解決航空航天部件CNC加工中的7個(gè)常見(jiàn)問(wèn)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(wú)需詳細(xì)說(shuō)明，但總的來(lái)說(shuō)，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(guò)程開(kāi)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(wàn)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(jiǎn)單易行的過(guò)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(zhǎng)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(wèn)題的。

為了事先確定去除大量材料是否會(huì)成為問(wèn)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(kù)存體積進(jìn)行比較的 ERMR 應(yīng)大于 30%。如果這兩個(gè)都通過(guò)了測(cè)試，您可以繼續(xù)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和測(cè)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(wèn)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(cè)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(cè)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(guò)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(guò)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(lái)尋找有能力的供應(yīng)商，因此最好盡可能簡(jiǎn)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(wàn)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(zhǎng)，這對(duì)于結(jié)構(gòu)部件或其他大型零件來(lái)說(shuō)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(wèn)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(lái)進(jìn)行后處理。鑄造需要更長(zhǎng)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(jiàn)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(gòu)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(wèn)題。

當(dāng)然，加工后的熱處理有其自身的問(wèn)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(guò)選擇最有效的熱處理工藝來(lái)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(guò)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(jiǎn)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(guò)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(gòu)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(gòu)，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(zhǎng)期的挑戰(zhàn)。

為了繞過(guò)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(wèn)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(gòu)留給制造商，因此工程師可以專注于設(shè)計(jì)。

6.采購(gòu)制造商

說(shuō)到采購(gòu)，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(wèn)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(méi)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(kāi)發(fā)復(fù)雜幾何形狀的工藝來(lái)制造幾個(gè)零件的項(xiàng)目。

長(zhǎng)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)。