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给航空航天业一个更环保的未来

国际金属加工网 2022年04月24日

 

OEM必须对未来的飞机采取整体化的方法。

作为全球二氧化碳排放主要来源之一,航空航天业面亟待提供更环保的飞机——重量更轻,且飞行里程更长。但是,要实现这一点,需要用到难于加工的铝和高温合金 (HRSA)。这里,山特维克可乐满航空航天解决方案经理Sébastien Jaeger阐释了航空航天OEM如何能够采用高级的刀具解决方案可持续地加工这些难于加工的零件。

据世界经济论坛 (WEF):“到2050年实现CO2的净零排放不仅可助力实现可持续的环保未来,同时也能从整体上保证航空业的财务弹性和竞争力。”虽然电动汽车在汽车业的地位越发稳定——2021年8月英国电动车辆的销量甚至超越了柴油车辆——但是,如果要在航空业实现这些发展,需要更长的时间。

总体而言,预估的情况是电动飞机在2035年前都不会达到普及程度。据《独孤星球》 (Lonely Planet) 报道,尽管易捷航空公司 (easyJet) 有望到2030年实现不超过311英里 (500公里) 的电动飞机运行且挪威立志到2040年实现所有短途航班的电动化,但是 — “短期内,我们不会以充电式巨型飞机进行长途飞行:因为电池太重了。”

电动飞机有望于2035年实现广泛应用。

所以,虽然电池不需要为了得到重用而减轻重量,但是原始设备制造商 (OEM) 却越来越有责任制造出更轻的零件来抵消这一问题。我们可以确信的是,将使用铝 — 强度、抗疲劳性和其他属性都更强的铝 — 来使这些系统更轻盈。

我们也将看到新型高温合金 (HRSAs) 的扩大应用。实际上,HRSA已经应用于面临极端严苛性能需求的飞机零件,因为它们即使面对强大热量依然能保持硬度不变。事实将证明,这类材质的特征必不可少,因为实现更可持续的航空旅行的其中一个方法是使发动机更强劲地燃烧、热量更强。

零件的生产误差也必须更小,设计要更多样化。同电动汽车一样,未来不同制造商对于电动飞机的设计 — 包括机身和发动机 — 也将与如今采用内燃发动机的飞机有很大不同。对于机身,有些OEM正在探索三角造型、翼身组合体以及支柱支撑式机翼理念。其他一些OEM则坚持传统的‘大型管道、机翼和发动机”设计。

发动机结构也将有不同形式,例如电动式、电池驱动式或电磁式或是混动型发动机,而如今的发动机以电动马达为辅助。OEM将被要求生产更多种类的小误差零件,同时也要找到新的方法降低噪音、重量和排放 — 总之包括会影响电动系统性能表现的所有因素。但是铝和HRSA零件的加工难度大,所以若要以可持续和利于成本效益的方式实现这一点,将是一项挑战。

快速进步

生产更轻、更节能飞机的一个途径是借助增材制造 (AM) 工艺。AM工艺实现了形状极度复杂之定制零件和小误差功能性产品的发展,所以,像格栅这样的难加工零件可以被更轻松地生产出来。软件公司Dassault Systemes发现,“在航空航天业,对AM工艺减重可以节能高达25%,”而“一趟航班每减轻一千克 (2.2磅) 重量可每年※多节省3,000美元的燃料消耗。”

但是AM工艺本身是可持续发展的吗?一项与罗马尼亚克卢日·纳波卡技术大学 (Technical University of Cluj-Napoca) 制造工程系共同进行的研究将AM描述为“注射成型、模具压铸或加工等传统制造 (TM) 方式的出色替代”。该研究还称:“相比常规工艺,AM更有潜力降低成本、节省能源。”

AM也将对产品制造方式及其多样化产生至关重要的影响。优点包括减少碳排放、材料用量和运输,因为可用内部自主生产零件取代引进零件。

制造商还可通过快速产品试制生产更复杂、小巧和创新的航空航天零件。快速产品试制包括若干不同工艺,但是目标是相同的:从计算机辅助设计 (CAD) 文件快速生产出实体3D样品模型。通过这些样品模型,可先行对新材质进行少量试生产,然后再大规模制造,以此确保零件的生产做到创新、质量及精度的极高水准。

我们已经了解过航空航天业OEM能够如何采用新方法生产更复杂的零件。但是如果有合适的刀具完成这项工作,尤其是在加工难度大的铝和HRSA材料该怎么办呢?

这些材料必须使用耐磨性更强、寿命更长的刀具。这也是为什么山特维克可乐满专门为车削加工研制了S205材质的原因。S205材质中包含一层单向紧密排布的Inveio®水晶。这就在刀片周围形成了一道强大的保护屏障,能够使刀具更坚固耐用,提升其机械属性。该刀片已经证明自身有能力生产一系列丰富的飞机零件,包括发动机涡轮盘、环和轴。据山特维克可乐满的客户反映,相比HRSA车削材质,S205的切削速度提高了30 - 50%。

整体化的方法

我们已经考量了制造过程和刀具,但是现在我们可以使二者实现强强组合吗?毕竟,如果各个系统的设计无法彼此契合、合力发挥作用,则势必浪费时间来组成一个完全集成化的解决方案。

为此,山特维克可乐满正以我们所称之的零件解决方案 (components solution) 为航空航天业的客户提供支持。该解决方案由若干阶段构成,包括了解加工需求和节拍,以此了解单个零件成本。此外还有在后阶段分析生产方法,与MTM (方法-时间测量) 及终端用户过程均有关。零件解决方案还包括计算机辅助制造 (CAM) 编程以及本地或跨境项目的管理。

以山特维克可乐满的一个客户为例,该客户在生产过程中遭遇了断屑问题,而零件解决方案使我们能够发现问题并设计出解决方案。山特维克可乐满的专家为该客户研制出全新的“动态驱动曲线”策略,使我们得以随时控制断屑。我们把这种新方法称为“scoop turning”,目前已经申请了专利。凭借scoop turning方法,该客户将生产周期缩短了80%,而刀具寿命延长了一倍,同时保证了出色的切屑控制。

此外,该客户还得以将其所用机床数量从四台缩减至一台,从而降低了对多任务加工的需求,同时保证了更稳定可靠的加工过程和“绿灯生产”。使用更少的机床以及减少换刀次数 (得益于像S205这样的更强韧材质) 将是实现更可持续发展飞机生产的关键。

软件也发挥着至关重要的作用,例如山特维克可乐满的一种数字化产品CoroPlus® Tool Guide。客户甚至可以在开始生产之前就可以对刀具和切削参数的选择做出关键决定。

闭环

除了新的刀具和制造方法,航空航天业OEM还可借助制造业。航空运输行动小组 (Air Transport Action Group,ATAG) 的一项报告显示:波音公司 (Boeing) 的铝材供应商Kaiser如今采用了一种闭环回收系统 — 荣膺行业同类大项目之一。Kaiser估计:通过该项目,整个行业每年可重复利用大约10,000,000千克的边料和废弃金属。

在山特维克可乐满,我们已经启用了我们自己的循环系统,用于循环利用硬质合金刀具,即:我们回购客户废弃的硬质合金刀具,然后把它们重新制成全新的刀具。因此,山特维克可乐满硬质合金刀具所用的原材料大部分来自废弃刀具。我们在资源有限的环境下实践可持续发展业务,很大程度减少过度浪费。由此,我们发现由回收材料制成的刀具所需的能源减少70%,同时还可减少40%的二氧化碳排放量。

航空航天业面临着越来越紧迫的压力:要生产重量更轻、飞行里程更长的更环保型飞机。而航空航天业的OEM凭借正确的加工过程和刀具 — 当然还有更整体化的制造方法 — 能够为航空航天业建设一个更环保的未来而贡献自己的力量。

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