目前，航空領(lǐng)域最主要的一個要求是降低飛機(jī)的總重量，從而在不影響相關(guān)部件結(jié)構(gòu)和功能的前提下，提高燃料經(jīng)濟(jì)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(jī)部件必須通過航空航天工業(yè)界眾所周知的嚴(yán)格測試，并具備極強(qiáng)的抗疲勞和耐蠕變性能。這對增強(qiáng)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(yīng)用中的性能，但這也意味著導(dǎo)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(jìn)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(yīng)力，導(dǎo)致從機(jī)床中取出時產(chǎn)生翹曲。
航天復(fù)合材料加工最近所面對的另一項挑戰(zhàn)是，復(fù)合材料已取代相當(dāng)一部分用于飛機(jī)制造的金屬合金。由于不同復(fù)合材料機(jī)械性能各異，因此要想挑選一種適用于所有復(fù)合材料基體的最佳切削刀具，并非易事。在復(fù)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(fù)雜。鑒于加工這類航空航天材料所用的材料和設(shè)備成本昂貴，面臨的挑戰(zhàn)往往在于讓加工過程順利進(jìn)行，避免偏離質(zhì)量控制機(jī)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(shù)，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(fù)雜的數(shù)控機(jī)床，這也意味著增加了設(shè)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(diǎn)。因此，數(shù)控程序設(shè)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(dǎo)致災(zāi)難性故障。要盡可能簡單化加工設(shè)置，避免耗費(fèi)時間。一旦設(shè)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(yù)設(shè)的時間內(nèi)完成加工。
準(zhǔn)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(jī)床至關(guān)重要。因此，在加工大型結(jié)構(gòu)部件，如大飛機(jī)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(jī)床。使用主軸-主軸式五軸龍門機(jī)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(yīng)以極低速度切削的HRSA工件，就另當(dāng)別論了。
鋁合金加工vs鈦合金加工
鋁合金早已成為飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的首選。然而，在飛機(jī)制造中，鈦合金既可用于結(jié)構(gòu)又可用于高溫應(yīng)用領(lǐng)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(jìn)給和壓縮空氣；而鈦的加工則需要高壓冷卻劑、低進(jìn)給和連續(xù)切削。此外，切削鋁的刀具應(yīng)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(yīng)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(yīng)避免工件上的‘停留時間’，因為這將導(dǎo)致工件局部硬化，并對切削刀具邊緣造成嚴(yán)重?fù)p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(yīng)使速度和進(jìn)給達(dá)到最佳狀態(tài)，才能獲得預(yù)期的輪廓，這一點(diǎn)至關(guān)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(shè)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(yīng)用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，（圖1）形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，按設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)對每一個步驟進(jìn)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(jī)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(yīng)用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，按設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)對每一個步驟進(jìn)行驗證。
通過軟件優(yōu)化細(xì)節(jié)設(shè)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(jìn)行部件重量的優(yōu)化計算。將多次設(shè)計迭代導(dǎo)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(shè)計。
完全修復(fù)或更換受損部件的解決方案
一臺機(jī)床如果無法切割金屬，就會虧本；停場的飛機(jī)亦是如此。為了縮短飛機(jī)停場（AOG）時間，必須制定一套程序，以便對損壞零部件進(jìn)行修復(fù)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(fù)（使用包覆工藝和CAM）和驗證（使用電腦CAD進(jìn)行工件檢測+UVCD/CT技術(shù)）。
如果受損部件已無法修復(fù)，應(yīng)用庫存中的新部件進(jìn)行替換。在線損壞及故障監(jiān)控工具，有助于預(yù)估關(guān)鍵部件的使用壽命。這些數(shù)據(jù)可以幫助MRO（維護(hù)、維修、運(yùn)行）團(tuán)隊在部件失效或發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞之前，做好準(zhǔn)備。
“可制造性設(shè)計” 概念
這一概念意味著，在設(shè)計階段本身就應(yīng)對制造因素的復(fù)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(jì)的方法制造出的工件的特性均應(yīng)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(guān)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(shè)計并發(fā)現(xiàn)替代設(shè)計方案。這雖可能延長設(shè)計過程所耗費(fèi)時間，但可節(jié)省相當(dāng)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(jìn)行快速、精確的三維數(shù)據(jù)掃描。然后將這種3D“點(diǎn)云數(shù)據(jù)”導(dǎo)入基于CAD的再設(shè)計軟件，進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)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(jìn)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(guān)鍵階段對價格高昂的航空航天部件進(jìn)行驗證和檢查，是極其重要的。有許多方法可實現(xiàn)這一點(diǎn)，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(diǎn)是，可從部件實體上收集大量3D點(diǎn)位數(shù)據(jù)，并與對應(yīng)的CAD設(shè)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(fù)雜的3D形狀和輪廓，因而可以表達(dá)完整的信息。過程中檢驗也節(jié)省大量的重復(fù)加工和設(shè)置時間，縮短了產(chǎn)品上市的總體時間。
圖2：自適應(yīng)加工是一項科學(xué)技術(shù)，可對無已知基準(zhǔn)點(diǎn)的機(jī)床部件進(jìn)行識別和定位。
自適應(yīng)制造
自適應(yīng)生產(chǎn)是一種靈活的系統(tǒng)，可迅速適應(yīng)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(fù)的前期，可用自適應(yīng)加工這項科學(xué)技術(shù)對無已知基準(zhǔn)點(diǎn)的機(jī)床部件進(jìn)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(jī)葉片部件，使用自適應(yīng)制造法和增材制造技術(shù)對受損部位進(jìn)行修復(fù)，通常比徹底更換更為經(jīng)濟(jì)（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(shù)不斷適應(yīng)變化。最終得到準(zhǔn)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(jī)葉片部件，使用自適應(yīng)制造法和增材制造技術(shù)對受損部位進(jìn)行修復(fù)，通常比徹底更換更為經(jīng)濟(jì)。
由于諸多技術(shù)業(yè)已開發(fā)，我們可從中窺見，在不久的將來，這種技術(shù)將會在航空航天工業(yè)上有怎樣的應(yīng)用。
未來技術(shù)發(fā)展趨勢
當(dāng)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(fù)合材料取代鋁合金制造機(jī)身結(jié)構(gòu)的經(jīng)典實例。這對新型飛機(jī)設(shè)計產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(yuǎn)比以往更經(jīng)濟(jì)。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(diǎn)的。
CAM在有效控制機(jī)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(jī)床可以有效處理的最小半徑和最大進(jìn)給速率、適當(dāng)?shù)牡毒哕壽E點(diǎn)數(shù)量等來完成的。這個數(shù)據(jù)與以有效工具嚙合角進(jìn)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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