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工具機及相關技術應用於航太產業之發展[趨勢新知]
種類:其他公告  發布單位:技術處  發布日期:2020-07-15 11:00
作者:莊瀅芯/工研院

一、航太關鍵零組件 發動機之加工設備與其技術需求

目前應用於發動機生產的工具機以五軸立式及臥式加工中心、搪銑床、磨床以及功能複合型的加工設備例如車磨複合加工中心為大宗,另外還有搭配特殊熱處理工藝的摩擦焊接及日漸受到重視的金屬3D列印,或是加減法複合加工等技術。

由於航空引擎零組件在應用環境較嚴苛的要求下,多數採用難加工材料,對於尺寸精度的要求也較一般金屬加工較高,因此對於加工設備有下列幾點主要的需求:(一)剛性及加工效率、(二)高可靠度(精度保持)、(三) 高精度和即時動態調整。


二、工具機應用於航太產業之技術需求案例

(一)加州Whirlwind

Whirlwind螺旋槳公司原先在輪轂加工時遇到無法控制製程進度和成本,因此限制了螺旋槳的生產。輪轂由多達23個高精度的零件組成,其材料多數是鋁,部分是由440C不銹鋼製成,並且需要由實心胚料進行大量銑削,Whirlwind原先將輪轂零組件外包,卻需要耗時數月,後續引進MAZAK Integrex i-200S的多功能複合機在自家工廠後,僅在一天之內完成所有零組件加工。

(二)義大利 Pietro Rosa

Pietro Rosa近期已成功與大型航空發動機設備製造商(OEM)達成了多年協議,製造大航太零組件,例如壓縮機葉片,噴氣發動機機翼,結構部件等,目前航太零組件的訂單已經面臨價格競爭,降低生產成本和改善加工工藝的並存是無法避免的挑戰。

該公司的高價值產品,例如鈦和鎳合金壓縮機葉片的需求日益增加,但是這些耐熱超級合金更難加工,拋光和測試。瑞士Starrag和Pietro Rosa緊密合作,開發出了一種工藝,該工藝包括最佳化製程,特殊的夾具和工具(用於粗加工的陶瓷和用於精加工的整體硬質合金),以生產多葉片翼型件。每個超合金多葉片壓縮機組件均加工成所需的形狀,並且公差非常嚴格,輪廓公差需在50微米以內,其中的工具機設備為Starrag的LX 021。

三、複雜零件及複合工序對於模擬加工的需求日漸上升

在不使用生產加工時間的情況下,運用數位化模擬大幅度加快加工參數最佳化速度,可為工件的加工程式設計提供更多保證和控制可能性,並提早在生產前發現程式中的任何錯誤,確實預防碰撞。

美國金屬加工製造商Marton在加工航空大型結構部件時,會將加工程式在機台空運轉,並同時確認是否有潛在碰撞,這個動作曠日廢時,實際產生碰撞時也會損害工具機和胚材。而其解決方案為Hexagon的NCSIMUL軟體,用戶可以根據所涉及的特定零件,工具和機床的特徵來模擬、驗證、優化和審查機床程序。三維圖形可幫助用戶避免加工崩潰,而複雜的算法和基於嵌入式過程的知識可優化切削條件。減少調試程序所花費的時間;消除主軸碰撞,刀具破損和報廢的風險;並改善週期時間和過程效率。

四、結論

航太產業的特性是技術密集與資本密集,而其供應鏈的分布極為廣泛,加上其產品牽涉飛行安全,所以相當重視品管及精密度,雖然在2020年初受到肺炎疫情影響,針對新機和維修等需求大幅下降,但由於航空運輸的必要性短期內無法動搖,因此在疫情回穩後需求將漸漸回歸正軌,而且航太產業以往在國際分工以分擔風險的特性明顯,中國大陸、歐美、日本甚至臺灣都有其供應鏈存在。在受到本次全球供應鏈停擺的危機後,調整原來供應鏈的需求浮出檯面,延伸出新的設備需求,而本文藉由工具機應用於航空產業的技術發展觀察航空產業對於加工的需求,除了透過功能複合並要求整機的精度和加工品質外,對於其整體解決方案也更為重視,其中包含刀具、加工模擬軟體和自動化都是未來在加工高值化零組件所不可或缺的技術含量。

完整內容請詳見:【產業技術評析】工具機及相關技術應用於航太產業之發展
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更新日期:2020-04-28

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