目前，航空領域最主要的一個要求是降低飛機的總重量，從而在不影響相關部件結(jié)構(gòu)和功能的前提下，提高燃料經(jīng)濟性和有效商業(yè)載荷。這些都對航空部件加工構(gòu)成新的挑戰(zhàn)。
還有一個挑戰(zhàn)就是，結(jié)構(gòu)部件和發(fā)動機部件必須通過航空航天工業(yè)界眾所周知的嚴格測試，并具備極強的抗疲勞和耐蠕變性能。這對增強安全性大有裨益，但卻為加工帶來不利影響。諸如耐高溫超級合金（HRSAs）這樣的材料，鎳與鈷含量較高，因而提升了在高溫應用中的性能，但這也意味著導熱性減低，從而加劇了加工過程中刀具的磨損。
另一方面，如果使用像鋁合金這樣的材料進行一般加工時，最終工件的重量只有原來鋁塊的5％- 10％。如此大量材料的去除，會使得工件產(chǎn)生應力，導致從機床中取出時產(chǎn)生翹曲。
航天復合材料加工最近所面對的另一項挑戰(zhàn)是，復合材料已取代相當一部分用于飛機制造的金屬合金。由于不同復合材料機械性能各異，因此要想挑選一種適用于所有復合材料基體的最佳切削刀具，并非易事。在復合夾層材料上，哪怕是“鉆”這樣的簡單操作，也可能變得極其復雜。鑒于加工這類航空航天材料所用的材料和設備成本昂貴，面臨的挑戰(zhàn)往往在于讓加工過程順利進行，避免偏離質(zhì)量控制機制。
鑒于上述挑戰(zhàn)，就讓我們一起來探討該如何規(guī)劃、開發(fā)和實施新的技術，才能滿足航空制造業(yè)的需求。
大中型五軸鋁合金工件的加工
大中型五軸鋁合金工件的生產(chǎn)，主要由于原料的體積巨大，往往需要采用龐大而復雜的數(shù)控機床，這也意味著增加了設置所需的時間，且增加了需要保證控制加工公差這一要素。
同時，由于切割長度更長，刀具壽命往往成為考慮的焦點。因此，數(shù)控程序設計需要考慮到刀具壽命（同時也需考慮長度和時間功能），防止對刀具磨損產(chǎn)生不利影響。再者，必須明智地選擇刀具涂層，以避免由于材料粘黏于切削工具的邊緣而導致災難性故障。要盡可能簡單化加工設置，避免耗費時間。一旦設置好初始加工過程，就只需考慮過程監(jiān)測和控制問題，并在預設的時間內(nèi)完成加工。
準確地加工所有尺寸和幾何形狀的工件
對于尺寸和幾何形狀變化多端的工件，如常規(guī)尺寸的葉輪，正確選擇加工策略和機床至關重要。因此，在加工大型結(jié)構(gòu)部件，如大飛機整流罩時，較為可取的做法是選用工作臺-工作臺結(jié)構(gòu)的五軸機床。使用主軸-主軸式五軸龍門機床同樣具有實際意義。對于大多數(shù)鋁合金工件，高速加工可能是首選策略；但對于某些應以極低速度切削的HRSA工件，就另當別論了。
鋁合金加工vs鈦合金加工
鋁合金早已成為飛機機身結(jié)構(gòu)的首選。然而，在飛機制造中，鈦合金既可用于結(jié)構(gòu)又可用于高溫應用領域。鋁是一種非常易于加工的金屬，而鈦則不然。鋁加工要求低切削深度、高進給和壓縮空氣；而鈦的加工則需要高壓冷卻劑、低進給和連續(xù)切削。此外，切削鋁的刀具應有特殊涂層，并需要非常鋒利并可有效控制斷屑，以免“粘住”；而加工鈦的刀具的幾何形狀應有利于更好地散熱（讓冷卻劑通過），還需要創(chuàng)新的硬質(zhì)涂層，以避免邊緣受損。
至于如何制定刀具軌跡，在加工鋁合金時，制造商通常會取刀具直徑的2倍作為軸向切削深度，以刀具直徑的約20-30％作為徑向切削深度。采用自動擺線通行之類的高速加工策略時，制造商能夠在短時間內(nèi)除去大量的塊體材料。然而，在加工鈦合金時，切削刀具的軸向切削深度往往不超過刀具直徑的1-1.5倍，徑向切削深度通常小于刀具直徑的15％。
值得注意的是，在考慮鈦合金刀具軌跡時，應避免工件上的‘停留時間’，因為這將導致工件局部硬化，并對切削刀具邊緣造成嚴重損傷。除此之外，由于鈦合金是一種‘彈性’材料，因此在加工薄壁件時，應使速度和進給達到最佳狀態(tài)，才能獲得預期的輪廓，這一點至關重要。
在航空航天部件加工中，產(chǎn)量下滑往往是由于過程控制不正確造成的。由于設置不正確、缺乏過程中的驗證工具和人為錯誤，許多昂貴的部件成為次品。為了避免這一問題的發(fā)生，航空航天部件加工企業(yè)需應用適當?shù)募夹g，（圖1）形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，按設定的標準對每一個步驟進行驗證。這可以借助與控制系統(tǒng)保持通信的過程自動化工具來完成。如在機驗證（OMV）、基于攝像頭的缺陷識別系統(tǒng)，以及在線數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)，都是過程控制工具的實例。
圖1：航空航天部件加工企業(yè)需要應用適當?shù)募夹g，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，按設定的標準對每一個步驟進行驗證。
通過軟件優(yōu)化細節(jié)設計并減量
現(xiàn)在，市場上有多種分析工具，可在保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，進行部件重量的優(yōu)化計算。將多次設計迭代導入這樣的系統(tǒng)，經(jīng)過初步的有限元分析（FEA）和有限元法/建模（FEM）之后，即可獲得可供備選的理想設計。
完全修復或更換受損部件的解決方案
一臺機床如果無法切割金屬，就會虧本；停場的飛機亦是如此。為了縮短飛機停場（AOG）時間，必須制定一套程序，以便對損壞零部件進行修復或更換。這些措施包括缺陷識別（目測+無損檢測方法）、缺陷測繪（使用各種攝影測量工具）、自動缺陷虛擬校正（使用CAD工具）、自動缺陷修復（使用包覆工藝和CAM）和驗證（使用電腦CAD進行工件檢測+UVCD/CT技術）。
如果受損部件已無法修復，應用庫存中的新部件進行替換。在線損壞及故障監(jiān)控工具，有助于預估關鍵部件的使用壽命。這些數(shù)據(jù)可以幫助MRO（維護、維修、運行）團隊在部件失效或發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞之前，做好準備。
“可制造性設計” 概念
這一概念意味著，在設計階段本身就應對制造因素的復雜性加以考慮和糾正。有很多因素諸如：模具、夾具和工件夾持方面的要求，一些無法通過實際且經(jīng)濟的方法制造出的工件的特性均應被考慮到。最大程度地降低制造成本，對各行各業(yè)都十分關鍵。航空航天業(yè)界工業(yè)比其它行業(yè)更早地理解并接受了這一理念。通過使用專業(yè)化的產(chǎn)品和過程生命周期管理工具，找出制造成本高的區(qū)域，重新設計并發(fā)現(xiàn)替代設計方案。這雖可能延長設計過程所耗費時間，但可節(jié)省相當客觀的制造時間和成本。
航空航天逆向工程解決方案
對于無CAD數(shù)據(jù)的老式部件，可采用新一代非接觸式掃描工具，對其進行快速、精確的三維數(shù)據(jù)掃描。然后將這種3D“點云數(shù)據(jù)”導入基于CAD的再設計軟件，進行快速重建，這樣可獲取特性豐富的部件，而非呆板的形體。制造工具因此可以自動識別標準功能，有效地使用基于特性/知識的加工方法。新一代CAD類再設計工具比傳統(tǒng)逆向工程方法更受青睞，因為使用過的部件存在的諸多問題，尤其是磨損、局部變形等，都會對傳統(tǒng)的逆向工程CAD模型產(chǎn)生影響。
然而，有了所謂的“再設計”概念，人們可以利用特性識別工具，對邊、圓角、倒角、孔、槽和肋等特征進行更精確的描述，從而避免這些問題，并直接轉(zhuǎn)化為更佳的可制造性，與傳統(tǒng)逆向工程完全不同。
高價值航空航天部件的檢驗
在生產(chǎn)周期的關鍵階段對價格高昂的航空航天部件進行驗證和檢查，是極其重要的。有許多方法可實現(xiàn)這一點，包括非常精確的攝影測量法、接觸探針法和過程中檢驗法。使用非接觸式掃描法的優(yōu)點是，可從部件實體上收集大量3D點位數(shù)據(jù)，并與對應的CAD設計文件比較。這不僅提供了橫截面和GD＆T的尺寸，也考慮了復雜的3D形狀和輪廓，因而可以表達完整的信息。過程中檢驗也節(jié)省大量的重復加工和設置時間，縮短了產(chǎn)品上市的總體時間。
圖2：自適應加工是一項科學技術，可對無已知基準點的機床部件進行識別和定位。
自適應制造
自適應生產(chǎn)是一種靈活的系統(tǒng)，可迅速適應基于來自周邊系統(tǒng)或環(huán)境的實時輸入的條件。在高價值部件修復的前期，可用自適應加工這項科學技術對無已知基準點的機床部件進行識別和定位（如圖2）。一旦這一項工作完成，待加工區(qū)域就被確定下來，加工程序也會自動生成。例如，對于磨損的渦輪機葉片部件，使用自適應制造法和增材制造技術對受損部位進行修復，通常比徹底更換更為經(jīng)濟（如圖3）。這是通過一個線性CAD/CAM過程完成的，該過程可依靠基于CAD的原位檢查技術不斷適應變化。最終得到準確的零件定位、原位激光熔覆和最少空行程加工。
圖3：對于磨損的渦輪機葉片部件，使用自適應制造法和增材制造技術對受損部位進行修復，通常比徹底更換更為經(jīng)濟。
由于諸多技術業(yè)已開發(fā)，我們可從中窺見，在不久的將來，這種技術將會在航空航天工業(yè)上有怎樣的應用。
未來技術發(fā)展趨勢
當前，快速發(fā)展的航空業(yè)正在為其現(xiàn)行生產(chǎn)實踐探索各種替代方法。波音787就是一個以復合材料取代鋁合金制造機身結(jié)構(gòu)的經(jīng)典實例。這對新型飛機設計產(chǎn)生了深遠的影響。
在航空航天工業(yè)，“buy-to-fly”（采購質(zhì)量與飛行質(zhì)量比值）的概念，是用來測量原材料輸入與成品部件大小的比例。這一比率目前通常約為20:1，這就意味著有95％的材料損耗，尤其是像鈦合金這樣的材料。
航空航天工業(yè)正致力于通過研究增材制造來重新構(gòu)建部件制造，它表明對某些材料可以實現(xiàn)小于5:1 的buy-to-fly比，遠比以往更經(jīng)濟。它還允許將自定義功能或配置內(nèi)置于部件中，如果依靠現(xiàn)行的主流制造方法，是無法實現(xiàn)這一點的。
CAM在有效控制機床方面有所創(chuàng)新，從而能優(yōu)化像鈦這般堅韌材料的加工時間。這是由映射機床可以有效處理的最小半徑和最大進給速率、適當?shù)牡毒哕壽E點數(shù)量等來完成的。這個數(shù)據(jù)與以有效工具嚙合角進行創(chuàng)新性高速加工策略相結(jié)合，對于任何給定材料，都能獲得最佳的切割效果。
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