解決航空航天（tiān）部件CNC加工中的7個常（cháng）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（yīn）為給（gěi）定部件故障的後（hòu）果是可怕的。無需詳（xiáng）細說明，但總的來說，每（měi）次都（dōu）需要完美運行。這意（yì）味著每個齒輪都需（xū）要轉動（dòng），每個支架都需要保持在原位，並且它們都需要完美地結合在一（yī）起。

從設計和製（zhì）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（de）公差至關重要，因為（wéi）質量比（bǐ）成本（běn）和交貨時間更重要。這（zhè）就是為（wéi）什麽CNC 加（jiā）工是航空航（háng）天應用（yòng）的理想選（xuǎn）擇。

自動（dòng）化 CNC 加工限製了人為錯誤的可能（néng）性，並實現了這（zhè）種製造方（fāng）法的高（gāo）度精確性。CNC 加（jiā）工速度也很快（kuài），尤其是在加工數量較少的零件時。與消費電子產品不同，並非每個人都有自己的飛（fēi）機供個人使用。例（lì）如，2019 年交付了 1,377 架飛機（jī）。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適合 CNC 加工。

使用 CNC 加工製造的（de）部件

CNC 加工用於製造整個現代飛機的部件，從起落架(支架和扭矩連杆等部件)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（yào）的（de）齒輪、軸（zhóu）和外殼通常是 CNC 加工零（líng）件。最後，特別（bié）是在直升機中，活塞發動機外（wài）殼通常是 CNC 加工的。

用於航（háng）空航天部件的材料

CNC 加工（gōng）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曆（lì）的極端（duān）環境和用（yòng）例需要特殊材料。這些材料包括鈦，特（tè）別是 2 級和 5 級，由於其耐熱（rè）性和強度，可用於發動機部件。然而，鈦是一種昂貴的材料，因此（cǐ）不能用於（yú）飛機的（de）每個部件。

合金鋼，特別是 4340 和 4130，也（yě）用（yòng）於製造航空航（háng）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（fù）荷。4130鋼還具有（yǒu）高抗拉強度，用於齒輪、緊固件和外部部件。鋼的強度成本比，特別是與（yǔ）鈦相比，是有利的，但鋼是一種密度更大、更重的材料，這限製了它在航空航天應用中的使用。與鈦不（bú）同的是，鋼容易腐蝕，因此（cǐ）如果（guǒ）暴露在濕氣中（zhōng），則必須進行塗層處理（lǐ）。

最後，鋁（lǚ）(7075、2024 和 6061)由於其低密度而具（jù）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（fù）載循環(非常適合使用多年的飛機)。鋁 6061 是一種沉澱硬化鋁合金，具有良好（hǎo）的耐腐蝕性，可以在飛機機翼和（hé）機身中找到。鋁7075兼具良好的抗疲（pí）勞性和耐腐蝕性，這導致其在飛機結構部件中（zhōng）的普遍使用。

航空航天製造（zào）的獨特挑戰

在任（rèn）何應（yīng）用中，CNC 加（jiā）工並不總是一個簡單易行的過程，航空航天部件也是如此。以下是製造航（háng）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（báo）壁大型部件（jiàn）

某些部件，例（lì）如發動機或壓縮機外殼，具（jù）有較大的內腔。例如，要製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（liàng）廢料，還（hái）會導（dǎo）致零件產生殘餘應力。這些殘（cán）餘應力會導（dǎo）致變形或翹曲——當您使（shǐ）用嚴格的（de）公差和高標準時，這是有問題（tí）的。

為（wéi）了事先確定去除大量材（cái）料是否會成為問題，您（nín）可以使用一對（duì）公式。您需要同時檢查 IRMR(內部去除材料比率)和 ERMR(外部去除（chú）材料比率)。兩（liǎng）者的（de）公式如下所示。

IRMR 應大於 85%，這表（biǎo）明您已移除不到 15% 的內部（bù）零件（jiàn）體積。將最終零件邊界框體積（jī）與（yǔ）庫存體（tǐ）積（jī）進行比較的（de） ERMR 應大於 30%。如果這兩個（gè）都通過了測試，您可以繼續進行原型設計和測（cè）試。但是（shì），如果這些值中（zhōng）的一個或兩個（gè）超出可接受的限製，您的（de）零件可能難以在公差範圍內（nèi）製造，或（huò）者您可能會遇（yù）到性（xìng）能問題。

在這些情況下，您有幾個選（xuǎn）擇。如果所需的（de）零件數量很少，您可以加工（gōng）一個並對其進行測試，然後如果第一個零件符合（hé）規格，則繼續(並繼續測試每（měi）個零件)。

有時（shí）可（kě）以鑄造這樣的零件，這（zhè）是一種更適合製造薄壁大型（xíng）部件的工藝。通過鑄造，您將浪費更少的材料並減少翹曲。CNC 加工可能仍然是精加工和滿足公差所必需（xū）的。

最後，您可以使（shǐ）用特殊的高性能5 軸 CNC 機床，它對力、功（gōng）率和速度的控製能力更（gèng）強。通（tōng）過使用較低的力、功率和（hé）速度，您可以加工薄壁零件，而不會施（shī）加太大的力（lì）使其變形。此外，您可以使用 ADOC(軸向切（qiē）削深度)或 RDOC(徑向切削深度)對稱地加工零件以分（fèn）散力，從（cóng）而減少殘餘應力。

2.處理複雜的幾（jǐ）何圖形

由於航空航天部件（jiàn）的獨特（tè）需求（qiú），這些部件通常具有複（fù）雜的（de）幾何形狀（zhuàng），以減輕重量，同時最（zuì）大限度地提（tí）高強度（dù）或促進部件表麵的氣流。

然而，有時這些複雜的幾何形狀是不必要的複雜。例如，當內部組（zǔ）件設（shè）計為具有複雜的有機表麵幾何（hé）形狀（zhuàng）時。由於更高的複雜性意味著更多的加工時間，並且可能（néng）需要更多的（de）時間（jiān）來尋找有能力的供應商，因（yīn）此最好盡可能簡化零件設計。

有（yǒu）時，緩解這種情況所需要的隻是促進設計師（shī）和工程師之間（jiān）的可製造性設計 (DFM)。DFM 考慮到製造的局限性，並（bìng）從加工角度考（kǎo）慮設計的可行性、時間和成（chéng）本。這可以幫助工程（chéng）師思考複雜性在哪些方麵是真正必要的，在哪些方麵不那麽重要。例（lì）如（rú），內部組件對氣流並不重要，也不（bú）需要花哨的曲麵。

然而，對（duì）於航空航天應用，複雜的幾何形狀通常是不可避免的，在這（zhè）些情況下（xià），您可以使用 5 軸(或更多（duō）軸)機器。

3.零件尺寸：CNC 限製

最後的零件幾何（hé）挑戰是零件尺寸。飛機是由數（shù）百萬個零件組成的巨大（dà）組件。雖然其中許多零件都很小，但需要一些大型組件。典型的機床床身隻有幾英尺長，這對於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（lì）的供（gòng）應商可能具（jù）有挑戰性。

為了解決這個問題，您需要找到一個新的供應（yīng）商（shāng），該供應商擁有可以處理（lǐ）零件尺寸（cùn）的大型 CNC 機床。否則，您必須重新設計零件以適應。這（zhè）可能涉（shè）及將較大的組件分解成（chéng）較小的（de）部（bù）分。然而，由於組裝多個較小部分需要額外的緊固件，這（zhè）可能會增加整體重量。

另一種可能的解決方案是改變製造方法。鑄造可以一體（tǐ）生產（chǎn）更大的零件，但可能仍需要 CNC 加工來進行後處（chù）理。鑄造需要更長的時間，因為在製造任何零件之（zhī）前都需要模具的設計和（hé）製造。這也使其成（chéng）為小批量零件的 CNC 加工成本效（xiào）益較（jiào）低（dī）的（de）選擇。

4.獲得適當的材料特性

很難（nán）實現（xiàn）航（háng）空航天應用所需（xū）的（de）高度特殊的材料特性。金屬通常需要進行熱處理以達到所（suǒ）需的硬度和強度。熱處理是一種常見的工藝，但也有其自身（shēn）的挑戰。

機加工前的熱處理將使材料顯著更硬（yìng）和（hé）更強（qiáng），因此它可以保持（chí）更嚴格的公差。但是，加工硬化材料更耗時，並（bìng）且更快地（dì）磨損刀具，因此加工成本更高。如果您必（bì）須在加工前進行熱處理，那麽購買由鈦等（děng）較硬材料製成的工具，而不是硬質合金或高（gāo）速鋼，可以幫助改善這些問題。

當然，加工後的熱處理有（yǒu）其自身的問題，因（yīn）為它可能會影響零件的尺寸。這否（fǒu）定了 CNC 工藝的精度，甚至可能使零件超（chāo）出規格。您可以通過選擇最有效的（de）熱處（chù）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（shǐ）用壓力淬火而不是（shì）油淬（cuì）。油淬會使（shǐ）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（chù）理增加的成本和交貨時間。同樣，質量是 CNC 加工的關鍵（jiàn），而獲得這種（zhǒng）質（zhì）量需要（yào）犧牲速度（dù）和成本。在某些情況下（xià），另一種選擇是在硬化過程之後進行少量的最終加工。這使您可以對預硬化（huà）材料進（jìn）行大部分加工（gōng），並完成硬化材料以（yǐ）達到（dào）最終零件所需的公差。

5.采購材料（liào）

但是，在處理或加工（gōng）您的材料之前，您必須找到合適的材料（liào）。高溫合（hé）金和專用塑料可能（néng）難以采購，而且運（yùn）輸成本高（gāo）昂且（qiě）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用的塑料)。由於航空航天組件的特殊需求，航空航天組件總（zǒng）是需要這些材料，因此這（zhè）將是一個長期的挑戰。

為了繞過這（zhè）些限製，航空航天公司可（kě）以利用數字製造生態（tài）係（xì）統 (DME)，例如 Fictiv，它可以訪問大量製造商（shāng）。與 DME 合作意味著製造（zào）合作（zuò）夥伴之（zhī）一更有可能獲得必要的材料（liào）。此外，這將采購留給製造商，因此工程師可以專注於設計。

6.采購製（zhì）造商

說到采（cǎi）購，找到合適的製造合作夥伴（bàn）至關重要（yào）。由於航空航天行業的特殊要求，大多數航空航天公司都要求其製造商和供應商具有（yǒu）AS9100認證。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係並控製質量和安全。

但是，並非所有製造商都擁有（yǒu）此認證，而且很難（nán）找到擁有此認證的製造商。認證費用昂貴且需要時間，而且航空部件的數量（liàng）並不總是值得（dé）的(稍（shāo）後會詳細介紹)。但是數字製造公司可以解決這個問題。他（tā）們更有可能在其廣泛（fàn）的合作夥伴中獲得具有必要認證的供應商。

7.高（gāo）混合、小（xiǎo）批量生（shēng）產

如上所述，飛（fēi）機的生產數（shù）量與其（qí）他實物產品(如消費品或電子（zǐ）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（duō）不同的零件，但它們可能隻需要幾百個或更少的給（gěi）定零件。這被稱為高混合、低（dī）數量的生產（chǎn）。

不幸的是，高混合、低（dī）數量的（de）生產與製造商喜（xǐ）歡做的相反。審查和設置生（shēng）產每個（gè）零件的製造流程需要（yào）時間和精力，因（yīn）此這些（xiē）項（xiàng）目的（de）效（xiào）率和成本效益要低得多。一些製造合作夥伴根本不會承擔需要他們花時間開發複雜幾何形狀的工藝（yì）來製造幾個（gè）零件（jiàn）的項目。

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