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　　全球金融危机的阴霾还没有褪去，当全世界的航空制造企业还在挣扎着想跳出现在的格局、脱离危机大雾笼罩的时候，巴黎航空展已盛大登场，各航空企业都争相“竞艳”，使出浑身解数亮出各家绝技。
　　但是，支撑这些航空制造业巨头在展会上大展拳脚的是先进的金属加工制造技术和机床工具设备。今天，世界航空航天制造业不仅是制造技术的竞争，也是机床工具企业的竞争。航空航天制造中涉及到的各种特种材料，没有先进的机床工具为基础，也就没有现在世界航空业的进步和发展。那么，现在航空航天制造中主要应用到的材料有哪些？材料的特点与其他行业的性能有什么区别？金属加工中所用的刀具、机床与一般金属加工有什么差异？为此，我们有幸请到了在航空航天制造中专门从事金属切削、设备维修和材料应用研究等方面的一线工程师，在《金属加工》与中国金属加工在线论“剑”。
　　
　　矛未出 盾先示
　　
　　航空航天制造中所用的材料到底和普通行业中的材料有什么区别？这些材料有什么样的性能呢？
　　
　　叶洪涛：不断提高对航空发动机性能指标的要求决定了其材料的发展趋势。更高的推重比、更高的转速和涡轮前温度决定了其构成材料应该具备更轻的重量、更高的强度和耐高温性能。从国外航空发动机的研发情况看，航空发动中国金属加工在线版权所有机材料的应用趋势具有以下特点：①钛合金在发动机全部材料中所占的比重越来越大，钛合金与其他金属结构材料比较，具有比强度高、中温性能好和耐腐蚀等显著优点。钛合金的比重仅为合金钢的一半左右，而强度比铝要高得多。早期发动机上所大量使用的钢、铝制零部件已被钛合金所取代。低温转动零部件大部分为钛合金制成，原来出于成本考虑而采用的钢制机匣也改用钛合金来制造。②高温合金取代耐热中国金属加工在线版权所有钢成为高温零部件的主要材料。压气机高温部件、燃烧室部件、涡轮部件、喷口等基本上使用镍基和铁基高温合金。除了传统的锻造和铸造高温合金外，定向结晶高温合金、单晶高温合金和粉末冶金高温合金等也已在更大的范围内开始使用。③复合材料等的应用。外涵机匣等部位开始使用更轻的碳纤维复合材料代替原先的铝合金或钢材，以便更大程度上减轻整机重量。
　　
　　张玉峰：不锈钢、高温合金以及铝镁合金是航天产品制造中所采用的主要材质，但在某些特殊部位用到的高温合金（包括Fe基、Ni基和Co基三种）与钛合金材料的加工最让人头痛。
　　
　　高温合金和钛合金在540℃以上的高温状态下仍能保持中国金属加工在线版权所有很高的强韧性和低的导热性，被称为耐热“超强合金”。这些耐热 “超强合金”在高温氧化气氛或燃气条件下能长期工作，能增加使用寿命和具有一些特殊的性能，现正被广泛应用于航空航天、电站以及汽轮机行业。
　　
　　由于耐热“超强合金”的成分和组织的特性，其切削性能很差。行业内做了个比较，如果以45钢的切削性能作为基准1，那么Ni基高温合金的相对加工性仅为0.05～0.2；钛合金根据含碳量不同（含碳量＞0.2%时会形成硬的碳化物使切削性能下降），其相对加工性也仅为0.2～0.3。
　　
　　耐热“超强合金”切削性能很差的原因主要为变形抗力大、加工温度高、加工硬化大等三个方面的主要因素。
　　
　　盾既出 “剑”出鞘
　　
　　既然在航空航天制造业中有这些先进材料的出现，就有我们相关的技术人员来破解这些难加工材料，使他们为我们的航空航天工业服务。
　　沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司杨金发和贺芳两位工程师在这些材料的加工上有独到的见解。
　　
　　贺 芳：从金属加工的角度，按前面两位工程师所讲的趋势，以钛合金、高温合金等为代表的难加工材料的比例正在不断增加，传统的钢、铝等相对易加工材料的比例则相对减少。这使我们从事金属加工工艺的人员面临更为严峻的挑战。
　　
　　与钢、铝等材料相比，我们在难加工材料方面的试验研究开展要少得多。这不仅仅是因为这些材料的应用通常局限于航空航天等专业领域，更关键的是由于切削加工性差，刀具寿命短等原因，难加工材料的切削试验费用远远大于普通材料。对于近年来涌现的很多新型航空发动机材料，相关的切削数据也很缺乏。这同时也影响相关数据库的建设。
　　
　　不过所幸的是， 对于加工一些在国内外航空发动机上应用广泛的难加工材料牌号如Ti6Al4V、Inconel718等，近20年来，我国航空企业和科研院所还是积累了相当多的加工经验，并取得了相当多的研究成果。进入本世纪以来，由我们中国金属加工在线版权所有公司和南京航空航天大学联合开展的难加工材料高速切削试验研究中，使用整体硬质合金铣刀已经将Ti6Al4V叶片零件的铣削速度从原来的24m/min提高到了160m/min，而使用可转位陶瓷刀片铣削 Inconnel718合金材料的速度更是可达300m/min以上。
　　
　　这些研究成果对于新型钛合金、高温合金材料的加工研究提供了有益的借鉴。在新型发动机中采用的钛合金材料，在切削加工性方面要难于 Ti6Al4V，但其加工规律还是相近的。在我们开展铸造、粉末冶金、定向结晶以及单晶高温合金的加工研究方面，Inconnel合金的加工经验还是有很大的帮助。
　　
　　杨金发：航空制造业用刀具的进步推动了航空制造业的发展，高性能刀具不断满足航空制造业新型材料加工的需要。特别是在发动机的制造中，硬质合金刀具、陶瓷刀具，CBN刀具等先进刀具在难加工材料的加工中发挥着重要的作用。
　　
　　比如我们在铣削加工某薄壁类零件，材料GH2132固溶并时效后，硬度较高。该材料切削温度高；加工硬化倾向大；切削时其硬化层深度可达 0.04mm，给切削加工带来不良影响。材料的强度高，塑性和韧性大，表面残余应力大，容易造成加工缺陷，使零件表层的性能降低，影响零件表面质量。在切削加工中应合理选择切削深度和进给量，使切削刃在硬化层下面切削，否则会给切削带来困难，加快刀具磨损。该零件直径较大，壁厚中国金属加工在线版权所有较薄，使得零件的刚度大大下降，导致切削力增大，在加工中会发生振动，引起零件变形，零件表面容易出现振荡波纹。故我们在切削试验时，根据工件切深进行多次分层加工。根据零件材料特性选择的铣刀需具有较高的硬度、耐磨性、热稳定性、优良的中国金属加工在线版权所有化学稳定性和很强的导热性及较低的摩擦因素。必须合理地选择刀具几何角度。如果铣刀刀具的几何角度不合理，会引起零件严重变形。因此，我们根据国内外刀具企业的制造特点选择不同的刀具几何形状来加工这种零件。
　　
　　又如，我们在钻削TC4材料时，因为材料是经过固溶并时效处理，硬度较高。该材料切削变形系数小，零件材料本身易与各种气体杂质产生强烈的化学反应，导致零件表层的硬度及脆性上升。由于TC4材料导热系数低，导热性差，切削热积于切削刃附近的狭小区域内，加速了刀具磨损。当切削温度高时，在切削力的作用下，切屑及被加中国金属加工在线版权所有工零件表面与刀具材料咬合，产生严重的黏刀现象，影响零中国金属加工在线版权所有件表面质量。在TC4 材料上钻孔，要求钻头要有足够的硬度、耐磨性和较强的排屑能力。根据该类材料的特点，在选择钻头时，最好选用冷却方式为内冷却的钻头，可以有效地改善切削条件。钻头的顶角要稍大一些，不但能够提高钻头的排屑性能，而且有利于刀尖散热，提高刀具的使用寿命。
　　
　　亮“剑”金属加工
　　
　　世界上没有两枚叶片是完全一样的，因此，也不管是什么好刀，只要制造厂家不同，他们的产品质量和刀具型号都有自己的特点。
　　也不管企业怎么评价自己的产品，最终用户的评价应该是最公正、最客观的。到底是国产的刀具企业制造的刀具优异，还是国外的刀具产品略胜一筹。我们听听下面两位工程师的评价。
　　
　　杨金发：进口刀具的优势在于加工尺寸精度及稳定性好、使用寿命长、切削效率高，刀具及其配件具有良好互换性。相对劣势在于进口刀具费用高、供货周期较长。国产刀具在价格上具有一定的优势。从目前情况看，有的国产刀具用于进口材料加工，有的进口刀具用于国内材料加工，加工出的刀具切削性能都差不多，而价格差别很大。金融危机前提下，航空企业在采购性价比更高的刀具同时更加偏重于价廉质优的国产刀具。
　　
　　比如我前面讲的第一个切削GH2132时，我们就做过国内外两种不同刀具的切削实验，根据最终的实验结果，我们得出了这样的一个结论，某些国产铣刀在切削性能上已经达到进口刀具的水平，加工出的零件符合航空制造业的要求，但国产刀具质中国金属加工在线版权量不够稳定。从刀具成本上分析，国产刀具成本为进口刀具的1/3左右，这非常有效地降低了刀具费用。我们也做过前面我说的第二种材料的钻削实验，其结果表明，在使用寿命上国产刀具与国外刀具相差无几，但是，我们在中国金属加工在线版权应用国产钻头时要根据国产刀具的特点，在刀具的夹持，系统的稳定性以及切削参数优化等方面进行不断探索。我觉得良好的国产钻头具有替代进口钻头的能力，而价格却相当于进口钻头1/2左右。应用国产钻头，不仅确保了零件加工质量而且使刀具成本大幅下降，达到预期目的。
　　
　　总之，国产刀具替代部分进口刀具符合科学发展观的要求，航空制造业刀具国产化需求强烈，这对于国内刀具企业来说既是机遇又是挑战。部分国内刀具企业有不少先进的刃磨设备，刀具的刃磨方面与进口刀具差别不大。在加工某些材料时国产刀具切削性能与进口刀具不相上下，而且某些国产刀具性价比具有一定的优势，完全可以替代进口刀具。
　　
　　张玉峰：经过这几年的工作和研究，我觉得国内数控刀具和国外数控刀具的区别主要存在以下两点：一是科学技术含量低，现阶段，硬质合金刀具在发中国金属加工在线版权所有达国家已占刀具类型的主导地位，比重高达70%。而高速钢刀具却正以每年1%～2%的速度缩减，所占比例目前已降至30%以下。同时，硬质合金切削刀具在我国也已经成为加工企业所需的主力刀具，被广泛地应用在汽车及零部件生产、模具制造、航空中国金属加工在线版权所有航天等重工业领域，但我国刀具企业却盲目地、大量地生产高速钢刀以及一些低档标准刀具，完全没有考虑到市场饱和度和企业所需，最终把具有高附加值、高科技含量的中高端刀具市场“拱手相让”给国外企业。二是服中国金属加工在线版权所有务与国际不接轨，跨国企业，如德国雄克、日本黛杰、丹麦尤尼莫克、瑞典山高和山特维克可乐满、美国肯纳等刀具生产企业，在漫长的历史发展中已经积累了丰富的生产经验，这也就决定了其服务形式不再是“一锤子买卖”，而是超越了只提供给客户刀具的初级销售阶段，根据客户在生产过程中碰到的刀具方面的问题，及时地提出解决方案，这种把销售融入到企业生产过程中的高级形式已成为国外企业惯用的销售方式，这也是为什么知名刀具企业所生产的产品贵而有市，部分中国企业虽“量大面广”却不能赢得客户的青睐的原因之一。
　　
　　“英雄”谁主沉浮
　　
　　再好的剑没有出的众舞剑人也是一把废铁。因此，好的刀具应该有一台好的机床设备来支撑起他的美誉，也只有“英雄”才能配“宝剑”。下面就请看看我们的工程师们是怎么看待国内外的机床工具产品的。
　　
　　张玉峰：航空航天制造业是军工制造业最为重要的组成部分，其技术水平和生产能力是国家制造业实力和国防科技工业现代化水平的综合体现，在国民经济和国防现代化中有着举足轻重、不可替代的地位和作用。由于航天产品对结构设计、功能和性能、服役环境、产品质量与可靠性等方面都有很高甚至是苛刻的要求，大中国金属加工在线版权所有量新材料、新结构首先在航空航天产品中得到应用；国防需要以及市场竞争要求航空航天中国金属加工在线版权所有产品的研制周期和生产周期大大缩短；此外，要求最终产品的全生命周期使用成本不断降低。航空航天产品对制造技术提出了更高的要求，国内外的航空航天制造业都广泛地采用先进制造技术。数控机床与装备是先进制造技术中的重要组成，在航空航天产品制造中已成为决定性的关键技术之一。
　　
　　我国从20世纪90年代末开始，掌握了基于通用32位工业控制机开放式体系结构，解决了系统结构的转换，提高了数控系统可靠性，平均无故障运行时间由5000h提高到15 000h以上，达到国际先进水平。国产中低档中国金属加工在线版权所有数控机床在航天产品制造中得到广泛的应用，主要为数控车床、立式加工中心、数控铣床、数控镗床、数控齿轮机床、数控磨床、电加工机床、数控成形机床其具有较好的性价比和竞争力，得到了制造业的认可，基本上满足国内需求。
　　
　　长期依靠国外进口一批急需的，受制于国外的高档数控机床研发虽然取得了一定的突破，但其精度还有待提高，才能完全适应于航空航天产品的制造。其代表数控机床有五轴联动横梁移动式高速龙门铣削加工中心、五轴联动龙门加工中心、五轴联动车铣中心、五轴联动叶片加工中心、五轴联动卧式加工中心等数控机床设备。
　　
　　作为航空航天制造企业在选择数控机床的同时，除了比试技术与价格外，也在选数控机床厂商的服务质量。由于现在各企业间的数控机床相当前几年不管是技术人员还是操作工人都有相当一定的基础，因此作为数控机床生产厂商，应根据各个企业的实际情况制定专门的服务计划。
　　
　　高 虹：我公司现有数控设备中，役龄在10年以上的占一半左右，普遍存在的现象是数控系统老化，硬件面临淘汰，精度丧失，影响到正常的生产，已到了大修周期，急需大修改造，数控系统更新。
　　
　　当前生产数控系统的公司厂家较多，国外如德国西门子公司、日本FANUC公司、法国NUM公司、德国海德汉公司等，国内如武汉华中数控公司、北京航天机床数控系统集团公司、沈阳高档数控国家工程研究中心和广州数控公司等，与国外数中国金属加工在线版权所有控系统相比较，客观来讲，我国数控系统产业发展取得了明显进步，经济型数控系统已形成规模优势，它的功能、性能不断改善，价格和服务方面还有较大优势，可靠性与国外系统的差距也已显著缩小，并且具备全数字交流伺服驱动系统和主轴伺服驱动系统等配套能力，在数控铣床、加工中心等中档数控机床得到批量配套应用。但我国高档数控系统的性能、功能、可靠性和适用性与国外中国金属加工在线版权所有确实还存在比较大的差距，高性能数控系统基本信赖进口，再加上用户对国产品牌市场认同度低、国内企业规模化生产工艺技术落后，影响产品的可靠性、质量的稳定性，外国品牌依然占领中国市场的80%以上，国产数控系统品牌所占份额很小，市场完全被国外垄断。尤其是对于国防工业急需的高档数控机床，国外在配套高档数控系统方面仍对我国封锁限制，因此高档数控系统成为制约我国高档数控机床发展的主要瓶颈，国产数控系统机床装备的核心关键部件，是决定其性能、功能、可靠性和成本的关键因素。
　　
　　因此，对于数控车床、铣床、加工中心的改造中，采用国产数控系统完全可以满足使用功能要求，而且可以大大降低改造成本，同时促进了国产数控产品向品牌化、产业化发展的步伐。
　　
　　展望未来
　　
　　世界在进步，科技在发展。航空航天事业也在不断飞速发展，那么只有机床工具这些“宝剑”和“英雄”都不断的提升自身的能力才能适应这个不断更新的地球。
　　我们的机床工具将何去何从？看看我们的工程师们是怎么说的？
　　
　　张玉峰：随着航空航天制造业的发展，在航空航天产品加工过程中中小批量生产的趋势日益增强，从而对数控机床的柔性和通用性提出了更高的要求，需要市场能提供不同加工需求，并且从高效、低成本面向用户的控制系统，并大幅度地降低维护和培训中国金属加工在线版权的成本，同时还要求新一代数控系统具有方便的网络功能，便于更好地适应各生产车间任务和定单无纸化的生产组织和管理模式以及DNC数控联网系统的推进。近十年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快，目前正朝标准化中国金属加工在线所有开放体系结构的方向推进。就现阶段结构形式而言，当今世界上的数控系统有传统数控系统、“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统、“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统、SOFT型开放式数控系统等四种类型。
　　
　　纵观这些年来我国数控技术的发展历程，尽管我们取得了不少成绩，但与国外发达国家发展的速度和水平相比，差距还是很大。它主要表现在产品技术含量低、品种少、质量不稳定。由于国产数控系统的竞争力较差，因而，目前我国中高档数控系统领域基本上被国外产品所垄断。
　　
　　通过以上数控技术发展的分析，作为航空航天制造企业而言，数控机床的发展方向应该重点实现关键功能部件和数控系统产业化，为数控机床产品升级奠定基础，发展高精度数控化测量仪器和数控刀具，为中高档数控机床配套。
　　
　　在航空航天制造业中数控机床的数量相当可观，并且大量引进国外数控加工中心、数控电加工设备等，高精度、高自动化的加工机床成为航空航天制造企业的设备引进重点，这些设备的引进对于提高航空航天制造水平和生产能力发挥了重要的作用，但纵观整个行业对先进行设备的使用情况来看，其结果并不理想。例如，五轴联动的数中国金属加工在线版权所有控机床只用了三轴联动，数控加工中心当作普通的三轴数铣床使用，导致原因主要为中国金属加工在线操作人员对数控机床的性能了解不透彻，数控机床培训不够。因此作为数控机床的厂商应根据所销售的数控机床作出详细的后期培训计划，如维修、CAD/CAM的应用、数控系统的升级等，只有服务到位，设备能力用够了，企业收到了效果了，该公司的数控机床才会在企业中进一步得到推广。
　　
　　杨金发：航空制造业每一种新型材料的采用都会对刀具性能提出新的要求，国内刀具企业只有不断适应难加工材料和新型材料加工的需要，充分发挥工具材料的资源优势和人力资源优势，在刀具管理水平、质量保障技术等方面迅速提升，才能不断促进国产刀具在航空制造业中的应用。
　　
　　高 虹：科学技术的进步带来了我国基础制造业的突飞猛进，尤其是计算机技术在数控技术领域里的应用，数控产品越来越向着数字化、网络化、智能化的方向发展，基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产企业继续向开放式、基于PC中国金属加工在线所有的第六代方向发展。未来数控系统的精度越来越高，速度越来越快，控制功能越来越人性化、智能化，功能越来越强大，复杂性越来越强，相反地，可维修性越来越弱。处于当今这样一个转型期，如何与时俱进，以发展的眼中国金属加工在线版权所有光把握未来数控技术发展方向，打破固有的设备维修模式，研究今后一段时期设备维修的特点，是非常重要和必要的课题。
　　
　　由于现代化的维修技术日益复杂，我们的维修理念、维修思路和手段也应该随之更新，鉴于数控系统软件在整个数控机床中所占的比例越来越大，对数控系统软件、数据管理与维护的方法是值得我们研究和探索的新课题。从辨证的角度来看，CNC系统的硬件和软件是等价的，硬件为软件的运行中国金属加工在线版权所有提供支持环境，软件用来实现功能和过程管理与控制，以往在设备维修过程中，我们较注重硬件的修理、更换，忽视了数控系统数据及相关软件的维护方法的总结和应用，在一定程度上弱化了软件维护在设备维修中所起的作用；以科学的、发展的眼光看待今后数控设备的管理与维修，如果能够将硬件修理与软件维护结合起来，必将获得事半功倍的效果。