解決航空航天部件CNC加工中的7個常見問題

航空航天部件CNC加工：概述

航空航天工業與其他工業不同，因為給定部件故障的后果是可怕的。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動，每個支架都需要保持在原位，并且它們都需要完美地結合在一起。

從設計和制造過程開始——使用正確的工具和正確的材料。精確配合和保持嚴格的公差至關重要，因為質量比成本和交貨時間更重要。這就是為什么CNC 加工是航空航天應用的理想選擇。

自動化 CNC 加工限制了人為錯誤的可能性，并實現了這種制造方法的高度精確性。CNC 加工速度也很快，尤其是在加工數量較少的零件時。與消費電子產品不同，并非每個人都有自己的飛機供個人使用。例如，2019 年交付了 1,377 架飛機。相比之下，2019 年售出了 4080 萬部 iPhone。飛機的制造數量遠低于消費產品，而這些較低的數量非常適合 CNC 加工。

使用 CNC 加工制造的部件

CNC 加工用于制造整個現代飛機的部件，從起落架(支架和扭矩連桿等部件)到發動機(壓縮機和渦輪機)。結構部件也可以進行 CNC 加工，例如機身、艙壁和機身的部件。對運動部件很重要的齒輪、軸和外殼通常是 CNC 加工零件。最后，特別是在直升機中，活塞發動機外殼通常是 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、直升機和宇宙飛船所經歷的極端環境和用例需要特殊材料。這些材料包括鈦，特別是 2 級和 5 級，由于其耐熱性和強度，可用于發動機部件。然而，鈦是一種昂貴的材料，因此不能用于飛機的每個部件。

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

最后，鋁(7075、2024 和 6061)由于其低密度而具有高強度重量比。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載循環(非常適合使用多年的飛機)。鋁 6061 是一種沉淀硬化鋁合金，具有良好的耐腐蝕性，可以在飛機機翼和機身中找到。鋁7075兼具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。

航空航天制造的獨特挑戰

在任何應用中，CNC 加工并不總是一個簡單易行的過程，航空航天部件也是如此。以下是制造航空航天部件時經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，例如發動機或壓縮機外殼，具有較大的內腔。例如，要制造直升機葉片的傳動裝置外殼，CNC 機器必須取出一大塊材料。這需要很長時間，會產生大量廢料，還會導致零件產生殘余應力。這些殘余應力會導致變形或翹曲——當您使用嚴格的公差和高標準時，這是有問題的。

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

IRMR 應大于 85%，這表明您已移除不到 15% 的內部零件體積。將最終零件邊界框體積與庫存體積進行比較的 ERMR 應大于 30%。如果這兩個都通過了測試，您可以繼續進行原型設計和測試。但是，如果這些值中的一個或兩個超出可接受的限制，您的零件可能難以在公差范圍內制造，或者您可能會遇到性能問題。

在這些情況下，您有幾個選擇。如果所需的零件數量很少，您可以加工一個并對其進行測試，然后如果第一個零件符合規格，則繼續(并繼續測試每個零件)。

有時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 機床，它對力、功率和速度的控制能力更強。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)對稱地加工零件以分散力，從而減少殘余應力。

2.處理復雜的幾何圖形

由于航空航天部件的獨特需求，這些部件通常具有復雜的幾何形狀，以減輕重量，同時最大限度地提高強度或促進部件表面的氣流。

然而，有時這些復雜的幾何形狀是不必要的復雜。例如，當內部組件設計為具有復雜的有機表面幾何形狀時。由于更高的復雜性意味著更多的加工時間，并且可能需要更多的時間來尋找有能力的供應商，因此最好盡可能簡化零件設計。

有時，緩解這種情況所需要的只是促進設計師和工程師之間的可制造性設計 (DFM)。DFM 考慮到制造的局限性，并從加工角度考慮設計的可行性、時間和成本。這可以幫助工程師思考復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，內部組件對氣流并不重要，也不需要花哨的曲面。

然而，對于航空航天應用，復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)機器。

3.零件尺寸：CNC 限制

最后的零件幾何挑戰是零件尺寸。飛機是由數百萬個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。典型的機床床身只有幾英尺長，這對于結構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商可能具有挑戰性。

為了解決這個問題，您需要找到一個新的供應商，該供應商擁有可以處理零件尺寸的大型 CNC 機床。否則，您必須重新設計零件以適應。這可能涉及將較大的組件分解成較小的部分。然而，由于組裝多個較小部分需要額外的緊固件，這可能會增加整體重量。

另一種可能的解決方案是改變制造方法。鑄造可以一體生產更大的零件，但可能仍需要 CNC 加工來進行后處理。鑄造需要更長的時間，因為在制造任何零件之前都需要模具的設計和制造。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.獲得適當的材料特性

很難實現航空航天應用所需的高度特殊的材料特性。金屬通常需要進行熱處理以達到所需的硬度和強度。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，加工硬化材料更耗時，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，而不是硬質合金或高速鋼，可以幫助改善這些問題。

當然，加工后的熱處理有其自身的問題，因為它可能會影響零件的尺寸。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，因此尺寸不會發生太大變化。此外，在熱處理過程結束時，您可以使用壓力淬火而不是油淬。油淬會使材料收縮得更快，從而導致更大的尺寸變化。

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間。同樣，質量是 CNC 加工的關鍵，而獲得這種質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行少量的最終加工。這使您可以對預硬化材料進行大部分加工，并完成硬化材料以達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，而且運輸成本高昂且耗時。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，因此這將是一個長期的挑戰。

為了繞過這些限制，航空航天公司可以利用數字制造生態系統 (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計。

6.采購制造商

說到采購，找到合適的制造合作伙伴至關重要。由于航空航天行業的特殊要求，大多數航空航天公司都要求其制造商和供應商具有AS9100認證。AS9100 以 ISO 9001 為基礎，該標準規范了行業中最重要的質量管理體系并控制質量和安全。

但是，并非所有制造商都擁有此認證，而且很難找到擁有此認證的制造商。認證費用昂貴且需要時間，而且航空部件的數量并不總是值得的(稍后會詳細介紹)。但是數字制造公司可以解決這個問題。他們更有可能在其廣泛的合作伙伴中獲得具有必要認證的供應商。

7.高混合、小批量生產

如上所述，飛機的生產數量與其他實物產品(如消費品或電子產品)不同。這意味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，但它們可能只需要幾百個或更少的給定零件。這被稱為高混合、低數量的生產。

不幸的是，高混合、低數量的生產與制造商喜歡做的相反。審查和設置生產每個零件的制造流程需要時間和精力，因此這些項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承擔需要他們花時間開發復雜幾何形狀的工藝來制造幾個零件的項目。

長鴻精密成立于2006年，是一家專業的CNC五金零配件、五金外殼，精密陶瓷零件設計、生產制造及手辦模型制作的企業，先進的CNC加工設備和專業的操作團隊，能為客戶提供高質量高精準的加工服務。