全球金融危機的陰霾還沒有褪去，當全世界的航空制造企業還在掙扎著想跳出現在的格局、脫離危機大霧籠罩的時候，巴黎航空展已盛大登場，各航空企業都爭相“競艷”，使出渾身解數亮出各家絕技。
　　但是，支撐這些航空制造業巨頭在展會上大展拳腳的是先進的金屬加工制造技術和機床工具設備。今天，世界航空航天制造業不僅是制造技術的競爭，也是機床工具企業的競爭。航空航天制造中涉及到的各種特種材料，沒有先進的機床工具為基礎，也就沒有現在世界航空業的進步和發展。那么，現在航空航天制造中主要應用到的材料有哪些？材料的特點與其他行業的性能有什么區別？金屬加工中所用的刀具、機床與一般金屬加工有什么差異？為此，我們有幸請到了在航空航天制造中專門從事金屬切削、設備維修和材料應用研究等方面的一線工程師，在《金屬加工》與中國金屬加工在線論“劍”。
　　
　　矛未出 盾先示
　　
　　航空航天制造中所用的材料到底和普通行業中的材料有什么區別？這些材料有什么樣的性能呢？
　　
　　葉洪濤：不斷提高對航空發動機性能指標的要求決定了其材料的發展趨勢。更高的推重比、更高的轉速和渦輪前溫度決定了其構成材料應該具備更輕的重量、更高的強度和耐高溫性能。從國外航空發動機的研發情況看，航空發動中國金屬加工在線版權所有機材料的應用趨勢具有以下特點：①鈦合金在發動機全部材料中所占的比重越來越大，鈦合金與其他金屬結構材料比較，具有比強度高、中溫性能好和耐腐蝕等顯著優點。鈦合金的比重僅為合金鋼的一半左右，而強度比鋁要高得多。早期發動機上所大量使用的鋼、鋁制零部件已被鈦合金所取代。低溫轉動零部件大部分為鈦合金制成，原來出于成本考慮而采用的鋼制機匣也改用鈦合金來制造。②高溫合金取代耐熱中國金屬加工在線版權所有鋼成為高溫零部件的主要材料。壓氣機高溫部件、燃燒室部件、渦輪部件、噴口等基本上使用鎳基和鐵基高溫合金。除了傳統的鍛造和鑄造高溫合金外，定向結晶高溫合金、單晶高溫合金和粉末冶金高溫合金等也已在更大的范圍內開始使用。③復合材料等的應用。外涵機匣等部位開始使用更輕的碳纖維復合材料代替原先的鋁合金或鋼材，以便更大程度上減輕整機重量。
　　
　　張玉峰：不銹鋼、高溫合金以及鋁鎂合金是航天產品制造中所采用的主要材質，但在某些特殊部位用到的高溫合金（包括Fe基、Ni基和Co基三種）與鈦合金材料的加工最讓人頭痛。
　　
　　高溫合金和鈦合金在540℃以上的高溫狀態下仍能保持中國金屬加工在線版權所有很高的強韌性和低的導熱性，被稱為耐熱“超強合金”。這些耐熱 “超強合金”在高溫氧化氣氛或燃氣條件下能長期工作，能增加使用壽命和具有一些特殊的性能，現正被廣泛應用于航空航天、電站以及汽輪機行業。
　　
　　由于耐熱“超強合金”的成分和組織的特性，其切削性能很差。行業內做了個比較，如果以45鋼的切削性能作為基準1，那么Ni基高溫合金的相對加工性僅為0.05～0.2；鈦合金根據含碳量不同（含碳量＞0.2%時會形成硬的碳化物使切削性能下降），其相對加工性也僅為0.2～0.3。
　　
　　耐熱“超強合金”切削性能很差的原因主要為變形抗力大、加工溫度高、加工硬化大等三個方面的主要因素。
　　
　　盾既出 “劍”出鞘
　　
　　既然在航空航天制造業中有這些先進材料的出現，就有我們相關的技術人員來破解這些難加工材料，使他們為我們的航空航天工業服務。
　　沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司楊金發和賀芳兩位工程師在這些材料的加工上有獨到的見解。
　　
　　賀 芳：從金屬加工的角度，按前面兩位工程師所講的趨勢，以鈦合金、高溫合金等為代表的難加工材料的比例正在不斷增加，傳統的鋼、鋁等相對易加工材料的比例則相對減少。這使我們從事金屬加工工藝的人員面臨更為嚴峻的挑戰。
　　
　　與鋼、鋁等材料相比，我們在難加工材料方面的試驗研究開展要少得多。這不僅僅是因為這些材料的應用通常局限于航空航天等專業領域，更關鍵的是由于切削加工性差，刀具壽命短等原因，難加工材料的切削試驗費用遠遠大于普通材料。對于近年來涌現的很多新型航空發動機材料，相關的切削數據也很缺乏。這同時也影響相關數據庫的建設。
　　
　　不過所幸的是， 對于加工一些在國內外航空發動機上應用廣泛的難加工材料牌號如Ti6Al4V、Inconel718等，近20年來，我國航空企業和科研院所還是積累了相當多的加工經驗，并取得了相當多的研究成果。進入本世紀以來，由我們中國金屬加工在線版權所有公司和南京航空航天大學聯合開展的難加工材料高速切削試驗研究中，使用整體硬質合金銑刀已經將Ti6Al4V葉片零件的銑削速度從原來的24m/min提高到了160m/min，而使用可轉位陶瓷刀片銑削 Inconnel718合金材料的速度更是可達300m/min以上。
　　
　　這些研究成果對于新型鈦合金、高溫合金材料的加工研究提供了有益的借鑒。在新型發動機中采用的鈦合金材料，在切削加工性方面要難于 Ti6Al4V，但其加工規律還是相近的。在我們開展鑄造、粉末冶金、定向結晶以及單晶高溫合金的加工研究方面，Inconnel合金的加工經驗還是有很大的幫助。
　　
　　楊金發：航空制造業用刀具的進步推動了航空制造業的發展，高性能刀具不斷滿足航空制造業新型材料加工的需要。特別是在發動機的制造中，硬質合金刀具、陶瓷刀具，CBN刀具等先進刀具在難加工材料的加工中發揮著重要的作用。
　　
　　比如我們在銑削加工某薄壁類零件，材料GH2132固溶并時效后，硬度較高。該材料切削溫度高；加工硬化傾向大；切削時其硬化層深度可達 0.04mm，給切削加工帶來不良影響。材料的強度高，塑性和韌性大，表面殘余應力大，容易造成加工缺陷，使零件表層的性能降低，影響零件表面質量。在切削加工中應合理選擇切削深度和進給量，使切削刃在硬化層下面切削，否則會給切削帶來困難，加快刀具磨損。該零件直徑較大，壁厚中國金屬加工在線版權所有較薄，使得零件的剛度大大下降，導致切削力增大，在加工中會發生振動，引起零件變形，零件表面容易出現振蕩波紋。故我們在切削試驗時，根據工件切深進行多次分層加工。根據零件材料特性選擇的銑刀需具有較高的硬度、耐磨性、熱穩定性、優良的中國金屬加工在線版權所有化學穩定性和很強的導熱性及較低的摩擦因素。必須合理地選擇刀具幾何角度。如果銑刀刀具的幾何角度不合理，會引起零件嚴重變形。因此，我們根據國內外刀具企業的制造特點選擇不同的刀具幾何形狀來加工這種零件。
　　
　　又如，我們在鉆削TC4材料時，因為材料是經過固溶并時效處理，硬度較高。該材料切削變形系數小，零件材料本身易與各種氣體雜質產生強烈的化學反應，導致零件表層的硬度及脆性上升。由于TC4材料導熱系數低，導熱性差，切削熱積于切削刃附近的狹小區域內，加速了刀具磨損。當切削溫度高時，在切削力的作用下，切屑及被加中國金屬加工在線版權所有工零件表面與刀具材料咬合，產生嚴重的黏刀現象，影響零中國金屬加工在線版權所有件表面質量。在TC4 材料上鉆孔，要求鉆頭要有足夠的硬度、耐磨性和較強的排屑能力。根據該類材料的特點，在選擇鉆頭時，最好選用冷卻方式為內冷卻的鉆頭，可以有效地改善切削條件。鉆頭的頂角要稍大一些，不但能夠提高鉆頭的排屑性能，而且有利于刀尖散熱，提高刀具的使用壽命。
　　
　　亮“劍”金屬加工
　　
　　世界上沒有兩枚葉片是完全一樣的，因此，也不管是什么好刀，只要制造廠家不同，他們的產品質量和刀具型號都有自己的特點。
　　也不管企業怎么評價自己的產品，最終用戶的評價應該是最公正、最客觀的。到底是國產的刀具企業制造的刀具優異，還是國外的刀具產品略勝一籌。我們聽聽下面兩位工程師的評價。
　　
　　楊金發：進口刀具的優勢在于加工尺寸精度及穩定性好、使用壽命長、切削效率高，刀具及其配件具有良好互換性。相對劣勢在于進口刀具費用高、供貨周期較長。國產刀具在價格上具有一定的優勢。從目前情況看，有的國產刀具用于進口材料加工，有的進口刀具用于國內材料加工，加工出的刀具切削性能都差不多，而價格差別很大。金融危機前提下，航空企業在采購性價比更高的刀具同時更加偏重于價廉質優的國產刀具。
　　
　　比如我前面講的第一個切削GH2132時，我們就做過國內外兩種不同刀具的切削實驗，根據最終的實驗結果，我們得出了這樣的一個結論，某些國產銑刀在切削性能上已經達到進口刀具的水平，加工出的零件符合航空制造業的要求，但國產刀具質中國金屬加工在線版權量不夠穩定。從刀具成本上分析，國產刀具成本為進口刀具的1/3左右，這非常有效地降低了刀具費用。我們也做過前面我說的第二種材料的鉆削實驗，其結果表明，在使用壽命上國產刀具與國外刀具相差無幾，但是，我們在中國金屬加工在線版權應用國產鉆頭時要根據國產刀具的特點，在刀具的夾持，系統的穩定性以及切削參數優化等方面進行不斷探索。我覺得良好的國產鉆頭具有替代進口鉆頭的能力，而價格卻相當于進口鉆頭1/2左右。應用國產鉆頭，不僅確保了零件加工質量而且使刀具成本大幅下降，達到預期目的。
　　
　　總之，國產刀具替代部分進口刀具符合科學發展觀的要求，航空制造業刀具國產化需求強烈，這對于國內刀具企業來說既是機遇又是挑戰。部分國內刀具企業有不少先進的刃磨設備，刀具的刃磨方面與進口刀具差別不大。在加工某些材料時國產刀具切削性能與進口刀具不相上下，而且某些國產刀具性價比具有一定的優勢，完全可以替代進口刀具。
　　
　　張玉峰：經過這幾年的工作和研究，我覺得國內數控刀具和國外數控刀具的區別主要存在以下兩點：一是科學技術含量低，現階段，硬質合金刀具在發中國金屬加工在線版權所有達國家已占刀具類型的主導地位，比重高達70%。而高速鋼刀具卻正以每年1%～2%的速度縮減，所占比例目前已降至30%以下。同時，硬質合金切削刀具在我國也已經成為加工企業所需的主力刀具，被廣泛地應用在汽車及零部件生產、模具制造、航空中國金屬加工在線版權所有航天等重工業領域，但我國刀具企業卻盲目地、大量地生產高速鋼刀以及一些低檔標準刀具，完全沒有考慮到市場飽和度和企業所需，最終把具有高附加值、高科技含量的中高端刀具市場“拱手相讓”給國外企業。二是服中國金屬加工在線版權所有務與國際不接軌，跨國企業，如德國雄克、日本黛杰、丹麥尤尼莫克、瑞典山高和山特維克可樂滿、美國肯納等刀具生產企業，在漫長的歷史發展中已經積累了豐富的生產經驗，這也就決定了其服務形式不再是“一錘子買賣”，而是超越了只提供給客戶刀具的初級銷售階段，根據客戶在生產過程中碰到的刀具方面的問題，及時地提出解決方案，這種把銷售融入到企業生產過程中的高級形式已成為國外企業慣用的銷售方式，這也是為什么知名刀具企業所生產的產品貴而有市，部分中國企業雖“量大面廣”卻不能贏得客戶的青睞的原因之一。
　　
　　“英雄”誰主沉浮
　　
　　再好的劍沒有出的眾舞劍人也是一把廢鐵。因此，好的刀具應該有一臺好的機床設備來支撐起他的美譽，也只有“英雄”才能配“寶劍”。下面就請看看我們的工程師們是怎么看待國內外的機床工具產品的。
　　
　　張玉峰：航空航天制造業是軍工制造業最為重要的組成部分，其技術水平和生產能力是國家制造業實力和國防科技工業現代化水平的綜合體現，在國民經濟和國防現代化中有著舉足輕重、不可替代的地位和作用。由于航天產品對結構設計、功能和性能、服役環境、產品質量與可靠性等方面都有很高甚至是苛刻的要求，大中國金屬加工在線版權所有量新材料、新結構首先在航空航天產品中得到應用；國防需要以及市場競爭要求航空航天中國金屬加工在線版權所有產品的研制周期和生產周期大大縮短；此外，要求最終產品的全生命周期使用成本不斷降低。航空航天產品對制造技術提出了更高的要求，國內外的航空航天制造業都廣泛地采用先進制造技術。數控機床與裝備是先進制造技術中的重要組成，在航空航天產品制造中已成為決定性的關鍵技術之一。
　　
　　我國從20世紀90年代末開始，掌握了基于通用32位工業控制機開放式體系結構，解決了系統結構的轉換，提高了數控系統可靠性，平均無故障運行時間由5000h提高到15 000h以上，達到國際先進水平。國產中低檔中國金屬加工在線版權所有數控機床在航天產品制造中得到廣泛的應用，主要為數控車床、立式加工中心、數控銑床、數控鏜床、數控齒輪機床、數控磨床、電加工機床、數控成形機床其具有較好的性價比和競爭力，得到了制造業的認可，基本上滿足國內需求。
　　
　　長期依靠國外進口一批急需的，受制于國外的高檔數控機床研發雖然取得了一定的突破，但其精度還有待提高，才能完全適應于航空航天產品的制造。其代表數控機床有五軸聯動橫梁移動式高速龍門銑削加工中心、五軸聯動龍門加工中心、五軸聯動車銑中心、五軸聯動葉片加工中心、五軸聯動臥式加工中心等數控機床設備。
　　
　　作為航空航天制造企業在選擇數控機床的同時，除了比試技術與價格外，也在選數控機床廠商的服務質量。由于現在各企業間的數控機床相當前幾年不管是技術人員還是操作工人都有相當一定的基礎，因此作為數控機床生產廠商，應根據各個企業的實際情況制定專門的服務計劃。
　　
　　高 虹：我公司現有數控設備中，役齡在10年以上的占一半左右，普遍存在的現象是數控系統老化，硬件面臨淘汰，精度喪失，影響到正常的生產，已到了大修周期，急需大修改造，數控系統更新。
　　
　　當前生產數控系統的公司廠家較多，國外如德國西門子公司、日本FANUC公司、法國NUM公司、德國海德漢公司等，國內如武漢華中數控公司、北京航天機床數控系統集團公司、沈陽高檔數控國家工程研究中心和廣州數控公司等，與國外數中國金屬加工在線版權所有控系統相比較，客觀來講，我國數控系統產業發展取得了明顯進步，經濟型數控系統已形成規模優勢，它的功能、性能不斷改善，價格和服務方面還有較大優勢，可靠性與國外系統的差距也已顯著縮小，并且具備全數字交流伺服驅動系統和主軸伺服驅動系統等配套能力，在數控銑床、加工中心等中檔數控機床得到批量配套應用。但我國高檔數控系統的性能、功能、可靠性和適用性與國外中國金屬加工在線版權所有確實還存在比較大的差距，高性能數控系統基本信賴進口，再加上用戶對國產品牌市場認同度低、國內企業規模化生產工藝技術落后，影響產品的可靠性、質量的穩定性，外國品牌依然占領中國市場的80%以上，國產數控系統品牌所占份額很小，市場完全被國外壟斷。尤其是對于國防工業急需的高檔數控機床，國外在配套高檔數控系統方面仍對我國封鎖限制，因此高檔數控系統成為制約我國高檔數控機床發展的主要瓶頸，國產數控系統機床裝備的核心關鍵部件，是決定其性能、功能、可靠性和成本的關鍵因素。
　　
　　因此，對于數控車床、銑床、加工中心的改造中，采用國產數控系統完全可以滿足使用功能要求，而且可以大大降低改造成本，同時促進了國產數控產品向品牌化、產業化發展的步伐。
　　
　　展望未來
　　
　　世界在進步，科技在發展。航空航天事業也在不斷飛速發展，那么只有機床工具這些“寶劍”和“英雄”都不斷的提升自身的能力才能適應這個不斷更新的地球。
　　我們的機床工具將何去何從？看看我們的工程師們是怎么說的？
　　
　　張玉峰：隨著航空航天制造業的發展，在航空航天產品加工過程中中小批量生產的趨勢日益增強，從而對數控機床的柔性和通用性提出了更高的要求，需要市場能提供不同加工需求，并且從高效、低成本面向用戶的控制系統，并大幅度地降低維護和培訓中國金屬加工在線版權的成本，同時還要求新一代數控系統具有方便的網絡功能，便于更好地適應各生產車間任務和定單無紙化的生產組織和管理模式以及DNC數控聯網系統的推進。近十年來，隨著計算機技術的飛速發展，各種不同層次的開放式數控系統應運而生，發展很快，目前正朝標準化中國金屬加工在線所有開放體系結構的方向推進。就現階段結構形式而言，當今世界上的數控系統有傳統數控系統、“PC嵌入NC”結構的開放式數控系統、“NC嵌入PC”結構的開放式數控系統、SOFT型開放式數控系統等四種類型。
　　
　　縱觀這些年來我國數控技術的發展歷程，盡管我們取得了不少成績，但與國外發達國家發展的速度和水平相比，差距還是很大。它主要表現在產品技術含量低、品種少、質量不穩定。由于國產數控系統的競爭力較差，因而，目前我國中高檔數控系統領域基本上被國外產品所壟斷。
　　
　　通過以上數控技術發展的分析，作為航空航天制造企業而言，數控機床的發展方向應該重點實現關鍵功能部件和數控系統產業化，為數控機床產品升級奠定基礎，發展高精度數控化測量儀器和數控刀具，為中高檔數控機床配套。
　　
　　在航空航天制造業中數控機床的數量相當可觀，并且大量引進國外數控加工中心、數控電加工設備等，高精度、高自動化的加工機床成為航空航天制造企業的設備引進重點，這些設備的引進對于提高航空航天制造水平和生產能力發揮了重要的作用，但縱觀整個行業對先進行設備的使用情況來看，其結果并不理想。例如，五軸聯動的數中國金屬加工在線版權所有控機床只用了三軸聯動，數控加工中心當作普通的三軸數銑床使用，導致原因主要為中國金屬加工在線操作人員對數控機床的性能了解不透徹，數控機床培訓不夠。因此作為數控機床的廠商應根據所銷售的數控機床作出詳細的后期培訓計劃，如維修、CAD/CAM的應用、數控系統的升級等，只有服務到位，設備能力用夠了，企業收到了效果了，該公司的數控機床才會在企業中進一步得到推廣。
　　
　　楊金發：航空制造業每一種新型材料的采用都會對刀具性能提出新的要求，國內刀具企業只有不斷適應難加工材料和新型材料加工的需要，充分發揮工具材料的資源優勢和人力資源優勢，在刀具管理水平、質量保障技術等方面迅速提升，才能不斷促進國產刀具在航空制造業中的應用。
　　
　　高 虹：科學技術的進步帶來了我國基礎制造業的突飛猛進，尤其是計算機技術在數控技術領域里的應用，數控產品越來越向著數字化、網絡化、智能化的方向發展，基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數控系統生產企業繼續向開放式、基于PC中國金屬加工在線所有的第六代方向發展。未來數控系統的精度越來越高，速度越來越快，控制功能越來越人性化、智能化，功能越來越強大，復雜性越來越強，相反地，可維修性越來越弱。處于當今這樣一個轉型期，如何與時俱進，以發展的眼中國金屬加工在線版權所有光把握未來數控技術發展方向，打破固有的設備維修模式，研究今后一段時期設備維修的特點，是非常重要和必要的課題。
　　
　　由于現代化的維修技術日益復雜，我們的維修理念、維修思路和手段也應該隨之更新，鑒于數控系統軟件在整個數控機床中所占的比例越來越大，對數控系統軟件、數據管理與維護的方法是值得我們研究和探索的新課題。從辨證的角度來看，CNC系統的硬件和軟件是等價的，硬件為軟件的運行中國金屬加工在線版權所有提供支持環境，軟件用來實現功能和過程管理與控制，以往在設備維修過程中，我們較注重硬件的修理、更換，忽視了數控系統數據及相關軟件的維護方法的總結和應用，在一定程度上弱化了軟件維護在設備維修中所起的作用；以科學的、發展的眼光看待今后數控設備的管理與維修，如果能夠將硬件修理與軟件維護結合起來，必將獲得事半功倍的效果。