解決航空航天部件CNC加工中的7個常見問題

航空航（háng）天部（bù）件CNC加工：概述

航空航天工業與其他工業不同，因為給定部件故障（zhàng）的後果是可怕的。無需詳細說明，但總的來說，每次都需要完美運行。這意味著每個齒輪都需要轉（zhuǎn）動（dòng），每個支架都需要保持在原（yuán）位，並且它們都需要完美地結合在一起。

從設（shè）計和製造過程開始——使用正（zhèng）確的工具和正確（què）的材料。精確配合和保持嚴格（gé）的公差至關重要，因為質量比成（chéng）本和交貨時（shí）間更重要。這就是（shì）為什麽CNC 加工是航空航天應用的理想選擇。

自動化 CNC 加工限製了人為錯誤的可能性，並實現了這種製造（zào）方法的高度精確性。CNC 加工速度也（yě）很快，尤其是在（zài）加工數（shù）量較少的（de）零（líng）件時。與消費電（diàn）子產品不同，並非（fēi）每（měi）個人都有自己的飛機供個（gè）人使用。例如，2019 年交付（fù）了 1,377 架飛機。相比之下，2019 年售出了 4080 萬部 iphoness。飛機的製造數量遠低於消費產品，而這些較低的數量非常（cháng）適合 CNC 加工。

使用 CNC 加工（gōng）製造的部件

CNC 加工（gōng）用（yòng）於製造整個現代飛機的部件，從起落架(支架（jià）和扭矩連杆等部件)到（dào）發動機(壓縮機和渦輪機)。結構部件也可以進行 CNC 加工，例如機身、艙壁和機身的部（bù）件。對運動部件很重要的齒輪、軸和外殼通常是 CNC 加工零件（jiàn）。最後（hòu），特別是在直升機中，活塞發動機外殼通常是 CNC 加工的。

用於航空航天部件的材料

CNC 加工也可以很（hěn）好地處理航空航天部件所需的材（cái）料。飛機、直升機和宇宙飛船所經曆的極端環境和用例需要特殊材（cái）料。這些材料（liào）包括鈦，特別（bié）是 2 級（jí）和 5 級，由於（yú）其耐熱性和強度，可用於發動機部件。然而，鈦（tài）是（shì）一（yī）種昂貴的材料，因此不能用於飛機的每個部件（jiàn）。

合金鋼，特別是 4340 和 4130，也用於製造航空航天（tiān）部件。4340鋼堅韌而堅固，具有很高的潛在硬度，非常適合飛機起落架承受（shòu）的高負荷。4130鋼（gāng）還（hái）具有高抗拉強（qiáng）度，用（yòng）於齒輪（lún）、緊固件和外（wài）部部件。鋼的強度成本比，特別是與鈦相比，是有利的，但鋼是一種密（mì）度更大、更重的材料，這限（xiàn）製了（le）它在航空航天應用（yòng）中的使用。與（yǔ）鈦不同的是，鋼容易腐蝕，因此如果暴露在濕氣（qì）中，則必須進行塗層處理。

最後，鋁(7075、2024 和 6061)由（yóu）於其（qí）低密度而具（jù）有高強度重量比（bǐ）。它也很容易加工——加工速度比鋼快兩（liǎng）到三倍（bèi）。鋁 2024 具有良好的抗疲（pí）勞性，這意（yì）味著它可以承受許多負載循環(非常適（shì）合使用（yòng）多年的飛機)。鋁 6061 是一種（zhǒng）沉澱硬化鋁合金，具有良好的耐（nài）腐蝕性，可以在飛機機翼和機身中找到（dào）。鋁7075兼具（jù）良好的抗疲勞性和耐腐蝕性，這導致其在飛機結構部件中的普遍使用。

航空航天製造的獨特（tè）挑戰

在任何（hé）應用中，CNC 加工並不總是一個簡單易行的過程，航（háng）空航天部件也是如此。以下是（shì）製造航空航天部件時經（jīng）常遇到的七種（zhǒng）不同障礙，以及解決這些障礙的解決（jué）方案。

1.加（jiā）工薄壁大（dà）型部件

某些部件，例如發動機或壓縮機外殼，具有較（jiào）大的（de）內（nèi）腔。例如，要製造直升機葉（yè）片的傳動（dòng）裝置外（wài）殼，CNC 機器必須取出一大塊材料。這需要很長時間，會產生（shēng）大量廢料，還會導致零件產生殘餘應力。這些殘餘應力會導（dǎo）致變形或翹曲——當您使用嚴格的公差和高（gāo）標準時，這是有問（wèn）題的。

為了事先確定去除大量材料是否會成為問題，您（nín）可以使用一對公式。您（nín）需要同時檢查 IRMR(內部去除材料比（bǐ）率)和 ERMR(外部去除材料比率)。兩者的（de）公式如下所示。

IRMR 應大於 85%，這表明您已移除不到 15% 的內部零件體積。將（jiāng）最終零件邊界框體積與（yǔ）庫存體積進（jìn）行比較的（de） ERMR 應大於 30%。如果這兩個都通過了測試，您可（kě）以繼續進行原（yuán）型設計和測試。但是，如果這些值中的一個或兩個超（chāo）出可接受的限製，您的零件可能難以在公差範圍內製造，或者您（nín）可能會（huì）遇到性能問題。

在這些情況下，您有幾個選擇。如（rú）果所需的零件數量很少，您可以（yǐ）加工一個並對其進行測試，然後（hòu）如果第一個零件符合規（guī）格，則繼續(並繼續測試每個零件)。

有時可以鑄造（zào）這（zhè）樣的零件，這是一種更（gèng）適合製造薄壁大型部件的（de）工藝（yì）。通過鑄造（zào），您將浪費更少的材料並（bìng）減少翹曲。CNC 加工可能（néng）仍然是精加工和滿足公差所必需的。

最後，您可以使用特殊的高（gāo）性能5 軸 CNC 機床，它對力、功率和速度的控製能力（lì）更強。通過使（shǐ）用（yòng）較低的（de）力、功率和速（sù）度，您可以加（jiā）工薄壁零件，而不會施加太大（dà）的力使其變形。此外，您可以使用 ADOC(軸（zhóu）向切削深度)或 RDOC(徑（jìng）向切削深度)對稱地加工零件以分散力，從而減少殘餘應力。

2.處理複雜的幾何圖形

由於（yú）航空航（háng）天部件的獨特需求，這些（xiē）部件（jiàn）通常具有（yǒu）複雜的幾何形狀，以減（jiǎn）輕重（chóng）量，同時最大限度地提高強度或促進部件表（biǎo）麵的氣流。

然而，有時這些複雜的幾何（hé）形狀是不必要的複雜。例如，當內部組件設計為具（jù）有複（fù）雜的有機表麵幾何形狀時。由於（yú）更高的複雜性意味著更多的加工時間，並且可能需要更多的時間來尋找有能力的供應商，因（yīn）此最好盡可能簡（jiǎn）化零件設計。

有時，緩解這種情況所需要的隻是促進設（shè）計師和工程師之間的可製（zhì）造性（xìng）設計 (DFM)。DFM 考慮到製造的局限性，並從加工角度（dù）考慮設計的可行性、時間和成本。這可以幫助工程師（shī）思考複雜性在哪些方麵是真正（zhèng）必要（yào）的，在哪些方麵不那麽重要。例如，內部組件對氣流並不重要，也（yě）不需要花哨的曲麵。

然而（ér），對（duì）於航空航天應用，複雜的幾何（hé）形狀通（tōng）常是不（bú）可避免的，在這些情況（kuàng）下，您可以使（shǐ）用 5 軸(或更多軸)機器。

3.零件（jiàn）尺寸（cùn）：CNC 限製

最（zuì）後（hòu）的零件幾何（hé）挑戰是零件尺寸。飛機是由數百萬（wàn）個零件組成的（de）巨大組件。雖然其中（zhōng）許多零件都很小，但需要一些（xiē）大型組件。典型的機床床身隻有幾英尺（chǐ）長，這對於結構部件或（huò）其他大型零件來說是不夠（gòu）的（de）。這意味著要找到具有這種能力的供（gòng）應商可能具有挑戰性。

為了解決這個（gè）問題（tí），您（nín）需要找到一個新的供應（yīng）商，該供應商（shāng）擁有可以處理零（líng）件尺寸的大型 CNC 機床。否則，您必（bì）須重新設計零（líng）件以適應。這可能（néng）涉及將較大的組件分解（jiě）成較小的部分。然而，由於組裝多個較小部分（fèn）需要額外的緊固件，這可能會增（zēng）加整體重量（liàng）。

另一種可能的解決方案（àn）是改變製造方法。鑄（zhù）造可以一體生產更大的零件，但可能仍需要 CNC 加工來進行後處理。鑄造需要更長的時間，因為在製造任（rèn）何（hé）零件之（zhī）前（qián）都需要模具的設計（jì）和製造。這也使其成（chéng）為小批量零件的 CNC 加工成本效（xiào）益（yì）較低的選擇。

4.獲得適當的材料特性

很難實現航空航天應用所需的高度（dù）特殊的材（cái）料特性。金屬通常需要進行熱處理以達到所需的（de）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。

機加工前的熱（rè）處理將使材料顯著更硬和更強，因此它可以保持更嚴格的公差。但是，加工硬化材料（liào）更耗時，並且更快地磨損刀（dāo）具（jù），因此加工成本更高。如果您必（bì）須（xū）在加工前進行熱（rè）處理，那麽購買由鈦等較硬材料製成的工具，而不是硬質合金（jīn）或高速鋼，可以幫助改善這些（xiē）問題。

當然，加工後的熱處理有（yǒu）其自身的問（wèn）題，因為它可能會影響零件的尺寸。這否定了（le） CNC 工藝的精度，甚至可能（néng）使（shǐ）零件超出規格。您（nín）可以通過選（xuǎn）擇最有效的熱處理工藝來緩解這種情況。

回火和時效（xiào）涉及將金屬加熱（rè）到比其（qí）他工藝更（gèng）低的溫度，因此尺寸（cùn）不會（huì）發生太大變化。此外，在熱處理過程結束（shù）時，您（nín）可以使用壓力淬火而（ér）不是油淬。油淬會使材料收縮得更快，從而導致更大的尺寸（cùn）變化。

獲得正確性（xìng）能的最簡單方法是接受加工前熱處理增加的成本（běn）和交貨時間。同樣，質量是 CNC 加工的關鍵，而獲得（dé）這種（zhǒng）質量需要犧牲速度和成本。在某些情況（kuàng）下，另一（yī）種選擇是在（zài）硬化過程之後進行少量的最終加工（gōng）。這使您可以對（duì）預（yù）硬化材料進行大部分（fèn）加工，並完成硬化材料以達到最（zuì）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（zhī）前，您必須找到合適的材料。高溫合金和專用塑料可（kě）能難以采購，而且（qiě）運輸成本高（gāo）昂且耗時。這些材料包括鈦、鎳合金(如鎳銀合金)和 Ultem(一種用於航空航天應（yīng）用的塑料（liào）)。由於航（háng）空航天組件的特殊需求，航空航天組件（jiàn）總是（shì）需（xū）要這些材（cái）料，因此這（zhè）將是一個長期（qī）的挑戰（zhàn）。

為了繞過這些限製，航空航天公司可以利用數字製造生態係統 (DME)，例如 Fictiv，它可以（yǐ）訪（fǎng）問大量製造（zào）商。與 DME 合作意味著製造合作夥（huǒ）伴之一更有可（kě）能獲得必要的材料。此外，這將采購留給（gěi）製造商，因此工程師可以（yǐ）專注於設計。

6.采購製造商

說到采購，找到合適的製造合作夥伴（bàn）至關（guān）重要。由於航空航天行（háng）業的特殊（shū）要求，大多（duō）數航空航天公司都要求其製（zhì）造商和供應商具有AS9100認證（zhèng）。AS9100 以 ISO 9001 為基礎，該標準規範了行業中最重要的質量管理體（tǐ）係並控製質量（liàng）和安全。

但是，並非所有製造商都擁有此（cǐ）認證，而（ér）且很難找到擁有此認證的製造商。認證（zhèng）費用昂貴且需要時間（jiān），而且航空部（bù）件（jiàn）的數量並不總是值得的(稍後會詳細介紹)。但是數字製造公司可以解決這個問題。他們更有可能在其廣泛的合作（zuò）夥伴中獲得具（jù）有必要認（rèn）證的供應商。

7.高混合、小（xiǎo）批量生產（chǎn）

如（rú）上所述，飛（fēi）機（jī）的生產數量與其他（tā）實物產品(如消費品或電子產品)不同。這意味（wèi）著許多航空航天部件沒有大規模生產。飛機需要很多不同的零件，但它們可能隻需要幾百個或更少的給定零件。這（zhè）被稱為高混合、低數量的生產。

不幸的（de）是（shì），高混合、低數量的生產與製造商喜歡做的相（xiàng）反。審查和設置生產每個零件的（de）製（zhì）造流程需要時（shí）間和精（jīng）力，因此這些項目的效率和成（chéng）本（běn）效益要低得多。一些（xiē）製（zhì）造合作夥伴根本不會承擔需要他們（men）花時間開發複雜幾何形狀的工藝來製造幾個零件的項目。

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