。

獲得正確性能的最簡單方法是接受加工前熱處理增加的成本和交貨時(shí)間。同樣，質(zhì)量是 CNC 加工的關(guān)鍵，而獲得這種質(zhì)量需要犧牲速度和成本。在某些情況下，另一種選擇是在硬化過程之后進(jìn)行少量的最終加工。這使您可以對(duì)預(yù)硬化材料進(jìn)行大部分加工，并完成硬化材料以達(dá)到最終零件所需的公差。

5.采購材料

但是，在處理或加工您的材料之前，您必須找到合適的材料。高溫合金和專用塑料可能難以采購，而且運(yùn)輸成本高昂且耗時(shí)。這些材料包括鈦、鎳合金(如鎳銀合金)和 Ultem(一種用于航空航天應(yīng)用的塑料)。由于航空航天組件的特殊需求，航空航天組件總是需要這些材料，因此這將是一個(gè)長期的挑戰(zhàn)。

為了繞過這些限制，航空航天公司可以利用數(shù)字制造生態(tài)系統(tǒng) (DME)，例如 Fictiv，它可以訪問大量制造商。與 DME 合作意味著制造合作伙伴之一更有可能獲得必要的材料。此外，這將采購留給制造商，因此工程師可以專注于設(shè)計(jì)。

6.采購制造商

說到采購，找到合適的制造合作伙伴至關(guān)重要。由于航空航天行業(yè)的特殊要求，大多數(shù)航空航天公司都要求其制造商和供應(yīng)商具有AS9100認(rèn)證。AS9100 以 ISO 9001 為基礎(chǔ)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了行業(yè)中最重要的質(zhì)量管理體系并控制質(zhì)量和安全。

但是，并非所有制造商都擁有此認(rèn)證，而且很難找到擁有此認(rèn)證的制造商。認(rèn)證費(fèi)用昂貴且需要時(shí)間，而且航空部件的數(shù)量并不總是值得的(稍后會(huì)詳細(xì)介紹)。但是數(shù)字制造公司可以解決這個(gè)問題。他們更有可能在其廣泛的合作伙伴中獲得具有必要認(rèn)證的供應(yīng)商。

7.高混合、小批量生產(chǎn)

如上所述，飛機(jī)的生產(chǎn)數(shù)量與其他實(shí)物產(chǎn)品(如消費(fèi)品或電子產(chǎn)品)不同。這意味著許多航空航天部件沒有大規(guī)模生產(chǎn)。飛機(jī)需要很多不同的零件，但它們可能只需要幾百個(gè)或更少的給定零件。這被稱為高混合、低數(shù)量的生產(chǎn)。

不幸的是，高混合、低數(shù)量的生產(chǎn)與制造商喜歡做的相反。審查和設(shè)置生產(chǎn)每個(gè)零件的制造流程需要時(shí)間和精力，因此這些項(xiàng)目的效率和成本效益要低得多。一些制造合作伙伴根本不會(huì)承擔(dān)需要他們花時(shí)間開發(fā)復(fù)雜幾何形狀的工藝來制造幾個(gè)零件的項(xiàng)目。

長鴻精密成立于2006年，是一家專業(yè)的CNC五金零配件、五金外殼，精密陶瓷零件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造及手辦模型制作的企業(yè)，先進(jìn)的CNC加工設(shè)備和專業(yè)的操作團(tuán)隊(duì)，能為客戶提供高質(zhì)量高精準(zhǔn)的加工服務(wù)。