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美国有没有生产高端机床为什么他们的航空发动

更新时间:2020-08-25 03:21  

  其实美国机床技术并不差,作为工业核心技术,机床和大飞机一样是美国工业的保留项目。再加上美国盟友德国、瑞士、日本等也是机床强国,可以引进和合作研发。航空航天制造在批量制造行业中是独一无二的,航空航天发动机制造尤其如此。发动机是飞机最复杂的部件,并最终决定燃油效率和经济性。

  涡轮前温度高达2100℃的涡扇发动机的出现帮助推动了对这些新材料的需求。考虑到目前超级合金的熔点约为1850℃,挑战就变成寻找能够承受更高温度的材料。 为了满足这些温度要求,耐热超合金,包括钛合金、镍合金和一些非金属复合材料,如陶瓷,现在被纳入材料研究中。这些材料往往比传统铝更难加工,这在意味着加工机床更短的刀具寿命和更低的工艺安全性。

  加工航空零件也有很高的工艺风险。因为在18000米巡航高度不存在误差容限,所以航空航天的容限比几乎任何其他行业都更精确。这种精度需要时间。将时间投资考虑在内,每个部件需要更长的加工时间,每个部件需要更多的时间,这使得航空发动机相对昂贵。此外,与其他行业相比,航空航天部件订单通常由短期数量和长期交付周期组成,这使得生产率和盈利能力变得困难。

  不同于除石油和天然气之外的任何其他行业,石油和天然气也有高温、高压和耐腐蚀要求,航空航天材料本身影响部件设计。可制造性设计是用平衡的方法设计部件的工程艺术,同时考虑部件功能及其制造要求。这种方法越来越多地应用于航空航天部件设计中,因为它的部件必须完成一定的负载和耐温性,而某些材料只能承受这么多。

  材料和组件设计真正相互驱动,而不是一个接一个。在研究下一代材料时,材料和设计之间的这种互让关系是一个特别的考虑因素。出于所有这些原因,航空航天制造商是一个异类。毫不奇怪,他们的材料种类是独一无二的。

  标准航空铝6061、7050和7075以及传统航空金属镍718、钛6Al4V和不锈钢15-5PH在航空航天领域仍有应用。然而,这些金属目前正在向旨在提高成本和金属切割加工性能。明确地说,这些新金属并不总是新的,有些已经存在了几十年。相反,它们对于实际生产应用来说是新的,因为机床、工具技术和镶件涂层已经足够先进,可以处理难以加工的合金。 钛铝合金(TiAl)和铝锂合金从20世纪70年代就出现了,但从本世纪初开始,它们才在航空航天领域得到重视。

  与镍合金的耐热性能相似,TiAl在高达600℃的温度下保持强度和耐腐蚀性。但是TiAl更容易加工,表现出与α-β钛相似的可加工性特征,如Ti6Al4V。也许更重要的是,TiAl有潜力提高飞机发动机的推重比,因为它只有镍合金重量的一半。传统上由致密镍基超合金制成的低压涡轮叶片和高压压缩机叶片现在都由TiAl基合金加工而成。通用电气是这一发展的先驱,在其GEnx发动机上使用TiAl低压涡轮叶片,这是这种材料首次在商用喷气发动机上大规模使用。

  复合材料也代表了航空航天材料的进步。能减轻重量,提高燃油效率,同时易于操作、设计、成型和维修。复合材料一度只被考虑用于轻型结构件或机舱部件,现在它的航空应用范围已经延伸到真正的功能部件——机翼和机身蒙皮、发动机和起落架。 同样重要的是,复合部件可以形成复杂的形状,对于金属部件来说,这需要机械加工和制造接头。

  预成型复合材料部件不仅重量轻、强度高,还减少了飞机内的重型紧固件和接头数量——这些都是潜在的故障点。在这样做的过程中,复合材料有助于推动整个行业的趋势,即尽可能使用单件设计,减少整体组件中的部件。 虽然碳纤维复合材料在座舱和功能部件中占据了复合材料的绝大部分,蜂窝材料提供了有效和轻质的内部结构部件,但下一代材料包括陶瓷基复合材料,这种材料经过几十年的测试后正在实际应用中出现。陶瓷复合材料由耐火纤维如碳化硅纤维增强的陶瓷基体组成。它们提供低密度/重量、高硬度,最重要的是,优异的耐热性和耐化学性。

  像碳纤维增强塑料一样,它们无需任何额外的加工就可以成型为特定的形状,这使得它们非常适合内部航空发动机部件、排气系统和其他“热区”结构——甚至取代了最优良的金属合金。 金属和复合材料都在不断发展和改进,以提供不断提高的性能,无论是重量更轻、强度更大还是耐热性和耐腐蚀性更好。加速新材料的发展,机械加工和切割技术的进步让发动机制造商前所未有地获得以前认为不切实际或难以加工的材料。

  在航空航天领域,新材料的采用异常迅速,要求材料特性和部件设计两者必须保持平衡,一个不能脱离另一个而存在。 与此同时,单件设计继续减少整体组件中的组件数量。总的来说,这对于航空航天领域的复合材料来说是个好兆头,因为这种复合材料可以用成形的方法代替机械加工。这种趋势的变化存在于金属结构中,因为更多的部件被锻造成接近净形状,减少了加工量。

  尽管如此,工件夹具、表面光洁度和凸轮刀具轨迹仍然存在困难。但是,设计师、机械师、工程师和机床/刀具制造商正在开发新的解决方案,以保持技术向前推进。 随着复合材料、新加工金属和新金属越来越多地占据传统材料的空间,航空航天领域的材料组合将在未来继续变化。该行业继续向重量更轻、强度更高、耐热性和耐腐蚀性更强的部件发展。组件数量将减少,有利于更强的近净形状,设计将继续与材料特性密切合作。机床制造商和刀具制造商将继续开发工具,使目前不可行的材料可加工,甚至实用。这一切都是以降低航空航天制造成本、通过效率和轻量化提高燃油经济性使飞机成为更具成本效益的运输方式名义进行的。

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