2025/02/20 015｜航空發展與製造業

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015｜航空業的零件技術

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一、航空業的發展歷史

若要以現代的飛機模樣和航空業的歷史，可以追溯到18世紀末期的熱氣球發明以及奧托·李林塔爾（Otto Lilienthal）這位德國滑翔機之王，這不僅影響19世紀晚期至20世紀初人們對於飛行器的看法，之後的意外消息，也重拾萊特兄弟兩人的兒時夢想，於是在1903年萊特兄弟成功試飛第一架動力飛機後，正式開啟現代航空業的時代，隨後，由於兩次世界大戰推動航空技術的迅速發展，噴射引擎與輕量材料的應用大幅提升飛機性能，此外人們也漸漸有了飛安與法則等航空規範的意識，至今航空發展仍不斷持續有改善及新科技的發明。

在製造飛機方面，隨著工業進步，從早期的工業技術，到後來的車床、立銑刀、數控CNC技術等發展，或是材料領域中的鈦合金、碳纖維複合材料等加工演進，又或是後來衍伸出的刀具與 CNC 設備的「選擇」以及關注生產成本與生產效率之間的範疇等，無論是從技術面、材料面還是經營、管理學面，這些都關乎於起降設備、動力設備、機身、機翼、尾翼、內裝等元件生產，每一項都是非常重要的核心角色。

飛機的製造過程，也因高效刀具、模組化製造、自動化生產，使現代航空工業正朝向加速發展，包含生產穩定與精準要求，當然合乎飛行的規範也是少不了，接著來到現代，在邁入數位化以及AI時代後，未來將更進一步應用 AI 控制、3D 列印與智能刀具管理來提升航空領域的生產效能，本次文章的機種範圍多以民航機為主，民航機是高度精密的工業製造，也因工業革命與現代科技讓飛機製造技術大幅躍進，也因不同飛行器誕生，讓現代航空領域呈現出多采多姿的樣貌。
 

二、飛機製造與精密加工技術

飛機製造涉及複雜的工程設計以及高精度製造技術，主要包括機身結構、引擎、起落架與內部系統等，現代飛機主要使用高強度鋁合金、鈦合金與碳纖維複合材料作為主體，以確保輕量化與高強度的需求，再藉由數控加工CNC的技術來製造飛機零件，並透過電腦控制車床與銑床，使得零件製造達到微米級別的精度，而立銑刀（End Mill）則是CNC加工中最重要的刀具成員，廣泛應用於鋁合金、鈦合金及複合材料上的加工。

在介紹加工之前，
以下分成飛機常見的幾個部位來做說明－



⚫ 1、飛機的起落裝置
起落裝置是指飛機在起飛、降落與地面滑行時的關鍵結構，其主要功能是支撐飛機重量、吸收衝擊並提供可靠的穩定性，為了促成這套系統，通常是由幾個部分所組成，包含了主要起落架（Main Landing Gear, MLG）來支撐飛機主要重量，還有常常位於機頭並提供飛機方向與支撐的前起落架（Nose Landing Gear, NLG），而減震系統（Shock Absorbers）也稱作阻尼器、避震器，是能吸收衝擊力的重要裝置，還有提高「制動力」的煞車系統（Braking System）常見以碳纖維或鋼製煞車盤為主，這裡順帶一提，在飛機起落中有三種常見的煞車模式。
 

	主要模式	裝置職能
引擎反推裝置	動力煞車	輔助煞車
機翼上方的擾流板	氣動力煞車	輔助煞車
主起落架煞車系統	液壓煞車	主要的煞車方式

最後還有收放機構（Retractable System）採可摺疊設計，使用液壓或電動機構來做控制，以達到降低飛行阻力及安全落地，若是小型飛機、輕航機、傳統機型等，則以固定式的起降裝置為主，說個有趣話題，如果是雪地起降的航空機會發現常以雪橇為設計概念，而水上飛機則是以浮筒式起落架為設計，這些因地制宜的不同，也展現出不一樣的「航情」和應用模式。



⚫ 2、飛機的主要動力裝置
飛機的動力裝置能夠決定飛行性能與航程遠近，從早期的螺旋槳引擎到現代的渦輪噴射引擎，技術發展極為迅速，以當代設計來說，飛機動力裝置主要有三種，分別是螺旋槳引擎、噴射發動機、未來動力技術，而發動機材質常以鈦合金、鎳基合金、陶瓷複合材料、碳纖維複合材料等為主。

螺旋槳引擎常見有活塞發動機（Piston Engines）如塞斯納172輕航機，而渦輪螺旋槳發動機（Turboprop Engines）則如ATR 72客機等，噴射發動機（Jet Engines）則有渦輪噴射發動機（Turbojet）為核心，如早期的F-104星式戰鬥機，又以渦輪扇發動機（Turbofan Engines）為動力的如波音747，此發動機不僅效率高、噪音低，更是目前客機常見的發動機種，還有渦輪軸發動機（Turboshaft Engines）如黑鷹直升機，可提供穩定的旋翼動力。

未來動力相關技術的飛航動力裝置（Future Propulsion Technologies）如電力、氫燃料、超燃衝壓等動力技術，如電動飛機（Electric Aircraft）是使用電池和電動馬達，很適合短程航班，目前還在發展中，尤其面臨環保與碳稅等議題之下也將是趨勢，還有氫燃料與混合動力（Hydrogen & Hybrid Propulsion）也能降低排放量、提高續航力，也有超音速與超燃衝壓發動機（Scramjet Engines）這種軍機和太空飛行器所使用的新型動力系統，這些都是未來可期待的動力發展方向。



⚫ 3、機身
機身（Fuselage）緣起於法語單字「fuselé」意思是紡錘形，是飛機的主要結構，負責承載乘客、貨物、燃油、飛行控制系統與發動機等配備，也是承受飛行中的各種力量（Forces）之的重要元件，機身設計強調輕量化、耐久性、氣動效率，同時確保安全性與舒適度，機身又可細分幾個部分，如前機身、中機身、後機身、蒙皮外觀與骨架，材料方面常見的是鋁合金、碳纖維複合材料、鈦合金、玻璃複合材料等，其中複合類材料在近年較為常見。

一個良好機身設計還需具備以下常見條件，首先是氣動力設計來提高飛行效率，而內部結構設計則影響座艙承受能力，還有貨艙及燃油艙等配置，當然，安全性設計肯定是最重要的，需要抗衝擊、耐疲勞等各種安全考量，也有採用蜂巢結構（Honeycomb Structure）的機身設計，不僅韌性增強同時也讓飛機更加輕量化，有助於提高燃油的效率。

未來機身製造仍有許多可能性發展，如3D列印技術（Additive Manufacturing）用來製造複合材料的零件，不僅提高效率也能減少材料浪費，還有自動化裝配（Robotic Assembly）的機械手臂可以進行高精度焊接與組裝，此方式能提高一致性和品質管理的穩定，也有智能材料應用的發展，研究可變形的機身結構，提高氣動性與燃油效率和提升各類動力效率。



⚫ 4、機翼
機翼大致上坐落於左右兩側和尾部，是飛機提供升力的重要裝置，由副翼、襟翼、縫翼、翼尖小翼等部分結構所組成，透過流體力學原理使飛機升空，現代機翼除了控制升力之外，還會承載燃油、起落架和部分機載電子設備等，下面將逐一介紹機翼的組成。

首先，左右的機翼前緣（Leading Edge）主要功能是影響空氣流動，當飛機行進時，氣流首先接觸機翼前緣並由此開始分開，某些機翼設計則具備防冰系統以對抗極端氣候的航線和區域，再來是機翼後緣（Trailing Edge）位於尾端，包含副翼、襟翼等，可以影響飛機操作性和升力的調整，然後是翼樑的設計，這也是被稱作機翼骨架的部分，用來承受飛行應力，還有覆蓋機翼的外殼以及機翼內部設計，有許多飛機也將機翼內部設計為燃油箱來減少機身重量並優化配置。

在製作上，機翼不一定被認為是飛機最難製造的部分，不過由於它們很大所以需要大型、寬闊的水平加工環境加上數天時間才能製造完成，機翼的細節部分更有不同的加工運用，例如翼肋具有薄壁與2D凹槽等加工挑戰，因此採用良好的銑刀是重要的，尤其輕量化的凹槽設計在九成工件材料會以切屑形式被削除狀況下，需要更高速且有效率的加工方式來降低成本，而薄壁部分的加工條件會根據壁高和厚度而變化，走刀次數則由壁尺寸和軸向切削深度決定。



⚫ 5、尾翼
最後是尾翼部分，雖然本身不提供動力，但是與飛行系統協同運作也是重要角色，這裡一般又會分為水平尾翼（平尾／Horizontal Stabilizer）和垂直尾翼（垂尾／Vertical Stabilizer）兩種設計，平尾具有升降舵用以控制向上或向下，而垂尾則有方向舵用以控制向左或向右，材質上和大多數裝置設計差不多且都是以阻力小、輕而堅固等特性材料，包含鋁合金、碳纖維、複合材料、鈦合金等，不僅要耐用、輕量還要耐高溫、衝擊能力等。

關於機翼部分用表格整合的話：

部位	功能	材質	相關動力
機翼	產生升力、燃油儲存，影響飛航操控與乘載機身	碳纖維複合材料、鋁合金、鈦合金、鎂合金、鎳合金等，近年更以複合材料為趨勢	氣動力、電傳控制、燃油
尾翼	分成平尾和垂尾，個別控制不同方向與作用		機電系統、液壓控制

現代飛機的機翼與尾翼設計趨勢是減重、提高剛性與提升氣動效率，透過先進材料（如碳纖維）與數位控制技術（如電傳飛控）來提高飛機的性能與燃油效率。
 

三、立銑刀的技術與應用

立銑刀是一種用於銑削的精密刀具，適用於2D與3D形狀的加工，如輪廓銑削、溝槽加工與曲面加工，關於立銑刀的文章闡述很多，本次將說明較多航空工業的部分，目前有以下應用：

◼鋁合金零件加工：鋁合金具有良好的可加工性，也有較佳的可塑性，通常使用高轉速的硬質合金立銑刀來提高加工效率。
◼鈦合金零件加工：鈦合金具有高強度與耐腐蝕特性，但加工難度較高，通常使用專門設計的耐磨立銑刀來提升切削性能。
◼碳纖維複合材料加工：由於碳纖維材料的異向性與層狀結構，需要使用特殊塗層與幾何設計的立銑刀，以減少分層與毛邊。

◼民航機零件製造：
　☐ 儀表板：儀表板通常由鋁合金或複合材料製成，使用微細立銑刀進行精密加工，以確保按鍵與顯示屏的精確對齊。
　☐ 機翼：機翼內部的支撐結構與外部蒙皮都需要高精度加工，使用高速鋁合金專用立銑刀來達到理想的光潔度與剛性。
　☐ 座艙內部零件：如駕駛艙控制桿與儀錶盤框架，通常透過高耐磨立銑刀進行加工，以提升使用壽命與安全性。

1、CNC 與立銑刀在航空工業製造的應用
現代飛機製造高度依賴 CNC（數控機床）技術，特別是在高精度零件加工、結構件製造與模具製造方面，立銑刀（End Mills）是 CNC 加工的核心切削工具，以下是應用範圍：（備註：CNC 加工的精度可達 ±0.01mm，確保飛機零件的高一致性與安全性）



2、加工模具在航空製造的應用
加工模具（Tooling）是飛機零件製造的關鍵：
☐ 組裝夾具（Assembly Jig）：固定機身、機翼等大部件，確保組裝精度。
☐ 沖壓模具（Stamping Die）：用於製造鋁合金蒙皮與內部結構件。
☐ 碳纖維成型模具（Composite Mold）：用於製作機身與機翼的碳纖維部件，確保形狀與強度。

3、CNC 銑削在模具製造中的作用：
☐ 高速加工（HSM） 提高模具加工效率，縮短生產時間。
☐ 多軸 CNC（5-axis CNC） 精準加工複雜曲面，提高模具品質。
☐ 耐磨刀具（CBN/PCD 銑刀） 提高碳纖維與鈦合金的加工壽命。

4、加工過程的注意事項
飛機零件加工需確保 高精度、高品質與安全性，常見的注意事項包括：

(1) 材料特性影響加工
☐ 碳纖維複合材料：需使用 PCD 銑刀，避免過熱導致材料變形。
☐ 鈦合金：需低速高扭矩切削，防止刀具過熱與磨損。

(2) CNC 加工技術
☐ 多軸 CNC（5-axis）：減少夾持次數，提高加工精度。
☐ 高速切削（HSM）：提高效率，但需控制切削熱量。

(3) 刀具選擇與維護
☐ 塗層刀具（TiAlN, DLC） 延長刀具壽命，減少換刀時間。
☐ 刀具冷卻（MQL, 冷氣冷卻） 降低溫度，提高加工品質。

(4) 品質控制
☐ 非破壞性檢測（X-ray, 超音波探測）：檢查內部缺陷。
☐ 精密測量（CMM, 激光掃描）：確保公差符合標準（±0.01mm）

四、立銑刀材質與應用範圍
立銑刀的材質選擇取決於加工材料與需求，主要包括：
◼硬質合金（Carbide）：適用於鋁合金、鈦合金與複合材料，具備高耐磨性與長壽命。
◼高速鋼（HSS）：適用於較低硬度的材料，如一般航空鋁材，成本較低但耐磨性較低。
◼聚晶金剛石（PCD）：適用於碳纖維與高耐磨材料，可減少毛邊與延長刀具壽命。
◼立方氮化硼（CBN）：主要用於高硬度材料的精密加工，如鈦合金與鎳基合金。

1、成本考量：
飛機製造成本極高，主要影響因素包括：
◼材料成本：
鈦合金、碳纖維價格昂貴，占比 20-30%。
◼CNC 加工與刀具成本：
☐ 高硬度材料（如鈦合金）需要特殊刀具（PCD/CBN），成本較高。
☐ 高速切削與多軸加工設備價格昂貴，但能提升效率。
◼研發與測試：
☐ 飛機零件必須通過嚴格測試（疲勞測試、強度測試），開發成本高昂。
☐ 品質檢測（CMM、X-ray 檢測） 確保零件無缺陷，增加成本。

2、降低成本方法：
◼增材製造（3D 列印）：減少材料浪費，提高製造效率。
◼刀具優化（高效能銑刀）：選用多刃刀具與耐磨塗層降低刀具消耗。
◼自動化生產：提升 CNC 加工中心的自動化程度，減少人工成本。

3、製造時程：
一架民航機的完整製造時程包含設計、零件加工、組裝與測試，通常需要 9 個月至 3 年，取決於機型與產量的不同，以下為生產時間大致上的分配（僅供參考）：

階段	時間
設計與研發	1-3 年（新機型開發）
零件生產	6-12 個月
機身、機翼組裝	3-6 個月
發動機安裝、內裝裝配	3-4 個月
測試與認證	6-12 個月

現代趨勢如波音 787、空客 A350 等機種皆採用「模組化製造」為主，即全球供應鏈同步生產不同部件，讓組裝速度加快，平均一架飛機約 9-12 個月內完成，飛機製造常以鋁合金、碳纖維複合材料與鈦合金為主，設計時需兼顧氣動力、結構強度與安全性，過程中的CNC 精密加工與立銑刀技術也是至關重要，為確保機身零件的精確度與耐久性，隨著技術發展未來將朝向輕量化、智能化與自動化發展，以提高飛機性能和達到環境友善。
 

五、立銑刀技術的未來發展

航空業的發展依賴於精密製造技術的進步，而立銑刀作為核心切削工具，在提高飛機零件的製造精度與效率方面扮演著關鍵角色。未來，隨著智能製造與新材料技術的發展，立銑刀將繼續為航空業的創新提供支持，隨著航太產業對精度與效率的要求不斷提升，立銑刀技術也在持續創新，如：

◼超硬材料刀具（如PCD與CBN刀具），提升耐磨性與壽命。
◼智慧刀具，搭載感測器進行即時監控，提高加工穩定性。
◼高速加工技術，結合優化刀具幾何與塗層，提高加工效率。

補充說明－何謂升力？

升力（Lift）是飛機能夠飛行的關鍵力量，它是一種空氣動力，作用方向向上，對抗重力，使飛機升空，當機翼前進時，空氣經過機翼的上方和下方，由於伯努利原理，機翼上方的氣流速度較快，壓力較低，而下方氣流較慢，壓力較高，產生升力，此外，根據牛頓第三定律（作用力與反作用力）也發揮作用，機翼將氣流向下推，空氣反作用力則推動飛機向上，飛機的攻角（Angle of Attack）、速度和機翼設計都會影響升力大小。
 

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