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產業技術評析

工具機及相關技術應用於航太產業之發展
發表日期:2020-07-15
作者:莊瀅芯(工研院)
摘要:
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。

全文:

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
 

針對高強度加工,機台的剛性以及熱穩定性是主要的要求,因此在工具機底座鑄件與主要結構都會採用結構模擬最佳化,讓平面精度達到±2µm的需求,直線軸和旋轉軸的熱穩定性也可以提升加工的尺寸精度。
 

而影響加工效率的主要元素是主軸和刀具在轉速及進給速度的搭配,不同材質需要不同的進給速度,搭配刀具多元的直徑和深度。所以主軸必須同時在範圍較廣的進給速度要求下具備大且穩定扭矩輸出能力,在高速運轉下的剛性也是穩定切削的關鍵。在刀具的部分,為了避免切屑沾黏在刀具或零件表面,縮短刀具壽命及造成零件損壞,刀具廠商也盡量利用研發切屑一致,且斷屑會從切口處彈開確保熱量不會在加工處快速累積及保持加工暢通。
 

(二)高可靠度(精度保持)
 

工具機的可靠性涉及因素很多,可靠度比較好的工具機,其結構設計都有合理分配承載力和切削力分散的機構或裝置。例如為避免切削扭力集中,瑞士Starrag擺動頭採用傘齒輪和蝸輪蝸杆結構,並透過增加多齒接觸和增大接觸面的設計,有效分散切削承載力,進而減緩磨損。工作臺和進給軸等裝有超載切削保護感測器,在崩刀等突發情況下可以保護機床不受損。而葉盤五軸加工則是強調在加工前和加工中以即時量測及補償來讓熱變位造成的形變影響減到最小。總體上,工具機整體採用穩定的熱對稱結構,採用可靠性比較好的機床主軸頭、主軸、回轉擺動工作臺,關鍵部件提供連續冷卻功能,可以保持工具機長期的高可靠性。
 

(三) 高精度和即時動態調整
 

航空發動機零件對尺寸精度、幾何元素的形位元精度要求高,特別是薄壁零件剛性差、加工過程易變形,加工後尺寸和位置度等難以檢查,需要一次成形,並採用在機方式進行測量,對工具機的加工精度要求較高。工具機動態性能不足引起的動態誤差是高速高精運動過程中影響加工精度的最主要因素之一。透過選擇帶有光學尺的全閉環回饋系統和穩定的靜壓導軌,可保證數控機床具有較高的定位精度和重複定位精度。要求伺服進給具有高加速性和較短的定位及啟動時間,對主軸振動、漂移和溫度進行即時監控並調整,並具有較好的精度保持性,具有在機檢測功能。同時要求一機兼備粗加工和精加工能力,可以提供粗加工、預加工、快速加工、精加工和超精加工等多種功能的最佳配置,以保證工件的高品質和高精度加工要求。
 

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。
 

圖1  Integrex i-200S 多功能複合機機台外觀

資料來源:MAZAK官網
圖1 Integrex i-200S 多功能複合機機台外觀
 

Integrex i-200S具有雙車削主軸和銑削主軸,其車削主軸功率和立式加工中心的主軸功率相當,兩個車削主軸直徑為76 mm,提供5,000 rpm的主軸轉速。銑削主軸可提供30馬力(22千瓦)的功率,最高12,000 rpm的轉速以及-30至+240度的旋轉軸範圍。能夠高效地車削,鑽孔,攻絲和銑削,可適應各種應用,從低速下的重型切削到鋁和其他有色金屬的高速切削。同時提供五軸同動加工。刀庫容量為36把刀,為連續零件加工提供足夠的刀具。
 

Whirlwind將零組件由外包改為自行製作後,除了能夠產品開發的時程,也可以減少交貨的時間及不確定性,並且更能準確掌控成本,並縮短其原先的供應鏈,搭配Mazatrol SmoothX軟體,可以根據生產需求,高效而經濟地製造少量多樣的零件。
 

(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。
 

圖2  Pietro Rosa採用瑞士Starrag LX 021葉片加工整體解決方案

資料來源:Starrag官網
圖2 Pietro Rosa採用瑞士Starrag LX 021葉片加工整體解決方案
 

LX 021是專門為加工刀片而設計的。五軸VMC具有20 kW,30,000 rpm的銑削主軸。X,Y和Z軸分別為400、200和410 mm。具有360度旋轉軸,可高速(4,000 rpm)旋轉零件。同時,B軸提供-45 / + 95度的旋轉角度。 除了加工能力之外,影響採購此種機的關鍵因素是其RCS CAM軟體內置的工具機自適應銑削製程,旨在避免使用3D建模時發生衝突。
 

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。
 

另外一間金屬加工製造商Kurt為了確保高價值零件的生產效率,並縮短設置時間,並且加工過程必須沒有錯誤動作。該公司一直在使用其原先CAM軟體中隨附的模擬程序來驗證其程序看起來沒有錯誤,一旦驗證了程序後會將其轉換為機台使用之G代碼。但是,該公司意識到CAM系統的G代碼前模擬不能始終準確地顯示實際使用中的工具機和刀具的位置和運動。因此採用了Spring Technologies的NCSimul Machine軟體,可以糾正程式中的錯誤編碼,並且同時考慮刀具與夾治具的搭配。
 

目前另一個需求則是加工路徑優化,華中數控的iNC智能數控系統和智慧工具機iNC-MT。可以運用感知層所蒐集來的數據利用人工智慧技術進行關聯分析和深度學習,達成智能工具機和零件加工的理論建模和模擬分析結果,透過輪廓誤差預測與補償形成智能工具機的優化控制策略和控制知識,自動積累經驗並將加工路徑最佳化。
 

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。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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