ماشینکاری CNC برای هوافضا: بررسی اجمالی

ماشینکاری خودکار CNC امکان خطای انسانی را محدود می کند و ماهیت بسیار دقیق این روش تولید را امکان پذیر می کند. ماشینکاری CNC نیز سریع است، به خصوص وقتی صحبت از قطعات در مقادیر کمتر باشد. برخلاف لوازم الکترونیکی مصرفی، همه افراد برای استفاده شخصی خود هواپیما ندارند. به عنوان مثال، در سال 2019، 1377 هواپیما تحویل داده شد. در مقایسه، 40.8 میلیون آیفون در سال 2019 فروخته شد. هواپیماها در مقادیر بسیار کمتری نسبت به محصولات مصرفی ساخته می‌شوند و این مقادیر کمتر به خوبی به ماشین‌کاری CNC کمک می‌کند.

قطعات ساخته شده با استفاده از ماشینکاری CNC

ماشینکاری CNC برای تولید قطعات در هواپیماهای مدرن، از ارابه فرود (اجزائی مانند مهاربندها و پیوندهای گشتاور) تا موتور (کمپرسورها و توربین ها) استفاده می شود. اجزای ساختاری را نیز می‌توان با ماشینکاری CNC، مانند قسمت‌هایی از بدنه، دیواره و بدنه هواپیما انجام داد. چرخ دنده ها، شفت ها و محفظه ها که برای اجزای متحرک مهم هستند، معمولاً قطعات ماشینکاری CNC هستند. در نهایت، به طور خاص در هلیکوپترها، محفظه موتور پیستونی به طور کلی ماشینکاری CNC است.

مواد مورد استفاده در قطعات هوافضا

ماشینکاری CNC همچنین برای رسیدگی به مواد لازم برای اجزای هوافضا مجهز است. محیط‌های شدید و موارد استفاده که هواپیماها، هلیکوپترها و سفینه‌های فضایی تجربه می‌کنند به مواد خاصی نیاز دارند. از جمله این مواد می توان به تیتانیوم به ویژه گرید 2 و 5 اشاره کرد که به دلیل مقاومت در برابر حرارت و استحکام برای اجزای موتور استفاده می شود. با این حال، تیتانیوم یک ماده گران قیمت است، بنابراین نمی توان از آن برای هر قسمت از هواپیما استفاده کرد.
تصویر توسطاحمد صالحدرپیکسابای

فولاد آلیاژی ، به ویژه 4340 و 4130، همچنین برای ساخت قطعات هوافضا استفاده می شود. فولاد 4340 سخت و مستحکم است، با سختی پتانسیل بالا، آن را برای بارهای بالا تجربه شده توسط ارابه فرود هواپیما ایده آل می کند. فولاد 4130 همچنین دارای استحکام کششی بالایی است و در چرخ دنده ها، بست ها و اجزای بیرونی استفاده می شود. نسبت استحکام به هزینه فولاد، به ویژه در مقایسه با تیتانیوم، سودمند است، اما فولاد ماده بسیار متراکم تر و سنگین تری است که استفاده از آن را در کاربردهای هوافضا محدود می کند. همچنین برخلاف تیتانیوم، فولاد تمایل به خوردگی دارد، بنابراین اگر در معرض رطوبت قرار گیرد باید پوشش داده شود.

در نهایت، آلومینیوم (7075، 2024، و 6061) به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا به دلیل چگالی کم آن استفاده می شود. ماشین‌کاری آن نیز آسان است - دو تا سه برابر سریع‌تر از فولاد ماشین‌کاری. آلومینیوم 2024 مقاومت خوبی در برابر خستگی دارد، به این معنی که می تواند چرخه های بار زیادی را تحمل کند (ایده آل برای هواپیماهایی که سال ها در حال استفاده هستند). آلومینیوم 6061 یک آلیاژ آلومینیوم سخت شده در اثر بارش است که مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارد و در بال ها و بدنه هواپیما یافت می شود. آلومینیوم 7075 هم مقاومت خوبی در برابر خستگی و هم مقاومت در برابر خوردگی دارد که منجر به استفاده رایج آن در اجزای ساختاری هواپیما شده است.
چالش های منحصر به فرد در تولید هوافضا

ماشینکاری CNC همیشه یک فرآیند ساده و آسان در هیچ برنامه ای نیست و این در مورد قطعات هوافضا نیز صدق می کند. در اینجا هفت مانع مختلف که معمولاً هنگام ساخت اجزای هوافضا با آنها مواجه می‌شویم، همراه با راه‌حل‌هایی برای مقابله با آنها آورده شده است.

ماشینکاری اجزای بزرگ با دیواره های نازک

برخی از قطعات مانند محفظه موتور یا کمپرسور دارای حفره های داخلی بزرگی هستند. به عنوان مثال، برای ساخت محفظه انتقال برای پره های هلیکوپتر، یک دستگاه CNC باید یک بلوک بزرگ از مواد را جدا کند. این کار زمان زیادی می برد، مواد ضایعاتی زیادی ایجاد می کند و همچنین منجر به تنش های پسماند در قطعه می شود. این تنش‌های پسماند می‌توانند منجر به تغییر شکل یا تاب برداشتن شوند - که وقتی با تحمل‌های سخت و استانداردهای بالا کار می‌کنید مشکل‌ساز هستند.
تصویر تاب خوردگی که هنگام ماشینکاری cnc دیوارهای نازک رخ می دهد

برای اینکه از قبل تعیین کنید که حذف مقدار زیادی از مواد مشکل ساز است یا خیر، از یک جفت فرمول می توانید استفاده کنید. شما باید هم IRMR (نسبت مواد حذف شده داخلی) و هم ERMR (نسبت مواد حذف شده خارجی) را بررسی کنید. فرمول های هر دو در زیر نشان داده شده است.

فرمول های ERMR و IRMR

IRMR باید بیشتر از 85٪ باشد که نشان می دهد شما کمتر از 15٪ از حجم قطعه داخلی را حذف کرده اید. ERMR که حجم جعبه محدود کننده نهایی قسمت را با حجم موجودی مقایسه می کند، باید بیشتر از 30٪ باشد. اگر هر دوی این ها تست را پشت سر گذاشتند، می توانید با نمونه سازی و آزمایش به جلو بروید. با این حال، اگر یک یا هر دوی این مقادیر فراتر از حد قابل قبول باشد، ممکن است ساخت قطعه شما در حد تحمل مشکل باشد یا ممکن است با مشکلات عملکردی مواجه شوید.

در این موارد، شما چند گزینه دارید. اگر تعداد قطعات مورد نیاز کم است، می‌توانید یکی را ماشین‌کاری کنید و آن را آزمایش کنید، سپس ادامه دهید (و تست هر قطعه را ادامه دهید) اگر قسمت اول مشخص شد که دارای مشخصات فنی است.

گاهی اوقات می‌توان قطعاتی از این دست را ریخته‌گری کرد، که این فرآیند برای ایجاد اجزای بزرگ با دیواره‌های نازک مناسب‌تر است. با ریخته گری، مواد کمتری را هدر خواهید داد و تاب برداشتن کمتری را تجربه خواهید کرد. ماشینکاری CNC احتمالاً همچنان برای تکمیل و برآورده کردن تلورانس ها ضروری است.

در نهایت می توانید از یک دستگاه CNC 5 محوره با کارایی بالا استفاده کنید که توانایی بیشتری در کنترل نیرو، قدرت و سرعت دارد. با استفاده از نیرو، قدرت و سرعت کمتر، می‌توانید قطعه‌ای را با دیواره‌های نازک بدون اعمال نیروی زیادی که تغییر شکل می‌دهد، ماشین‌کاری کنید. علاوه بر این، می توانید از ADOC (عمق برش محوری) یا RDOC (عمق برش شعاعی) برای توزیع متقارن نیرو در ماشین آلات استفاده کنید و در نتیجه تنش پسماند کمتری ایجاد شود.
برخورد با هندسه های پیچیده

با توجه به نیازهای منحصر به فرد اجزای هوافضا، این قطعات اغلب دارای هندسه های پیچیده ای هستند تا وزن را کاهش دهند و در عین حال قدرت را به حداکثر برسانند یا جریان هوا را بر روی سطح قطعه (#Justflying Things) تقویت کنند.

تصویر توسطدیوید مارکدرپیکسابای

با این حال، گاهی اوقات این هندسه های پیچیده بیهوده پیچیده هستند. به عنوان مثال، هنگامی که یک جزء داخلی با هندسه سطح آلی پیچیده طراحی شده است. از آنجایی که پیچیدگی بیشتر به معنای زمان ماشینکاری بیشتر و به طور بالقوه زمان بیشتر برای یافتن تامین کننده ای است که توانایی ها را داشته باشد، بهتر است تا حد امکان طراحی قطعات را ساده کنید.

گاهی اوقات تنها چیزی که برای کاهش این امر ضروری است، ترویج طراحی برای قابلیت ساخت (DFM) در میان طراحان و مهندسان است. DFM محدودیت‌های تولید را در نظر می‌گیرد و امکان‌سنجی، زمان و هزینه طراحی را از منظر ماشین‌کاری بررسی می‌کند. این می تواند به مهندسان کمک کند تا در مورد جایی که پیچیدگی واقعاً ضروری است و کجا آنقدر مهم نیست فکر کنند. به عنوان مثال، اجزای داخلی برای جریان هوا حیاتی نیستند و به سطوح منحنی فانتزی نیاز ندارند.

با این حال، با کاربردهای هوافضا، هندسه پیچیده اغلب اجتناب ناپذیر است، و در این موارد، می توانید از یک ماشین 5 محور ( یا بیشتر ) استفاده کنید.

اندازه قطعه: محدودیت های CNC

چالش هندسه بخش نهایی، اندازه قطعه است. هواپیماها مجموعه های عظیمی هستند که از میلیون ها قطعه ساخته شده اند. در حالی که بسیاری از این قطعات کوچک هستند، برخی از اجزای بزرگ مورد نیاز هستند. تخت های ماشین معمولی فقط چند فوت طول دارند که برای اجزای ساختاری یا سایر قطعات بزرگ کافی نیست. این بدان معناست که یافتن تامین کنندگانی با این قابلیت می تواند چالش برانگیز باشد.

برای حل این مشکل، باید یک تامین کننده جدید با ماشین های CNC بزرگ پیدا کنید که بتواند اندازه قطعه را مدیریت کند. در غیر این صورت، باید قطعه را دوباره طراحی کنید تا مناسب باشد. این ممکن است شامل شکستن یک جزء بزرگتر به قطعات کوچکتر باشد. با این حال، این احتمالا وزن کلی را به دلیل اتصال دهنده های اضافی مورد نیاز برای مونتاژ چندین بخش کوچکتر افزایش می دهد.

راه حل ممکن دیگر تغییر روش ساخت است. ریخته‌گری می‌تواند قطعات بزرگ‌تری را در یک قطعه تولید کند، اما ممکن است همچنان به ماشین‌کاری CNC برای پس‌فرایند نیاز داشته باشد. ریخته گری زمان بیشتری می برد زیرا طراحی و ساخت قالب قبل از ساخت هر قطعه ضروری است. این همچنین آن را به گزینه ای کم هزینه تر از ماشینکاری CNC برای قطعات کوچک تبدیل می کند.
دستیابی به خواص مواد مناسب

دستیابی به خواص مواد بسیار خاص مورد نیاز برای کاربردهای هوافضا می تواند دشوار باشد. فلزات اغلب نیاز به عملیات حرارتی دارند تا به سختی و استحکام مطلوب برسند. عملیات حرارتی فرآیندی رایج است اما چالش های خاص خود را دارد.

عملیات حرارتی قبل از ماشینکاری، مواد را به میزان قابل توجهی سخت‌تر و قوی‌تر می‌کند، بنابراین می‌تواند تحمل‌های محکم‌تری داشته باشد. اما، ماشینکاری مواد سخت شده زمان‌برتر است و ابزارهای برش را سریع‌تر فرسوده می‌کنند، بنابراین ماشین‌کاری گران‌تر است. اگر قبل از ماشین کاری باید عملیات حرارتی انجام دهید، سرمایه گذاری روی ابزارهایی که از مواد سخت تری مانند تیتانیوم ساخته شده اند، به جای کاربید یا فولاد پرسرعت، می تواند به بهبود این مشکلات کمک کند.

البته عملیات حرارتی بعد از ماشین کاری مشکلات خاص خود را دارد زیرا ممکن است بر ابعاد قطعه تاثیر بگذارد. این امر دقت فرآیند CNC را نفی می‌کند و حتی می‌تواند قطعه را از مشخصات فنی خارج کند. شما می توانید با انتخاب موثرترین فرآیند عملیات حرارتی این مشکل را کاهش دهید.
تیر مربع فولادی عملیات حرارتی شده

تلطیف و پیری شامل حرارت دادن فلز به دمای پایین تر از سایر فرآیندها است، بنابراین ابعاد آن چندان تغییر نمی کند. علاوه بر این، در پایان فرآیند عملیات حرارتی، می‌توانید از پرس کوئنچ به جای کوئنچ روغن استفاده کنید. خاموش کردن روغن باعث می شود که مواد سریعتر جمع شوند که منجر به تغییرات ابعادی بزرگتر می شود.

ساده ترین راه برای به دست آوردن خواص مناسب، پذیرش افزایش هزینه و زمان انجام عملیات حرارتی قبل از ماشینکاری است. باز هم، کیفیت برای ماشینکاری CNC کلیدی است و دریافت آن کیفیت مستلزم قربانی کردن سرعت و هزینه است. گزینه دیگر در برخی موارد انجام مقدار کمی ماشینکاری نهایی پس از فرآیند سخت شدن است. این به شما امکان می دهد بیشتر ماشینکاری را روی مواد از پیش سخت شده انجام دهید و مواد سخت شده را به پایان برسانید تا به تلورانس های مورد نیاز برای قسمت نهایی برسید.
منابع مواد

با این حال، قبل از پردازش یا ماشین کاری مواد خود، باید مواد مناسب را پیدا کنید. تهیه سوپرآلیاژها و پلاستیک های تخصصی ممکن است دشوار باشد و حمل و نقل آنها گران و زمان بر است. این مواد شامل تیتانیوم، آلیاژهای نیکل (مانند آلیاژ نقره نیکل) و Ultem است که پلاستیکی است که در کاربردهای هوافضا استفاده می شود. قطعات هوافضا به دلیل نیازهای خاص اجزای هوافضا همیشه به این مواد نیاز دارند، بنابراین این یک چالش طولانی مدت خواهد بود.

برای دور زدن این محدودیت‌ها، شرکت‌های هوافضا می‌توانند از اکوسیستم‌های تولید دیجیتال (DME) مانند Fictiv که به مجموعه بزرگی از تولیدکنندگان دسترسی دارند، استفاده کنند. کار با DME به این معنی است که احتمال بیشتری وجود دارد که یکی از شرکای تولید بتواند مواد لازم را تهیه کند. علاوه بر این، این امر به تولید کننده واگذار می شود، بنابراین مهندسان می توانند روی طراحی تمرکز کنند.
منبع یابی تولید کنندگان

در مورد منبع یابی، یافتن شریک تولیدی مناسب بسیار مهم است. به دلیل الزامات ویژه در صنعت هوافضا، اکثر شرکت های هوافضا از سازندگان و تامین کنندگان خود می خواهند گواهینامه AS9100 را داشته باشند . AS9100 بر اساس ISO 9001 است که سیستم های مدیریت کیفیت را تنظیم می کند و کیفیت و ایمنی را که در صنعت بسیار مهم هستند، کنترل می کند.

با این حال، همه تولیدکنندگان این گواهینامه را ندارند و پیدا کردن آنهایی که دارند دشوار است. صدور گواهینامه گران است و زمان می برد، و مقادیر اجزای هوافضا همیشه ارزش آن را ندارند (در ادامه در مورد آن بیشتر توضیح خواهیم داد). اما یک شرکت تولید کننده دیجیتال می تواند این مشکل را حل کند. شانس بیشتری برای دسترسی به تامین کنندگان با گواهینامه های لازم در مجموعه گسترده شرکایشان وجود دارد.

ترکیب بالا، تولید کم

همانطور که در بالا ذکر شد، هواپیماها به اندازه سایر اقلام فیزیکی مانند محصولات مصرفی یا لوازم الکترونیکی تولید نمی شوند. این بدان معناست که بسیاری از اجزای هوافضا به صورت انبوه تولید نمی شوند. هواپیماها به قطعات مختلف زیادی نیاز دارند، اما ممکن است فقط به چند صد یا کمتر از یک قطعه معین نیاز داشته باشند. این به عنوان ترکیب بالا، تولید مقدار کم نامیده می شود.

تصویر توسطکاسپارس اگلیتیسدرپاشیدن

متأسفانه، تولید با ترکیب بالا و مقدار کم برعکس آنچه تولیدکنندگان دوست دارند انجام دهند. بررسی و راه‌اندازی فرآیند تولید برای تولید هر قطعه زمان و تلاش می‌برد، بنابراین آن پروژه‌ها بسیار کارآمدتر و مقرون به صرفه‌تر هستند. برخی از شرکای تولید به سادگی پروژه‌هایی را که مستلزم صرف زمان برای توسعه فرآیندی برای هندسه پیچیده برای ساختن چند قطعه است، انجام نمی‌دهند.

در برخی موارد، امکان سفارش مقادیر بیشتر وجود دارد که این مشکل را کاهش می دهد. اگر بتوان پس پردازش را به یک قطعه اضافه کرد، مانند یک پوشش، ممکن است به شما امکان دهد مقدار سفارش را افزایش دهید و قطعات اضافی را برای بعد ذخیره کنید. اما این گزینه فقط برای طرح‌های بادوام قابل استفاده در مدل‌های آینده هواپیما و همچنین نیاز به فضایی برای ذخیره‌سازی موجودی دارد.

گزینه دیگر همکاری با یک شرکت تولید کننده دیجیتال است. این شرکت می‌تواند شما را با شرکای تولیدی مرتبط کند که می‌توانند سفارش‌های شما را در ماشین‌های رایگان خود جای دهند و هم شما و هم MP از آن بهره مند شوید.

افکار نهایی

اگر به عنوان مهندس یا سازنده در صنعت هوافضا کار می کنید، به احتمال زیاد با یکی از این چالش ها مواجه شده اید. حتی در صنایع دیگر، مهندسان ممکن است با مسائل مشابهی مواجه شوند و می توانند این درس ها را به کار گیرند.

چه مهندس هوافضا باشید و چه در زمینه دیگری کار می کنید، Fictive کلیدهای باز کردن قفل نوآوری شما را در دست دارد. بنابراین، امروز یک حساب کاربری ایجاد کنید و قسمت خود را آپلود کنید تا از شبکه شرکای خدمات ماشینکاری CNC بسیار ماهر ما استفاده کنید تا دیدگاه شما را به واقعیت تبدیل کند!