중국의 항공우주 얇은 벽 구성 요소 제조의 돌파구: 미래를 선도하는 미러 밀링 기술

항공우주 공학에서 중량 감소는 성능과 직접적으로 연결되어 있습니다. 더 가벼운 항공기 구조는 항공기가 더 멀리 비행하고, 더 많은 화물을 운반하며, 연료를 덜 소모할 수 있게 합니다. 로켓의 경우, 구조에서 절약된 매 킬로그램은 궤도로 전달되는 추가 화물로 이어집니다. 그러나 이를 가능하게 하는 구성 요소—대형 곡면 항공기 외피와 로켓 탱크 바닥—는 공기역학적 정밀성을 유지하면서 극한의 스트레스를 견뎌야 합니다.

수십 년 동안 제조업체들은 화학 밀링에 의존해 왔습니다. 이 과정은 널리 사용되었지만, 낮은 정확도, 고르지 않은 벽 두께, 심각한 환경 오염, 알루미늄-리튬 합금과 같은 새로운 재료에 대한 제한된 적용 가능성 등 상당한 문제를 가져왔습니다. 차세대 프로그램이 더 높은 강도 대 중량 비율을 요구함에 따라, 화학 밀링은 해결책이 아닌 장애물이 되었습니다.

거울 밀링 기술의 출현—이중 5축 가공 방법—은 이제 얇은 벽을 가진 항공 우주 부품을 생산하는 방식을 재정의했습니다. 지난 10년 동안 중국의 지속적인 연구 노력은 한때 수입에 의존하던 이 과정을 국내 혁신과 대규모 응용 분야로 끌어올렸습니다.

항공기 외피는 초경량 구조와 긴 피로 수명을 결합해야 하며, 로켓 탱크 바닥은 추진제 압력과 발사 시의 엄청난 힘을 견뎌야 합니다. 전통적인 화학 에칭(화학 밀링)에는 몇 가지 고유한 약점이 있습니다:

및 균일한 두께 유지의 어려움

, 높은 화학 폐기물과 오염

, 규모와 일관성을 어렵게 만듭니다.

알루미늄-리튬

대구경 부품에서

이러한 문제는 심각한 병목 현상이 되어 항공기와 우주선 성능 모두의 개선을 제한했습니다.

미러 밀링은 5축 가공의 “왕관 보석”으로 널리 여겨집니다. 이 과정은 두 개의 밀링 헤드—커팅 헤드와 지지 헤드—가 거울 이미지로 동기화된 움직임을 수행하는 것을 포함합니다. 벽 두께의 실시간 측정과 적응형 지지는 약하고 얇은 벽을 가진 부품의 변형을 방지합니다.

수십 년 동안 이 기술은 Dufieux(프랑스) 및 M.Torres(스페인)와 같은 유럽 공급업체에 의해 독점되었습니다. 한 대의 12미터급 기계는 한때 1억 1천만 위안(1천 5백만 달러) 이상이었으며, 일반적으로 핵심 기술의 이전을 금지하는 제한적인 계약 하에 판매되었습니다.

중국의 대응은 10년 간의 국가적 노력이었다. 상하이 교통대학교, Topplus CNC, COMAC, AVIC 시안 항공기, 그리고 톈진 로켓 제조를 포함한 컨소시엄은 이론, 기술, 프로세스 및 장비 전반에 걸쳐 일련의 돌파구를 달성했다. 주요 성과는 다음과 같다:

이러한 발전은 Y-20 수송기, C919 여객기, 중국의 유인 우주 프로그램, 그리고 달 임무를 위한 5미터급 통합 탱크 바닥과 같은 주요 프로그램에 성공적으로 적용되었습니다.

2017년, 상하이 교통대학교와 상하이 탑플러스 CNC는 중국 최초의 국산 미러 밀링 머신을 제작하여 오랜 공백을 메웠습니다. 이는 중국이 프랑스와 스페인에 이어 세계에서 세 번째로 이 기술을 마스터한 국가로 자리매김하게 했습니다.

시스템은 초박형 구조물에 대한 감쇠 지지, 온라인 벽 두께 측정 및 보상, 기계 동적 정확도 향상과 같은 주요 기술 장벽을 극복했습니다. 로켓 탱크 섹션에 적용했을 때, 벽 두께 허용 오차는 화학 밀링에 비해 다섯 배 향상되었습니다.

이 혁신은 중국 산업정보기술부에 의해 “주요 장비 성과의 5년 발전”의 일환으로 인정받았다.

연구팀은 다음으로 3미터급 수직 이중 5축 기계를 개발하여 거울 밀링 응용 프로그램을 단일 곡면에서 이중 곡면 구조로 확장했습니다. 톈진에서 그들은 두께가 단 1mm인 3.35미터 로켓 탱크 바닥을 성공적으로 밀링하여 직경 대 두께 비율 3350:1을 달성했습니다.

극도의 약한 강성을 극복하기 위해—“거대한 달걀 껍질” 가공에 비유됨—엔지니어들은 레이저 스캐닝, 자동 두께 보상 및 디지털 변형 제어를 도입했습니다. 이를 통해 정밀하고 친환경적인 제조가 가능해졌으며, 사이클 타임이 극적으로 단축되었습니다.

상하이 항공우주 149 공장에서 로켓 탱크 바닥을 위한 거울 밀링 공정이 3년에 걸쳐 개선되었습니다. 정확도는 ±0.1 mm로 향상되었고, 가공 시간은 20일에서 단 6-7일로 줄어들었습니다. 2023년 10월, 이 공장은 100번째 3미터급 일체형 탱크 바닥의 출고를 축하하며, 이 기술의 양산 성숙을 기념했습니다.

2024년, 중국은 또 다른 세계 최초를 달성했습니다—5미터 직경의 로켓 탱크 바닥을 미러 밀링했습니다. 도전은 엄청났습니다: 벽 두께의 균일성을 유지하는 것이 훨씬 더 어려워졌고, 변형 위험이 증가했습니다. 엔지니어들은 110° 동기화 지지대가 있는 6미터 스팬의 이중 헤드 수직 기계를 설계하고, 실시간 두께 스캔을 강화하며, 클램핑 시스템을 업그레이드했습니다.

이 성과는 오염을 유발하는 저정밀 화학 밀링 및 용접에서 대형 로켓 구조물에 대한 청정 고정밀 미러 밀링으로의 완전한 전환을 의미합니다.

C919 여객기는 보잉 및 에어버스 기준을 초과하는 피로 수명을 가진 동체 스킨이 필요하며, 이들 중 많은 부분이 알루미늄-리튬 합금으로 만들어졌습니다. 전통적인 화학 밀링은 이러한 요구를 충족할 수 없었습니다.

한때 C919 공급망은 수입된 미러 밀링 기계에 의존하고 있었습니다. 그러나 외국 장비가 고장났을 때, 중국은 잠재적인 공급 중단에 직면했습니다. 국내 팀은 신속하게 개입하여 수입 대안보다 더 높은 정밀도, 효율성 및 범위를 갖춘 수평 이중 5축 미러 밀링 시스템을 제공했습니다.

오늘, 국내 미러 밀링을 기반으로 한 다섯 개의 자동화 생산 라인이 설치되어 60대 이상의 항공기 세트를 위한 스킨을 공급하고 있으며, C919 프로그램을 위한 안전하고 신뢰할 수 있는 생산을 보장하고 있습니다.

Y-20 대형 수송기는 엔지니어들이 "금속 필름"이라고 설명하는 거대한 곡면 동체 외피를 특징으로 합니다. 이러한 초대형, 초박형 구조물은 가공 중에 변형될 가능성이 매우 높습니다. 전통적인 CNC 장비는 이에 적응할 수 없었습니다.

이를 해결하기 위해 AVIC 시안 항공기와 그 파트너들은 세계에서 가장 큰 거울 밀링 기계인 12미터 수평 이중 5축 시스템을 개발했습니다. 이는 대형 스킨의 자동화된 정밀 밀링을 가능하게 하여 한때 중요한 병목 현상이었던 것을 강력한 프로세스로 변화시켰습니다.

장비는 성능 기대치를 충족할 뿐만 아니라 초과 달성하여 대형 곡면 스킨을 위한 완전한 프로세스 및 장비 시스템을 구축했습니다. 현재 Y-20 및 C919 프로그램을 지원하며, 인민일보에 의해 고급 기계 공구 혁신의 이정표로 인정받았습니다.

미러 밀링의 성공은 항공 우주 분야를 넘어 고급 기계 공구 분야로 확장되었습니다. 그 영향에는 다음이 포함됩니다:

알루미늄 및 티타늄 합금을 위한 시리즈 구성 수평 5축 패널 밀링 머신

기존의 격자형 밀보다 4배 높음

대형 스팬, 초고정밀 5축 게이트리 가공을 통한 민간 항공기 부품

이러한 성과는 한때 독점되었던 기술에서 독립성을 확보했을 뿐만 아니라 정밀 제조 분야에서 중국의 글로벌 경쟁력을 높였습니다.

3미터에서 5미터 탱크 바닥까지, 알루미늄-리튬 합금에서 초박형 금속 스킨까지, 중국의 미러 밀링 프로그램은 일련의 세계 최초를 달성했습니다. 10년 이상의 노력 끝에, 중국 팀은 이론, 프로세스, 장비 및 산업 응용 분야에서 혁신을 이루어냈습니다.

이 기술은 이제 C919, Y-20, 롱 마치 로켓, 유인 우주 비행 및 달 탐사를 포함한 주요 국가 프로젝트를 지원합니다. 화학 밀링을 고정밀, 친환경 미러 밀링으로 대체함으로써 중국은 오랜 병목 현상을 제거했을 뿐만 아니라 차세대 항공 우주 제조의 최전선에 자리 잡았습니다.

응용 프로그램이 확장되고 기술이 계속 발전함에 따라 미러 밀링은 더욱 중요한 역할을 하게 될 것입니다. 이는 중국의 항공 우주 분야가 새로운 정점에 도달하도록 도우면서 글로벌 항공 우주 제조의 미래를 재편하는 데 기여할 것입니다.