复合材料制造用专用机床（精选7篇）
中国航空工业第一集团公司科技发展部 郝建伟
中国航空工业发展研究中心 陈亚莉
先进复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空结构材料，在航空产品上得到了广泛应用，已成为新一代飞机机体的主体结构材料。复合材料先进技术的成熟使其性能最优和低成本成为可能，从而大大推动了复合材料在飞机上的应用。一些大的飞机制造商在飞机设计制造中，正逐步减少传统金属加工的比例，优先发展复合材料制造。本文旨在介绍在复合材料制造过程中所涉及到的主要工艺和先进专用设备。复合材料在飞机上的应用
随着复合材料制造技术的发展，复合材料在飞机上的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一。复合材料在飞机上的应用趋势有如下几点：（1）复合材料在飞机上的用量日益增多。
复合材料的用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比来表示，世界上各大航空制造公司在复合材料用量方面都呈现增长的趋势。最有代表性的是空客公司的A380客机和后续的A350飞机以及波音公司的B787飞机。A380上复合材料用量约30t。B787复合材料用量达到50%。而A350飞机复合材料用量更是达到了创纪录的52%。复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势，近几年得到迅速发展的无人机更是将复合材料用量推向更高水平。
（2）应用部位由次承力结构向主承力结构发展。
最初采用复合材料制造的是飞机的舱门、整流罩、安定面等次承力结构。目前，复合材料已经广泛应用于机身、机翼等主承力结构。主承载部位大量应用复合材料使飞机的性能得到大幅度提升，由此带来的经济效益非常显著，也推动了复合材料的发展。（3）在复杂外形结构上的应用愈来愈广泛。
飞机上用复合材料制造的复杂曲面制件也越来越多，如A380和B787飞机上的机身段，球面后压力隔框等，均采用纤维铺放技术和树脂膜渗透（RFI）工艺制造。（4）复合材料构件的复杂性大幅度增加，大型整体、共固化成型成为主流。
在飞机上大量采用复合材料的最直接的效果是减重，复合材料制件采用共固化、整体成型技术，能够成型大型整体部件，明显减少零件、紧固件和模具的数量，减少零件装配，从而有效地降低制造成本。
（5）复合材料的制造手段和先进专用设备得到迅速发展和广泛应用。
传统的复合材料制造技术自动化程度低，复合材料制件的质量不稳定，分散性大，可靠性差，生产成本居高不下，无法生产大型和复杂的复合材料制件。飞机结构尺寸的不断增加使大尺寸复合材料制件的制造工艺变得极为重要。
近年来，出现了各种各样的自动化程度较高的制造技术，如纤维铺放、树脂膜转移成型/渗透成型、电子束固化等技术。随之研制并得以工业化应用的先进、高效、低成本专用设备也层出不穷，如三维编织机、全自动铺带设备和丝束铺放设备等。这些高效自动化设备显著提高了复合材料生产效率和制件内部质量，降低了成本，使复合材料性能最优化和低成本并存成为可能。
复合材料制造工艺及主要设备 复合材料成型是一个比较复杂的过程。随着各种新工艺、新技术的涌现，复合材料制造工艺已成为复合材料加工制造的关键，涵盖的技术面广、技术含量高，涉及的成本份额占总成本的80%以上。
根据用途、批量、市场等要求的不同，航空航天用复合材料产品的成型工艺采用了手工铺层、半自动成型、全自动成型以及液体成型等技术。下面就生产中主要涉及的工艺方法和主要设备加以重点说明。
（1）手工铺层。
目前，手工铺层仍是被广泛使用的传统成型方法，甚至像B-2轰炸机以及一些通用飞机的制造也采用了大量的手工铺层工序。因为这些产品的定货量往往是一位数，而质量要求很高。手工铺贴方法的优点是可使蒙皮厚度有大的变化，进行局部加强，嵌入接头用的金属加强片，形成加强筋和蜂窝夹芯区等。
目前，手工铺层使用了许多专用设备来控制和保证铺层的质量，如复合材料预浸料自动剪裁下料系统和铺层激光定位系统等，即采用专门的数控切割设备来进行预浸料和辅助材料的平面切割，从而将依赖于样板的制造过程转变为可根据复合材料设计软件产生的数据文件进行全面运作的制造过程。
手工铺层的缺点是要求铺层人员有很高的技艺和施工经验，手工铺贴费工费时，因此效率低、成本高（占总成本的1/4），难以适应大批量生产和大型复杂复合材料制件的生产要求。因此，在60年代初，在手工铺层复合材料实施几年之后，就开发了自动铺带（ATL）技术。
即使在美国,人工铺带也仍然采用,这是美国 Liberty Aerospace的工人正在操作
（2）自动铺带（ATL）。
自动铺带技术采用有隔离衬纸的单向预浸带，其裁剪、定位、铺叠、辊压均采用数控技术自动完成，由自动铺带机实现。多轴龙门式机械臂完成铺带位置的自动控制，铺带头上装有预浸带输送和切割系统，根据待铺放工件边界轮廓自动完成预浸带的铺放和特定形状位置的切割。预浸带在加热状态时，在压辊的压力作用下铺叠到模具表面。
自动铺带机根据铺放制件的几何特征可分为平面铺带和曲面铺带两类。随着自动铺带设备、编程、计算机软件、铺带技术以及材料的进一步发展，自动铺带的效率变得更高，性能更可靠，操作性更友好。与手工相比，先进铺带技术可降低制造成本的30%～50％，可成型超大尺寸和形状复杂的复合材料制件，而且质量稳定，缩短了铺层及装配时间，工件近净成型，切削加工及原材料耗费减少。目前，最先进的第五代铺带机是带有双超声切割刀和缝隙光学探测器的十轴铺带机，铺带宽度最大可达到300mm，生产效率可达到手工铺叠的数十倍。
自动铺带机要成型复杂双曲率型面，需采用窄带，工作效率会降低，而一台铺带机的价格需要3～5百万美元，成本太高。由此，Hercules率先开发了自动丝束铺放（ATP）设备。（3）自动丝束铺放（ATP）。
自动丝束铺放技术结合了自动铺带和纤维缠绕技术的优点，铺束头把缠绕技术所用的不同预浸纱束独立输送和铺带技术所用的压实、切割、重送功能结合在一起，由铺束头将数根预浸纱束在压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带，然后铺放在芯模表面，铺放过程中加热软化预浸纱束并压实定型。
与自动铺带相比，自动铺丝束技术可以成型更复杂的结构件，材料消耗率低，是自动化制造技术的顶峰，ATP设备对复合材料的重要性相当于铣床对金属材料结构的重要性。它是介于自动缠绕与自动铺带之间的一种铺层方法，特别适于复杂构件的制造。自动铺放技术的基础是铺放机的设计与开发。
以美国辛辛那提机床公司Viper纤维铺放机系统为例。Viper纤维铺放系统将缠绕、特型铺带及计算机控制结合起来，自动生产需要大量手工铺层的复杂零件，从而缩短铺层及装配时间，由于工件近净成型，切削加工及原材料耗费减少。
沃特公司制造波音787的23%的机身，其中包括5.8m×7m的47段及4.3m×4.6m的48段，采用了来自辛辛那提公司的自动铺放机Viper6000。制造时，将东丽的3900系碳/环氧无纬带铺叠在大的筒形旋转模具上，模具由互锁的芯轴组成，筒形件铺成后放在23.2m×9.1m的、世界上体积最大的热压罐中固化。目前，自动丝束铺放机已可铺放窄带及宽带丝束。预浸丝束/带的机器人自动铺放已成为高性能纤维增强复合材料结构的一种强力高效技术。它是机电装备技术、CAD/CAM软件技术和材料工艺技术的综合集成，包括：自动铺放装备技术、预浸丝束/带切割技术、铺放CAD技术、铺放CAM技术、预浸丝束/带技术、自动铺放工艺技术、铺放质量控制、模具技术、成本分析及控制和一体化协同数字化设计技术等，具有高效率、高质量、高重复性和低成本等优点。
Viper6000大型ATP机,代表了当今自动丝束铺放最高水平
（4）热压罐固化成型。
热压罐固化成型是航空航天复合材料结构件传统的制造工艺，它有产品重复性好、纤维体积含量高、孔隙率低或无孔隙、力学性能可靠等优点。热压罐固化的缺点主要是耗能高以及运行成本高等。而目前大型复合材料构件必需在大型或超大型热压罐内固化，以保证制件的内部质量，因此热压罐的三维尺寸也在不断加大，以适应大尺寸复合材料制件的加工要求。目前，热压罐都采用先进的加热控温系统和计算机控制系统，能够有效地保证在罐内工作区域的温度分布均匀，保证复合材料制件的内部质量和批次稳定性，如准确的树脂含量、低或无空隙率和无内部其他缺陷。这也是热压罐一直沿用至今的主要原因。
（5）复合材料液体成型。
复合材料液体成型已是十分普及的工艺，它是以树脂转移成型（RTM）为主体，包括各种派生的RTM技术，大约有25～30种之多，其中，RTM、真空辅助RTM（VARTM）、真空辅助树脂注射成型（VARI）、树脂膜熔浸成型（RFI）和树脂浸渍成形（SCRIMP）被称为RTM的5大主要成型工艺，也是目前应用最多的RTM工艺。
RTM的优点是成品的损伤容限高，可成型精度高、孔隙率小的复杂构件及大型整体件。RTM成型的关键是，要有适当的增强预形件以及适当黏度的树脂或树脂膜。RTM要求树脂在注射温度下的黏度值低，第一代环氧树脂的粘度要求在500cps（0.5Pa·s）以下，以前对于较大尺寸的构件要求树脂黏度低于250cps（0.25Pa·s），RTM工艺的主要设备是各种树脂注射机和整体密闭型模具。
随着新型增强材料结构的不断创新，编织技术和预成形体技术与RTM技术相结合，形成了新的工艺发展和应用方向。如采用三维编织技术将增强材料预制成3D结构，然后再与RTM工艺复合，也可将纤维织物通过缝纫或粘结的方法，直接预制成制件形状，再采用RTM工艺成型复合材料。
例如，EADS军用飞机公司为B787后机身段制造的后压力隔框，它是一个半球形的整体隔框，插在增压的机身47段及非增压的48段及尾段之间，它是用VARTM制造的，尺寸大约为4.3m×4.6m，波音787是首架具有复合材料后压力隔框的飞机。该隔框的制造得益于Cytec公司的树脂熔渗膜系统。韧化的复合材料有顶级阻燃/烟/毒性能，可以取消防火层，从而比传统的树脂熔渗法制得的结构轻。而波音787机身的大部分隔框则采用了碳纤维树脂膜熔渗RFI技术制造，复合材料隔框用碳纤维复合材料抗剪箍连接在机身蒙皮上，由于设计及成本上的原因，少数部位仍采用钛合金及铝合金隔框。
（6）隔膜成型。
隔膜成型原是一种为热塑性复合材料开发的成型工艺，后发现用于热固性复合材料具有很广泛的用途。它具有成型过程中纤维不易滑动、不易产生皱褶的特殊功效，非常适用于加工大型飞机机翼前梁的C形截面。在近年推出的A400M等大型飞机前梁C形截面中，已广泛采用了这种工艺方法。
为成型出C形截面，预形件从铺带机上卸下送到由英国Aeroform公司提供的热包膜成型机设备上成型。为便于抽真空，预形件应夹在两个由俄亥俄州的杜邦电子技术公司提供的Kapton聚酰亚胺薄膜之间。薄膜之间抽真空，然后从零件上面进行红外加热，直到1h内将温度升到60℃。这样可以保证即使在梁根部的最厚截面中心，也可均匀加热到同一温度。然后缓缓对两薄膜间层合板加压，而在轻质模具上形成梁的内表面。这个C形截面可在30min内缓慢成型之后，去掉Kapton薄膜。
在欧洲推出的ALCAS计划中，这种成型方法已成为加工飞机前梁的一种典型工艺方法。（7）复合材料制件加工、装配及无损检测。
复合材料制件成型后，需要进行机械加工，包括外形尺寸加工、钻孔等，要求具有很高的加工质量。复合材料制件属于脆性各向异性材料，常规的加工方法不能满足复合材料加工质量要求。传统切割方式在加工纤维材料时具有以下缺点：切割速度慢、效率低；复合材料制件属于易变形材料，切割精度难以保证；在切割高韧性材料时，刀具和钻头等磨损快、损耗大；加工复合材料层合板时易发生分层破坏等。因此要求复合材料生产需配备大型自动化高压水切割机、超声切割设备和数控自动化钻孔系统等专用设备，以满足复合材料制件经加工后无分层磨损且符合装配尺寸精度的要求。
大型机翼蒙皮层合板一般采用大型高压水切割机进行净形切割，世界上最大切割机的床身为36m×6.5m，由Flow International公司制造。这种磨粒喷水切割机可以快速切割厚的层合板而不致产生层合板过热，25mm厚的层合板可以0.67m/min速度切割，对6mm薄的层合板，切割速度可以高达3m/min，厚的蒙皮可以0.39m/min速度切割。
超声切割设备将超声振动能量加载在切割刀具上，可有效地分离纤维材料的边界，从而有效解决上述传统切割方法带来的问题。超声切割技术的切割质量优良，具有无毛刺、无刀具磨损、无碳化材料、切割力小、不易造成分层，切割速度快、精度高等特点。已经在国外航空企业内得到广泛的应用。
随着飞机的金属结构逐渐向复合材料结构转移，复合材料制造的自动化显得日益重要。而自动化程度较高的装配技术尤其显得重要。复合材料的使用使飞机机体有可能采用大型整体结构件制造，如787最后总装只进行六大部件的对接，即前机身、中机身、后机身、机翼、水平安定面和垂直尾翼。这些整体大部件使装配过程中避免使用传统巨型工装，而更多地采用便携式工具。飞机结构件的移动不采用龙门吊车。
柔性装配、自动钻铆等先进技术集成应用于复合材料大型部件的自动装配中。飞机柔性装配技术考虑作为装配对象的航空产品本身特征，基于飞机产品数字化定义，通过飞机柔性装配流程、数字化装配技术、装配工装设计、装配工艺优化、自动定位与控制技术、测量、精密钻孔、伺服控制、夹持等实现飞机零部件快速精确的定位和装配，可减少装配工装的种类和数量，提高装配效率和装配准确度，提高快速响应能力，缩短飞机装配周期，增强飞机快速研制能力。它是一种能适应快速研制、生产及低成本制造要求、满足设备和工装模块化可重组的先进装配技术。如B787的复合材料机翼结构件的移动采用了自动化导引车等柔性装配技术。
自动钻铆机广泛应用于复合材料大型部件的自动装配，如A380机翼装配采用了自动化可移动钻孔设备。这些钻削设备与传统金属材料钻削设备的本质区别在于，为保持铆钉孔周围的结构完整性，要求钻孔时无分层，因此制孔一般要用硬质切削刀具，采用多步钻孔法。鉴于复合材料的制造方法不同，其可切削加工性也各异。例如，编织结构为“十”字形花样的织物，比单向排列的织物带易切削，后者的磨损力更大且易产生分层、钻孔时有纤维未切到的问题。因此，根据复合材料构件不同的成型方式，应选择不同的钻削参数、材料及形状的钻头。
意大利自动钻铆机
复合材料制件无损检测设备主要需要配置大型超声C扫描设备和X光无损检测设备。此外，激光剪切摄影及激光超声检测也是主要发展方向。在超声检验技术方面最重要的进展之一是相控阵检验的开发。相控阵超声检验与传统超声检验相比，改进了探测的概率，并明显加快了检验速度。
传统的超声检验要用许多个不同的探头来作综合性的体积分析，而相控阵检验用一个多元探头即可完成同样的结果。这是由于每一个元素探头可以进行电子扫描和电子聚焦，每一元素探头的启动有一个时间上的延迟。其结果是合成的超声束的入射角可加以变化，焦点深度也可以变化，这就是说体积检验的速度可以比传统法快得多。因为用传统法时，探头必须适时更换，而且必需多路传输才能得出不同的入射角和焦点深度。此外，相控阵探头可提供更宽的覆盖范围，从而比传统探头有更高的生产效率。（8）复合材料数字化设计制造一体化。
复合材料零件成型独特的工艺特点决定了它在设计制造方面与金属零件有很大差异，而且更加复杂。
复合材料构件数字化设计制造以复合材料设计/制造平台和附和材料数字化制造设备为软硬件基础。改变了传统复合材料的设计/制造方式，采用数字量形式对产品进行全面描述和数据传递，实现了设计与制造之间的无缝集成。
复合材料设计软件与现有CAD系统的集成为设计/制造复合材料构件提供了有力平台。包括初步设计、工程详细设计、制造详细设计和制造输出4个阶段。
复合材料构件数字化制造过程包括预浸料下料、铺层铺放、固化等工序，目前复合材料构件数字化制造主要体现在预浸料自动下料、激光铺层定位和纤维自动铺放等方面。
例如，在B787项目中复合材料构件均采用了FiberSIM软件进行数字化设计，将设计数据向全球伙伴发放，从而保证了复合材料构件数据的唯一性和准确性。由于B787大量采用数字化设计，因此其研发周期比B777缩短了3年。
复合材料构件数字化设计制造使实施并行工程成为可能，在设计早期阶段解决制造问题，大大减少了车间修改和重复工作。设 计和制造数据的无缝集成缩短了制造时间，减少了人工编程带来的误差，提高了构件质量。结束语
金属基复合材料是现代工业中的一种新型材料, 在金属、合金或者金属间化合物中添加含有增强成分的复合材料,用以提高材料的高强度、高刚度、高韧性、 耐高温性能、抗疲劳性能等,在航空航天、汽车轮船、 通讯器材、机器设备等领域得到了广泛的应用[1,2]。随着工业技术的进步,市场对金属基复合材料的要求越来越高,迫切需要我们进一步的开发出更具市场竞争力的金属基复合材料。钴基金属复合材料是金属基复合材料的一种,在机床领域有着极具前景的应用[3]。但是,目前关于钴基金属复合材料的研究主要是以含稀土的钴基合金为基体,不仅材料成本高,而且制备较为复杂,工艺控制难度较大,迫切需要开发出一种新型的钴基金属复合材料[4~6]。为此,本文以不含稀土的钴基合金为基体,添加即少量的石墨烯增强体,采用分步机械球磨法成功制备出了一种成本较为低、性能较佳的机床用新型钴基金属复合材料。
1试验材料与方法
1.1试验材料
以工业级钴粉、铬粉、钒粉、锶粉和铝粉(粉末粒径55~75μm)以及商用石墨烯为原料,采用Pulverisett型四罐行星式高能球磨机进行钴基金属复合材料的制备。钴基金属复合材料中石墨烯的添加量为1wt.%。复合材料的制备工艺流程,如图1所示。第一步机械球磨法制备出的钴基合金粉末,采用DM2300型能量弥散X射线荧光分析仪进行化学成分分析,分析结果如表1所示。
1.2试验方法
物相组成:采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪对复合材料试样进行物相组成的分析。
显微组织:采用GX15型金相显微镜和EVO18型扫描电子显微镜对制备出的机床用Co WAl Sr Cr V新型钴基金属复合材料试样进行显微组织观察和分析。
耐磨损性能:采用THT型高温摩擦磨损测试仪进行测试,测试温度分别为25℃、300℃和800℃,测试时磨轮转速为250r/min、摩擦磨损时间为30min、相对滑动速为100mm/min、磨损载荷为100N,并采用GX15型金相显微镜对试样磨损表面进行观察。
抗高温氧化性能:采用WI SX2型高温箱式电阻炉,进行800℃×100h的抗高温氧化性能测试,并绘制试样的单位面积氧化增重-时间曲线。
2试验结果及讨论
2.1物相组成分析
本试验制备出的机床用Co WAl Sr Cr V新型钴基金属复合材料的XRD图谱,如图2所示。从图2可以看出,该复合材料由γ-Co相、Co3(Al,W)相和石墨烯组成。其中在24.2°出现一个较为强度降低、峰宽较大的石墨烯衍射峰。材料的XRD图谱中为发现含Sr、Cr或V的化合物相,这主要是因为复合材料中Sr、Cr和V的添加量较少。
2.2显微组织分析
图3是本试验制备出的机床用Co WAl Sr Cr V新型钴基金属复合材料的显微组织金相照片。从图3可以看出,该复合材料的晶粒较为细小,石墨烯增强体分布较为均匀,无明显的团聚现象,材料中无明显的孔洞、气孔、裂纹等缺陷。
2.3耐磨损性能分析
本试验制备出的机床用Co WAl Sr Cr V新型钴基金属复合材料与La2Co O4钴基稀土复合材料的耐磨损性能测试结果,如图4所示。从图4可以看出,不管是在25℃、 300℃还是在800℃,与La2Co O4钴基稀土复合材料相比,本试验制备出的机床用不含稀土的Co WAl Sr Cr V新型钴基金属复合材料的耐磨损性能都得到了明显提高,25℃时的磨损体积从29×10-3mm3减少至16×10-3mm3, 减少了44.8%;300℃时的磨损体积从83×10-3mm3减少至45×10-3mm3,减少了45.8%;800℃时的磨损体积从124×10-3mm3减少至68×10-3mm3,减少了45.2%。图5是Co WAl Sr Cr V新型钴基金属复合材料与La2Co O4钴基稀土复合材料在25℃磨损后的表面形貌。从图5我们可以看出,La2Co O4钴基稀土复合材料在磨损试验后,表面出现较多的脱落和较重的磨损痕迹,材料的磨损现象较为明显。与钴基稀土复合材料,本试验制备的新型钴基复合材料的磨损痕迹较轻,无明显的脱落,材料的磨损明显减弱,材料的耐磨损性能得到显著提高。这与复合材料的磨损体积测试结果一致。由此我们可以看出, 不含稀土的Co WAl Sr Cr V新型钴基金属复合材料不仅避免了使用昂贵的稀土元素,而且材料的耐磨损性能得到了明显提高。本试验制备的信息钴基复合材料具有较大的工业应用价值。
2.4抗高温氧化性能分析
本试验制备出的机床用Co WAl Sr Cr V新型钴基金属复合材料与La2Co O4钴基稀土复合材料的800℃×100抗高温氧化性能测试结果,如图6所示。从图6可以看出,在800℃×100h高温氧化过程中,与La2Co O4钴基稀土复合材料相比,本试验制备出的机床用不含稀土的Co WAl Sr Cr V新型钴基金属复合材料的单位面积质量增重明显降低,当高温氧化100h后的单位面积质量增重从109mg/cm2减少至33mg/cm2,减少了69.7%。由此可以看出,本试验制备的不含稀土的新型钴基金属复合材料的抗高温氧化性能较La2Co O4钴基稀土复合材料得到了较大的提高。该新型钴基金属复合材料具有较好的市场应用前景。
3结论
1 )以少量的石墨烯作为增强体,采用分步球磨法,可以制备出组织较为均匀、耐磨损性能和抗高温氧化性能均较佳的机床用不含稀土的Co WAl Sr Cr V新型钴基金属复合材料。
2)与La2Co O4钴基稀土复合材料相比,本试验制备出的机床用不含稀土的Co WAl Sr Cr V新型钴基金属复合材料的25℃磨损体积减少44.8%、300℃磨损体积减少45.8%、800℃磨损体积减少45.2%,耐磨损性能得到明显提高。
3)在800℃×100h高温氧化过程中,与La2Co O4钴基稀土复合材料相比,本试验制备出的机床用不含稀土的Co WAl Sr Cr V新型钴基金属复合材料的单位面积质量增重明显降低,高温氧化100h后的单位面积质量增重减少69.7%。
摘要：以少量石墨烯作为增强体,采用分步球磨法,制备了机床用不含稀土的CoWAlSrCrV新型钴基金属复合材料,并进行了显微组织、物相组成、耐磨损性能和抗高温氧化性能的测试与分析。结果表明,该方法制备的新型钴基复合材料具有较佳的耐磨损性能和抗高温氧化性能。与La2CoO4钴基稀土复合材料相比,该新型复合材料的25℃磨损体积减少44.8%、300℃磨损体积减少45.8%、800℃磨损体积减少45.2%,800℃高温氧化100h后的单位面积质量增重减少69.7%。
摘要：:航空发动机零件材料昂贵，难加工，精度要求高。数控机床的应用可以大幅提高产品质量，加大市场竞争力。研究了数控机床在航空发动机制造上的应用现状及存在的问题，并对未来发展方向作出展望。
关键词：:航空发动机;数控机床;智能工厂
作为飞机的心脏，航空发动机在国防建设中占有着极其重要的地位。由于航空发动机需要满足高性能、高可靠性、易维护、成本低、寿命长、清洁环保等多方面要求，航空发动机的结构也变得十分复杂，对加工过程的要求越来越高。例如，发动机叶片具有复杂的弯扭掠形状，涡轮叶片还需做成中空，并在叶片表面打孔以达到冷却效果，为达到航空发动机气动性能要求，叶片的加工精度要求非常高;航空发动机转速可达到万转以上，盘轴承受着巨大的离心力，对发动机的可靠性起着至关重要的作用，航空发动机盘轴件多采用钛合金、高温合金材料，难加工且尺寸精度要求高，若是整体叶盘，对数控技术的要求将更高。航空发动机零件难加工，高精度，零件种类多且复杂。在工业4.0的大背景下，加大数控机床在航空发动机制造上的应用任重而道远。
1数控机床应用现状
1.1数控机床特点
在第四次工业革命的大背景下，中国制造业正由传统工厂转型为现代化智能工厂，首先进行的就是将传统机床升级为数控机床。数控机床的采用使得生产线效率大大提升，产品精度得到改善，产品质量愈加稳定，大大提高了产品的市场竞争力。数控机床的优势具体有以下四点。
1)高精度。普通数控机床加工精度在微米级，一些超精密数控机床甚至可以达到纳米级，用来加工对精度要求较高的航空发动机零件，可以达到较高的产品合格率。
2)多道工序连续加工。由于航空发动机零件十分复杂，往往需要多道工序连续加工。在传统生产线上，一台普通机床仅能完成一道工序，每一步还需经过严格审查，人工重新找准定位，工序周转时间较长。但在数控机床上，只需定位一次，不同的工序仅更换刀具即可。
3)允许大切削量。数控机床是封闭式的，轴的转速高，移动速度快。航空发动机机匣件尺寸大，切削量大，用数控机床加工可以大大提高生产效率。
4)产品质量稳定。只要程序不变，设备硬件设施不变，数控机床加工出的零件就几乎没有变化。数控机床的操作不存在人为误差，只要设备调试完成，就可以保证一定的产品合格率。
1.2高端数控机床依赖进口
第四次工业革命来临之际，我国数控机床发展迅速，但与国外发达国家相比，依然存在很大差距。具体体现在以下三个方面。1)可靠性、加工精度较低。航空发动机零件所使用的材料价格高，难加工，同时精度要求高，进口机床故障率低，能够获得更高的经济效益。2)国产机床关键功能原部件仍依赖进口。数控系统是数控机床的“大脑”，刀库、主轴单元更是直接决定数控机床整体性能的核心部件。然而这些核心原部件仍需进口，再由国产加工中心进行整机组装。3)产品结构不合理。产学研相结合的技术创新体系尚未形成，本土企业缺乏创新人才，使得目前市场上国产机床品种比较单一，无法满足制造业大国的市场需求，大量数控机床需要从国外进口。
2存在的问题
虽然数控机床具有无可比拟的优势，但由于其复杂性，也产生了一系列问题，具体体现在以下三个方面。1)成本高。初期投入成本高，使用期间维护费用、人力资源成本相比于传统机床也大幅增加。2)对操作人员技术要求高。对于传统机床，操作人员只需掌握基础的机械加工知识。而数控机床的前期准备工作较为复杂，操作人员需要进行程序编制，同时数控机床自身结构比较复杂，对维护人员的要求也比较高。3)在某些零件上无法体现优势。航空发动机零件多而复杂，各部件对于精度的要求也不一致。对于一些精度要求不高、工序步骤少的零件，可在传统机床上快速找准定位，经验丰富的技术人员甚至可以达到数控机床的`加工精度，而在数控机床上，还需要进行复杂的前期程序编制工作。于是在航空发动机的生产线上，采用数控机床与普通机床搭配工作的方式，优势互补，提高生产效率。
3未来展望
国内数控机床市场需求巨大，却大多数需要依赖进口。国家现大力支持创新创业，数控机床行业更应把握良机，建立具有自主研发能力的民族企业，满足日益增长的市场需求。数控机床未来发展主要表现为高精度、高速度、高可靠性、高柔性和智能化、网络化、复合化、绿色化。我国数控机床正向高精尖方向迈进，具体体现在以下三个方向。1)智能诊断。数控机床融合了电子、机械、材料等多个学科，易发生故障，故障诊断过程会花费大量人力物力，且诊断耗时长，效率低。国内外正大力开展智能故障诊断方面研究，已经取得一系列成果，诊断系统将由集中式向分布式、网络化方向发展。2)绿色环保。随着GDP的稳步增长，中国经济向着又好又快的方向发展，绿色环保的概念深入人心。可选择绿色环保材料作为数控机床零件材料，发展模块化数控机床，使得废弃材料得以回收利用。3)基于物联网的“无人工厂”。近年来物联网技术开发与应用十分火热，物联网实现了物体之间的通信，这种高效的信息交换大大提高了生产效率。机械手的引进能够解放人力劳动，促进产业整合升级，打造一个现代化、网络化的“无人工厂”。
4结语
文章以航空发动机为载体，对数控机床的特点和发展现状加以分析。针对其成本高、功能不完善等劣势，提出智能化、绿色化的未来展望，力求早日打破数控机床依赖进口的现状，响应国家“两机重大专项”，助力航空发动机事业。
参考文献:
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[3]辛晓叶，罗春红，刘月红，等.数控机床与普通机床性能比较分析[J].新技术新工艺，(7):91-93.
（2）产品分为：JL40A卤钨泡机床灯具系列、JL50B卤钨泡机床工作灯系列、JL50C卤钨泡机床工作灯系列、JL50D卤钨泡机床工作灯系列、JL50F卤钨泡机床工作灯系列、JY防水荧光工作灯系列、JB白炽机床照明灯系列、JH警示工作灯系列。
机床工作灯
盐山县精益机床附件制造有限公司销售一部（五室）专业生产机床工作灯，有JB系列白炽工作灯，JY系列防水荧光工作灯，JL50F卤钨泡工作灯，JL50D卤钨泡工作灯，JL50C卤钨泡工作灯，JL50B卤钨泡工作灯，JL40A卤钨泡工作灯，计七大系列几十种规格。
1、JB系列白炽工作灯
盐山县精益机床附件制造有限公司销售一部（五室）专业生产JB系列白炽工作灯，JB系列白炽工作灯适用于中、小型车床、刨床、磨床、铣床及其它设备的局部照明，还可用于钳工、化验室、维修等工作照明。
2、JY系列防水荧光工作灯
盐山县精益机床附件制造有限公司销售一部（五室）专业生产JY系列防水荧光工作灯，JY系列荧光灯具有防水、防蚀、防爆功能、灯管、镇流器选用通用型部件，维修方便，广泛用于数控机床、组合机床、加工中心及商品展览等照明，光线分布均匀，照明效果好。
3、JL50F卤钨泡工作灯
盐山县精益机床附件制造有限公司销售一部（五室）专业生产JL50F卤钨泡工作灯，光源采用卤钨灯泡，具有防水防蚀等特点。适用于各种大中型数控机床、组合机床、加工中心及普通机床的照明，特别适合封闭式数控机床的室内照明。
4、JL50D卤钨泡工作灯
盐山县精益机床附件制造有限公司销售一部（五室）专业生产JL50D卤钨泡工作灯，JL50D适应于中、小型机床，医疗设备及汽车修理、船舶检修，设备维修的工作照明。可内装电子变压器，适用不同输入电压。
5、JL50C卤钨泡工作灯
盐山县精益机床附件制造有限公司销售一部（五室）专业生产JL50C卤钨泡工作灯，光源采用卤钨灯泡、聚光封闭、有五个活动部位组合的工作灯，并具有防水、防侵蚀等优点，适应于各种大、中型数控机床、组合机床、加工中心及普通机床的照明。
6、JL50B卤钨泡工作灯
盐山县精益机床附件制造有限公司销售一部（五室）专业生产JL50B卤钨泡工作灯，采用新光源卤钨灯泡，光线柔和，聚光性能好，适应于各中、小型机床，数控机床、钻铣床、组合机床及其它设备的照明，并具有防水、防爆、防侵蚀等优点。
7、JL40A卤钨泡工作灯
盐山县精益机床附件制造有限公司销售一部（五室）专业生产JL40A卤钨泡工作灯，采用新光源卤钨灯泡，光线柔和，聚光好，适应于各中、小型机床，数控床，钻铣床、结合机床及其它设备的照明，并具有防水、防爆、防侵蚀等优点。
电话：0317—6344828转80***4727传真：0317—6344929网址：
盐山县精益机床附件制造有限公司产品有：机床防护罩，柔性风琴式防护罩(皮老虎)，钢板防护罩，不锈钢防护罩，丝杠防护罩（丝杆防护罩），卷帘防护罩，铝型材防护帘，风琴式防尘折布，各种数控机床防护罩；拖链，工程塑料拖链，钢制拖链（钢铝拖链，金属拖链），机床工作灯，机床垫铁、JR—2型矩形金属软管、DGT导管防护套、可调塑料冷却管、吸尘管、行程槽板、撞块、排屑机等附件。
传统附件制造的基地新型产品研发的涅槃
盐山县精益机床附件制造有限公司为机床附件专业生产单位，东临渤海，有便利的205国道，西有畅通的京沪、京九铁路，坐落在美丽的漳卫新河河畔，她始建于1974年，集开发、设计、制造销售于一体。是机床附件、防护装置生产历史较早、专业性强、技术力量雄厚、国内同行业规模较大企业。我公司依靠科技开发产品，企业充满活力，产品广泛用于国内外各种机床和设备的维护上。
我公司集国内外高新技术之精华，聚一大批科技人才之智慧，管理科学规范，并以先进的技术、合理的价格、及时的交货、完善的售后服务赢得了广大用户的高度赞誉。
我公司作为面向全国及海外市场的一个生产及供货基地，利用先进的生产技术及优质的原材料以及公司在本行业几十年的技术经验，为国内外客户提供优质全面的技术支持，并在短周期内生产高质量、符合客户需求的防护产品。目前，产品已广泛应用于机床行业，木工机械行业，汽车行业，测量行业，医疗器械等，并已销往全国各地及香港、台湾、意大利、西班牙、韩国。
我公司产品品种齐全，质量上乘。在生产中，所有客户的要求均可在产品技术实施、试验，且很快的研制出一种可供选择的产品。如果有什么要求或建议，请及时与我们联系，我们将有专业人员及时为您提供最佳的解决方案和服务。
精益全体员工期待与您的合作！
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2010是实施十一五规划的最后一年,中央反复强调要着力抓好节能减排工作,但因受诸多因素的制约,许多机床企业节能减排效果并不理想。那种延用粗放式的制造模式已不适应企业的可持续发展。因此只有不断创新,积极探索节能、降耗、少污染的制造工艺技术,才能适应社会可持续发展的需要。
通常,机床行业节能减排主要靠产品结构调整、技术进步和加强管理三个途径来实现。其中产品结构调整是涉及面较广的一项长期任务,管理节能也要日积月累,很难一蹴而就,但通过技术进步,节能减排的效果却可在较短的时间内呈现出来。
机床制造过程较为复杂。涉及到铸件毛坯准备、冷热加工、装配调试等几十道工序。能源消耗、废气物及排放也贯穿于整个制造过程,如果控制住高耗能环节的能耗也就抓住了机床生产过程中节能减排的重点,达到了事半功倍的效果。铸造是机床行业的首道工序,也是高能耗、高污染的工序之一,中国已成为铸造大国,正处在高速增长阶段。但多数工厂规模小,一般技术和管理比较落后,铸件技术含量低,生产能耗比较大,难以采用新工艺、新材料和新设备,劳动条件和环境保护也难以得到应有的改善。因此应在铸造工艺上采取行之有效的技术进步措施。
1 推广应用低应力铸铁件、铸态球铁件
机床生产对铸件的要求较高,高强度低应力是保证机床精度的前提,大部分企业仍采用铸后回火、二次加工回火等工艺技术,消耗了大量的能源。铸件的铸后热时效能耗每吨铸件40～100kg标煤,球墨铸铁退火、正火能耗100～180kg标煤,而低应力铸铁、铸态球墨铸铁应力很低,无需铸后热时效,节能效果明显。低应力铸铁在国外研究较早,我国起步于20世纪20年代。较为成熟的低应力铸铁有密烘铸铁,其组织均匀、致密、残余应力低,自身强度高。高硅碳比值(SI/C)低应力铸铁,在碳含量相同的的前提下,适当提高(SI/C)值,抗拉强度提高,残余应力降低,可省略铸后的时效。目前我厂已成熟地应用了低应力铸铁技术,既节约了大量能源,降低了能耗,同时机床精度保持性非常高,受到了用户的广泛称赞。
铸态球墨铸铁技术也已成熟,并在各个行业大量应用,由于铸态球铁生产省去了退火,正火处理程序,节约了能源,避免了因高温处理带来的高温变形、氧化等缺陷,减少了能源、人力成本,缩短了生产周期,因而该项技术的应用对机床行业的节能减排有着较大的意义。
2 消失模技术
消失模铸造(又称实型铸造)是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型粘结组合成模型簇,刷涂耐火涂料并烘干后,埋在干石英砂中振动造型,在负压下浇注,使模型气化,液体金属占据模型位置,凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。与传统铸造技术相比,消失模铸造是一种几乎没有加工余量且能精确成型的加工工艺。铸件尺寸精度可达CT7-9,加工余量最多1.5～2mm,可大大减少机械加工的能耗和费用,同时由于精度高,加工余量少,毛坯铸件质量降低,能源消耗、材料消耗均大为减少,铸件成本显著降低。且结构形状不受铸造工艺的限制,为产品设计制造提供了广泛的自由度。现代机床生产个性化很强,多品种、小批量是大型高端产品的生产特点。消失模技术应用在机床制造业大有可为,采用消失模技术既节约了大量木材资源,又缩短了生产周期,实为机床制造业的一次重要的创新技术。
3 振动时效技术
振动时效的实质是通过振动的形式给工件施加一个动应力,当动应力与工件本身的残余应力叠加后,达到或超过材料的微观屈服极限时,工件就会发生微观或宏观的局部、整体的弹性塑性变形,同时降低并均化工件内部的残余应力,最终达到防止工件变形与开裂,稳定工件尺寸与几何精度的目的。机床零件在铸造、锻压、焊接、切削加工工艺过程中,由于受力和受热不均匀,其内部会产生不同的残余应力。传统的消除残余应力的方法是热时效或自然时效。自然时效周期太长,一般要1～2年,生产效率低下,长期占用场地,不适合大批量生产。热时效能耗高,污染环境,且炉温控制难度大,工件易氧化,时效需要1～2天。而振动时效的显著优点是节能环保,降低成本,与热时效相比可节约成本90%,节能95%,节约投资90%以上。振动时效效率高,一般工件不超过1h,而且设备较轻,工艺简单,适应性强。铸后时效和粗加工二次时效均可采用振动时效。振动时效技术应用多年,已日渐成熟,特别是在采用了频谱谐波振动时效技术,使振动时效的效果更趋完善。频谱谐波技术不再沿用原有的扫频方式,而对工件进行频谱分析找出几十种谐波频率,选择消除工件残余应力效果最佳的5种不同振型的谐波进行时效处理达到多维消除应力的目的。频谱谐波方式不论工件大小、频率和刚性高低、材料特性如何,均能够处理亚共振无法处理的工件。满足高精度处理工件的要求,大大降低了应用的门槛。
4 机床再制造技术
机床再制造目前已被公认为是节约能源和原材料的绿色生产方式。近年来,国家对机床再制造越来越重视,机床再制造是通过对已达到使用寿命年限的产品的修复、改造后使其达到甚至超过原型产品性能的加工过程,实现资源循环利用和机床能力综合提升的机床制造新模式。再制造是一个非常完整的体系,在这个体系下,不等这个设备报废就有计划、有目的地送到指定的再制造中心,不让其成为垃圾。在机械制造领域,考虑到各个部件的可拆卸,可回收,有意识地按不同种类,不同金属构成的零部件,用特殊的方法组装,以至于某个部件出现问题时,可快捷地更换,省时省力,达到资源充分、合理利用的目的,实现真正意义上的节能减排。“十一五”期间,国家科技支撑计划安排了“机床再制造关键技术与应用”项目,该项目根据我国制造企业装备落后的现状,重点围绕废旧机床综合测试与再制造方案设计、环境友好性改进、零部件绿色修复处理、节能化提升、信息化提升等关键技术进行研究,为我国机床再制造的深入开展提供关键技术支撑。南京工业大学、重庆机床厂在大型机床数控化再制造方面取得了一系列技术创新成果,且经济效益、社会效益显著,既满足了我国制造业的发展需要,又实现了资源节约和再利用。
5 结论
节能减排实现绿色低碳经济,在具体实施科技进步、技术创新举措过程中,还有许多工作要做,除了积极寻求国家政策方面的引导和扶持外,还要寻求与大学、科研机构的通力合作,努力缩短研发、技术创新与企业实际需求的差距,以点带面,不断提高企业在可持续发展中的竞争力,为圆满完成“十二五”节能减排的目标任务作贡献。
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-------------------------加工的刀具种类视加工对象而定 刀具材料应当具备的性能
切削过程中，刀具直接完成切除余量和形成已加工表面的任务。刀具切削性能的优劣，取决于构成切削部分的材料、几何形状和刀具结构。由此可见刀具材料的重要性，它对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本影响极大。因此，应当重视刀具材料的正确选择和合理使用，重视新型刀具材料的研制。
在切削加工时，刀具切削部分与切屑、工件相互接触的表面上承受很大的压力和强烈的摩擦，刀具在高温下进行切削的同时，还承受着切削力、冲击和振动，因此刀具材料应具备以下基本要求：
1．硬度
刀具材料必须具有高于工件材料的硬度，常温硬度须在HRC62以上，并要求保持较高的高温硬度。
2．耐磨性
耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力，它是刀具材料机械性能（力学性能）、组织结构和化学性能的综合反映。例如，组织中硬质点的硬度、数量、大小和分布对抗磨料磨损的能力有很大影响，而抗冷焊磨损(冷焊磨损即过去有些书上所称的粘结磨损、抗扩散磨损和抗氧化磨损的能力还与刀具材料的化学稳定性有关。
3.强度和韧性
为了承受切削力、冲击和振动，刀材料应具有足够的强度和韧性。一般，强度用抗弯强度表示，韧性用冲击值表示。刀具材料中强度高者，韧性也较好，但硬度和耐磨性常因此而下降，这两个方面的性能是互相矛盾的。一种好的刀具材料，应当根据它的使用要求，兼顾以上两方面的性能，而有所侧重。
4．耐热性
刀具材料应在高温下保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧性，并有良好的抗扩散、抗氧化的能力。这就是刀具材料的耐热性。
5．导热性和膨胀系数
在其他条件相同的情况下，刀具材料的导热系数(热导率)越大，则由刀具传出的热量越多，有利于降低切削温度和提高刀具使用寿命。线膨胀系数小，则可减少刀具的热变形。对于焊接刀具和涂层刀具，还应考虑刀片与刀杆材料、涂层与基体材料线膨胀系数的匹配。
6．工艺性
为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性，包括锻、轧、焊接、切削加工和可磨削性、热处理特性等。材料的高温塑性对热轧刀具十分重要。可磨削性可用磨削比——磨削量与砂轮磨损体积之比来表示，磨削比大，则可磨削性好。
此外，在选用刀具材料时，还应考虑经济性。性能良好的刀具材料，如成本和价格较低，且立足于国内资源，则有利于推广应用。
刀具材料种类很多，常用的有工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢)、硬质合金、陶瓷、金刚石(天然和人造)和立方氮化硼等。碳素工具钢(如T10A、T12A)和合金工具钢(如9CrSi、CrWMn)，因其耐热性很差，仅用于手工工具。陶瓷、金刚石和立方氮化硼则由于性质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，目前尚只在较小的范围内使用。当今，用得最多的刀具材料为高速钢和硬质合金。.高 速 钢
高速钢是加入了钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素的高合金工具钢。按重量计，钨和钼占10—20％，铬约占4％，钒占1％以上，它们都是强烈的碳化物形成元素，在熔炼与热处理过程中与碳形成了高硬度的碳化物，从而提高了钢的耐磨性。另外，高速铜采用了接近熔点的淬火温度，得到细晶粒的合金化的马氏体组织，它在低温回火(约560℃)时又使合金碳化物析出，从而进一步提高了硬度与耐磨性。在高速钢中，钼和钨的作用基本相同，1％的钼可代替2％的钨。钼并能减少钢中碳化物的不均匀性，细化碳化物晶粒，提高韧性。
另外，在某些高速钢中，为了提高高温硬度，添加钴、铝、硅、铌等元素；为了提高耐磨性，可适当增加含钒量。但是，随着含钒量的增加，可磨削性变差，因此钒的含量不宜超过3％。表2—
1、2—2分别列出了主要高速钢的成分和性能。从表中可见，高速钢在600℃时，仍能保持切削加工所要求的硬度，切削中碳钢时，切削速度可0.5m／s(30m／min)左右。
高速钢的强度、韧性和工艺性能均较好，能进行锻造，磨出的切削刃比较锋利，熔炼质量稳定，使用比较可靠。各种刀具都可用高速钢制造；尤其是形状复杂的刀具和小型刀具，均大量使用着高速钢。目前，高速钢占刀具材料总使用量的60％以上。
按基本化学成分，高速钢可分为钨系、钨钼系和钼钨系。按切削性能分，则有普通高速钢和高性能高速钢。按制造方法分，则有熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。
一、普通高速钢
通高速钢的特点是工艺性好，切削性能可满足一般工程材料的常规加工，常用品种有：
1．W18Cr4V
属钨系高速钢。它的历史悠久，至今尚在普遍使用。其综合机械（力学）性能和可磨削性好，可用以制造包括复杂刀具在内的各类刀具．
2．W6Mo5Cr4V2
属钨铝系高速钢；其碳化物分布的均匀性、韧性和高温塑性均超过W18Cr4V，但是，可磨性比W18Cr4V略差，切削性能则大致相同。国外由于资源关系，已淘汰所谓传谓传统高速钢W18Cr4V而以W6Mo5Cr4V2代替。这一钢种目前我国主要用于热轧刀具（如麻花钻），也可用于制作大尺寸刀具。
3．W14Cr4VMn-RE
这种高速钢有较大的塑性，可作热轧刀具用。此钢种中含钨量较W18Cr4V少，而含有少量的锰及稀土元素RE，其切削性能相当于W18Cr4V。
4．W9Mo3Cr4V
是近年我国研制出的一种钨钢系高速钢，其性能接近于W6Mo5Cr4V2。
二、高性能高速钢
调整普通高速钢的基本化学成分和添加其他合金元素，使其机械(力学)性能和切削性能有显著提高，这就是高性能高速钢。高性能高速钢的常温硬度可达HRC67-70，高温硬度也相应提高，可用于高强度钢、高温合金、钛合金等难加工材料的切削加工，并可提高刀具使用寿命。高性能高速钢主要有以下几种：
1．钴高速钢
典型钢种是AISI的M42，它的特点是综合性能好，硬度高(接近HRC70)，高温硬度在同类钢中居于前列(见表2—2)，可磨削性也好。表2—3为其磨削比的参考数据[62]，从表中可知，M42的磨削比接近普通高速钢W6Mo5Cr4V2。
用M42制作的刀具用于加工高温合金、不锈钢等效果很好。然而，这一钢种含有较多的钴元素，价格较贵。针对国内资源情况，我国应发展低钴或无钴的高性能高速钢。
2．低钴高速钢
低钴高速钢(W12Mo3Cr4V3Co5Si)是用减少钴增加硅的办法以获得高性能。其耐磨性比M42好，但韧性比M42差。缺点是仍然含有—定的钴，而且由于增加了含钮量，使可磨性变差，因而不宜用于制造复杂刀具。3，铝高速钢
铝高速例（W6Mo5Cr4V2Al）是我国独创的无钴高速钢，它在W6Mo5Cr4V2的基础上加铝增碳，其高温硬度在600℃时约为HV602，抗弯强度为3.50-3.80GPa(350—380kgf／mm2)，冲击韧性为
0.20MJ／m2(2.0kgf·m/cm2)，均与M42相当，抗弯强度及冲击韧性则高于W12Mo3Cr4V3Co5Si钢。缺点是可磨削性略低于M42。此钢种不含钴，性能好，生产成本较低。其缺点是热处理温度较难控制，钢材成材率较低。
此外，我国研制的无钴高速钢还有加铝强化5F6钢和加铝、铝、铌强化的B201钢等，性能达到钴高速钢的水平，但也存在着含钒多而可磨性差的问题。它仍在生产中用得不多。
近年来，我国研制成功无钴和低钴的高性能高速钢W12Mo3Cr4V3N(V3N)和
W12Mo3Cr4VCo3N(Co3N),颇有应用前景。V3N价格较低，但可磨性稍差。
三、粉末冶金高速钢
高速钢的制造质量受多方面因素的影响，其中对性能影响较大而又难以改善的因素，是对碳化物分布的均匀性及其粒度粗细的控制。熔炼高速钢中碳化物偏析比较严重。
完全消除碳化物偏析的方法是粉末冶金法。其基本原理是将高频感应炉熔炼的钢液用高压惰性气体(如氩气)雾化成粉末，再经过热压(同时进行烧结)制成刀坯，或制成钢坯再经轧制或锻造成材。
粉末高速钢与熔炼高速钢相比，有很多优点：如韧性与硬度较高，可磨削性能显著改善(例如含钒5％的粉末冶金高速钢的可磨削性相当于含钒2％的普通高速钢)，材质均匀，热处理变形小，质量稳定可靠，故刀具使用寿命较长。粉末冶金高速钢可以切削各种难加工材料，特别适合于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。高速钢刀具可以用盐浴软氮化、气体软氮化、辉光离子化及离子氮注入等方法进行表面处理，形成高硬、耐磨的薄层(0.02—0.1mm)；也可以采用物理气相沉积(PVD)等方法在高速钢刀具表面涂覆一层(约10μm)TiN或TiC等材料。经过表面处理或涂层后，刀具的耐磨性和使用寿命可以得到显著提高。近年，TiN涂层高速钢刀具发展较快，应用较广。高速钢钻头、丝锥、铣刀及齿轮刀具，经涂层后，其耐用度常可提高3—5倍以上。附录l列出了世界各国主要高速钢牌号对照表。2.硬质合金
硬质合金是高硬度、难熔的金属化合物(主要是WC、TiC等，又称高温碳化物)微米级的粉末，用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。其中高温碳化物含量超过高速钢，允许切削温度高达800—1000℃。切削中碳钢时，切削速度可达1.67—3.34m／s(100—200m／min)以上。
硬质合金是当今最主要的刀具材料之一。绝大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀、深孔钻、浅孔钻、铰刀等均已采用硬质合金制造。由于硬质合金的工艺性较差，它用于复杂刀具尚受到很大限制。目前，硬质合金占刀具材料总使用量的30％—40％。
一、高温碳化物
硬质合金的性能，主要取决于金属碳化物的种类、性能数量、粒度和粘结剂的份量。
1．碳化物的种类和性能
表2—4所列为几种碳化物的性能。由表可见，这几种碳化物的硬度和熔点都很高。TiC的硬度和熔点高于WC、TiN，但弹性模量却小于WC、TiN。WC的密度远大于TiC、TiN，导热系数亦较大。在硬质合金中碳化物所占的比例大，则硬度高；反之，碳化物减少，粘结剂增多，则硬度低，但抗弯强度提高。
2．碳化物粒度
碳化物的粒度越细，则有利于提高硬质合金的硬度与耐磨性。但当粘结剂含量一定时，如碳化物粒度减小，则碳化物颗粒的总表面积加大，使粘结层厚度减薄[61]，从而降低了合金的抗弯强度，提高了合金的硬度。反之，则使合金的抗弯强度提高，硬度降低。欲使细晶粒硬质合金具有较高的抗弯强度，就必须增加粘结剂含量，并在制造工艺上加以控制。
碳化物粒度的均匀性，也影响硬质合金的性能。粒度均匀的碳化物可形成均匀的粘结层，有利于防止由于热应力和机械冲击而产生裂纹。在合金中添加TaC能使碳化物粒度均匀和细化。
二、硬质合金的种类和牌号
目前绝大部分硬质合金是以WC为基体，并分为WC—Co、WC—TiC—Co、WC—TaC(NbC)—Co以及WC—TiC—TaC(NbC)—Co等四类。表2—5列出了国内常用各类合金的牌号、成分和性能。YT类合金，IS0(国际标准化组织)称为P类，主要用于加工长切屑的黑色金属；YG类合金，ISO称为K类，主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料；YW类合金，ISO称为M类，可覆盖P类、K类合金的应用范围。
三、硬质合金的性能
1.硬度
碳化物WC、TiC等的硬度很高，所以合金整体也就具有高硬度，一般在HRA89-93 之间。如前节所述，硬质合金的硬度值随碳化物的性质、数量和粒度而变化，又随粘结剂含量的增多而降低。在粘结剂含量相同时，WC—TiC—Co合金的硬度高于WC—Co合金。
硬质合金的硬度又随着温度升高而降低。在700—800℃时，部分合金保持着相当于高速钢在常温时的硬度，另一部分合金则低些。合金的高温硬度仍取决于碳化物在高温下的硬度，故WC—TiC—Co合金的高温硬度比WC—Co合金高些。添加TaC(或NbC)能提高高温硬度。
2.抗弯强度和韧性
常用牌号硬质合金的抗弯强度在0．90—1.50GPa(90—150kgf／mm2)范围内。粘结剂含量越高，则抗弯强度也就越高。当粘结剂含量相同时，WC—TiC—Co合金的抗弯强度总是低于WC—Co合金，并随着TiC含量的增加而下降。
硬质合金是跪性材料,常温下其冲击韧性仅为高速钢的1／8—1／30。韧性不足是硬质合金的弱点。故硬质合金刀具一般是将合金刀片焊接或夹固在刀柄(刀体)上使用，有的小模数齿轮滚刀或小的硬质合金钻头和立铣刀等才做成整体的。和坑弯强度的情况一样，WC—TiC—Co类的韧性低于WC—Co类。
3.导热系数
由于TiC的导热系数低于WC,所以WC—TiC—Co合金导热系数比WC—Co合金
低，并随TiC含量增加而下降，从表2—5中可见，YG6的导热系数比YTl5大一倍多。
4．线膨胀系数
总的说来，硬质合金的线膨胀系数比高速钢小得多。WC—TiC—Co合金的线膨胀系数大于WC—Co合金，且随TiC含量增加而加大。
由于WC—Co合金的线膨胀系数比WC—TiC—Co合金小，而且WC—Co合金抗弯强度较高，导热系数较大，所以焊接时产生裂纹的倾向比WC—TiC—Co合金小
5．抗冷焊性
硬质合金与钢发生冷焊的温度高于高速钢，WC—TiC—Co合金与钢发生冷焊的温度高于WC—Co合金。
四、硬质合金的选用
正确选用适当牌号的硬质合金对于发挥其效能具有重要意义(表2-6)。WC—Co硬质合金一般用于加工铸铁、有色金属及其合金，WC—TiC—Co硬质合金则用于高速切削钢料。
切削铸铁及其他脆胜材料时，由于形成崩碎切屑，切削力集中在切削刃近旁的很小面积上，局部压力很大，并具有一定的冲击性，所以宜选用抗弯强度和韧性较好的WC—Co合金。另一方面，WC—Co合金虽然抗弯强度较高，但试验证明，这类合金与钢料摩擦时，其抗月牙洼磨损的能力较WC—TiC—Co合金差，因此不宜用于高速切削普通钢料。
然而对于高温合金、不锈钢等难加工材料；又有不同情况。这类工件材料中含钛，导热系数低，容易发生冷焊，切削力大，切削温度高，因而要求刀具中不含(或少含)钛，并有较好的导热性，以便减轻冷焊并降低切削温度。这就说明对于上述难加工材料选用WC—Co合 金并采用较低的切削速度较为合适。
显然，精加工时宜选用含钴少、硬度高的合金；粗加工或有冲击载荷时，宜选用含钴多、抗弯强度大的合金。
五、新型硬质合金
1．添加钽、铌(Ta、Nb)的硬质合金
在WC—Co合金中添加少量TaC(或NbC)可显著提高常温硬度、高温强度、高温硬度和耐磨性，而抗弯强度则略有降低。但总的来说，添加少量TaC(或NbC)的结果是利多弊少，使WC—Co合金的性能获得改善。表2—5中的YG6A就是—种合金。
在TiC含量小于10％的WC—TiC—Co合金中，添加少量TaC(或NbC)，可以获得较好的综合性能，既可加工铸铁、有色金属，又可加工碳素钢、合金钢，也适合于加工高温合金、不锈钢等难加工材料，从而有“通用合金”之称。表2—5中的：YW1、YW2就是这种合金。在YW类合金中，进一步提高TaC(达10—14％)与钴(达10％)的含量，则形成铣削专用牌号的硬质合金，抗弯强度高，并能有效地提高抗机械冲击与抗热裂的性能。还有TiC 含量高(＞15％)并添加了钽、铌的硬质合金，多用于高强度钢的切削。目前，添加钽、铌的硬质合金应用日益广泛，而没有钽、铌的YG、YT类旧牌号合金在国际上吴淘汰的趋势。
除TaC、NbC外；有些新型硬质合金中还添加了Cr3C2、VC和钨粉、铌粉等。Cr3C2和 VC的加入，可以抑制合金晶粒长大；钨粉、铌粉可强化粘结相。
2．硬质合金
通过化学气相沉积(CVD)等方法对硬质合金刀片实行表面涂层，是近年来的重大技术进展。涂层硬质合金采用韧性较好的基体和硬度、耐磨性极高的表层(TiC、TiN、A12O3等，厚度5—10μm)，较好地解决了刀具的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾，因而具有良好 的切削性能。在相同的刀具使用寿命下，涂层硬质合金允许采用较高的切削速度，或能在同 样的切削速度下大幅度地提高使用寿命。与未涂层刀具相比，涂层刀具能降低切削力、切削温度，并能改善已加工表面质量。此外，涂层刀片的通用性较好[92]。
涂层材料为晶粒极细的碳化物、氮化物或氧化物。其中以TiC和TiN用得最为广泛，二者各具优缺点：TiC硬度高，耐磨性好，线膨胀系数与基体比较接近，结合比较牢固；TiN 的硬度低于TiC，与基体结合稍差，但与铁基金属之间的摩擦系数更小，抗月牙洼磨损的能力更强，且不易生成中间层(脆性相)，故涂层允许较厚。A12O3涂层的高温化学性能稳定，适用于更高速度下的切削。HfN(氮化铪)的线膨胀系数与基体最接近，涂层后表面残余应力很小。几种涂层材料复合使用，可以得到两层、三层和多层的涂层合金。例如TiC／Ti(C，N)／TiN三涂层刀片，内层为TiC，与基体结合牢固，外层为TiN，与被加工材料摩擦力小，不易发生冷焊，中间用Ti(C，N)过渡，其中了TiN的百分比由内到外递增。多层涂层合金的切削性能常优于单层。目前涂层材料还有Ti(B，N)、A1(O，N)等，它们可与TiC、TiN、A12O3等组合成不同的多层涂层合金。
由于涂层材料的线膨胀系数总是大于基体合金，故涂层后合金表面不可避免地存在着残余张应力，使涂层合金的抗弯强度有所降低。研制新的涂层合金，应注意涂层与基本材料在性能上的匹配，并提高基体合金的韧性。
涂层硬质合金适用于各种钢料、铸铁的精加工和半精加工，负荷较轻的粗加工亦可使用。含钛的涂层材料不能加工高温合金、钛合金和奥氏体不锈钢，因为它们之间的亲和力强，从而加剧了冷焊作用[94]。
涂层刀片不能采用焊接结构，不能重磨使用。由于机夹可转位刀具的普及，为发展和使用硬质合金涂层刀具创造了有利条件。目前，在工业发达国家中，涂层刀片的使用已占可转位硬质合金刀片的50％—60％以上。
还可用物理化学气相沉积(PCVD)或物理气相沉积(PVD)法在硬质合金表面上涂层，但它们的工艺方法不如化学气相沉积(CVD)法成熟。
3．细晶粒和超细晶粒硬质合金
细化晶粒，可以提高硬质合金的硬度与耐磨性。矿山用硬质合金为粗晶粒，平均晶粒尺寸为4—5μm；普通的刀具用硬质合金(如YTl5、YG6等)为中晶粒，平均晶粒尺寸为2— 3μm；细晶粒合金(如YG6x等)的晶粒尺寸为l—2μm；超细晶粒合金的晶粒尺寸为 0．5μm。如适当增加钴含量，可同时提高合金的抗弯强度。表2—7选列了两种超细晶粒合金的成分与性能。其中YS2T中含有使晶粒细化的碳化物Cr3C2。这类硬质合金可用于加工冷硬铸铁、淬硬钢、不锈钢、高温合金等难加工材料。
4．TiC基和Ti(C，N)基硬质合金
以上各类硬质合金，都属于WC基，因为WC是它们的主要成分，并以钴为粘结剂。TiC基合金是以TiC为主体成分，以镍、钼作粘结剂的硬质合金。TiC含量达60—70% 以上。与WC基合金比较，它的硬度较高，对钢的摩擦系数较小，切削时抗冷焊磨损能力强，高温下硬度下降较少，具有较好的耐磨性；但韧性和抗塑性变形的能力较差，性能介于陶瓷和WC基合金之间。我国的代表性牌号是YNl0和YN05。在此合金中加入少量的 WC、NbC，是为了改善合金的导热性能和韧性。实践证明，YNl0和YN05适用于碳素钢、合金钢的半精加工和精加工，其性能分别优于WC基合金YTl5和YT30。
在TiC基合金的成分中加入氮化物，可进一步改善合金的性能，这就是Ti(C，N)基硬质合金。除具有TiC基合金的优点以外，Ti(C，N)基合金的强度、韧性、抗塑性变形能力及导热性均高于TiC基合金，因此它是一种有发展前景的刀具材料。其应用范围略同于 TiC基合金。
5．添加稀土元素的硬质合金
在WC基合金中，添加少量的稀土元素，可以有效地提高合金的韧性和抗弯强度，并使耐磨性有所提高。这是因为稀土元素的存在，改善了碳化物固镕体对粘结相的湿润性，并强化了硬质相与粘结相。这类合金最适用于粗加工牌号，生产成本提高不太多。目前虽尚处于研究阶段，但颇有发展前途。
6．高速钢基硬质合金
这种材料是以TiC或WC作硬质相(占30％—40％)，以高速钢作粘结相(占60％—70％)，用粉末冶金工艺制成的。其性能介于硬质合金与高速钢之间，具有良好的耐磨性和较好的韧性；而且能够接受锻造、热处理和切削加工，具有较好的工艺性。高速钢基硬质合金可以用来制造结构复杂的刀具，如钻头、铣刀等。
附录2列出了国际标准化组织(ISO)所规定的硬质合金的类别、代号、成分及性能。附录3列出了世界各国硬质合金牌号的近似对照。3.其他刀具材料
一、陶
瓷
按化学成分，刀具用陶瓷可以分为：
1．纯氧化铝陶瓷
主要用A1203加微量添加剂(如MgO)，经冷压烧结而成，是一种廉价的非金属刀具材料。其抗弯强度为0.40—0.50GPa(40—50kgf／mm2)，硬度HRA91—92。由于抗弯强度过低，尚难以推广应用。
2．复合氧化铝陶瓷
在A1203基体中添加某些高硬度、难熔碳化物(如TiC)，并加入—些其他金属(如镍、钼)进行热压，可使抗弯强度提高到0.80GPa(80kgf／mm2)以上，硬度达到HRA93—94。
陶瓷有很高的高温硬度，在1200℃高温时，硬度尚能达HRA80。若是硬质合金，在这样的高温下，已丧失切削能力。另外，陶瓷的化学惰性大，和被加工金属亲和作用小。但陶瓷的严重缺陷是抗弯强度和冲击韧性很差，对冲击十分敏感。因此，目前主要用于各种金属材料(钢、铸铁、高温合金等)的精加工和半精加工。对淬硬钢、冷硬铸铁的车削、铣削特别有效，其耐用度、加工效率和已加工表面质量常高于硬质合金刀具。随着陶瓷材料制造工艺的改进(如热压)，采用更细更纯的A1203粉末，刚某些金属碳化物、氧化物，将有利于抗弯强度的提高，从而可扩大其使用范围。
在A1203基体中加入SiC或ZrO2晶须而形成的晶须陶瓷，韧性有明显提高，切削性能得到改善。
3．复合氮化硅陶瓷
在Si3N4基体中添加TiC等化合物和金属Co等进行热压，可以制成复合氮化硅陶瓷。它的机械(力学)性能与复合氧化铅陶瓷相近。氮化硅陶瓷能有效地切削冷硬铸铁和淬硬钢，切削一般钢材效果不显著。国外有一种赛隆(sialon)陶瓷，成分为Si3N4十A1203十Y203，也属于氮化硅基系列陶瓷，它加工镍基高温合金和铸铁效果很好。由于陶瓷的原料在自然界容易得到，因而是一种极有发展前途的新型刀具材料。
二、金 刚 石
金刚石分天然和人造两种，是碳的同素异形体。金刚石硬度极高，接近于HVl0000(硬质合金仅为HVl300—1800)，是目前已知的最硬物质。天然金刚石的质量好，但价格昂贵。人造金刚石是在高压高温条件下，借助于某些合金的触媒作用，由石墨转化而成。用专用设备压制出的单晶金刚石，可以制造金刚石砂轮。金刚石砂轮是磨削高硬度脆性材料(如硬质合金)的特效工具。切削加工用的聚晶金刚石刀片是单晶金刚石经第二次压制形成的。
金刚石刀具既能胜任陶瓷、高硅铝合金、硬质合金等高硬度耐磨材料的切削加工，又可切削其他有色金属及其合金，使用寿命极高。但它不适合加工铁族材料，因为金刚石中的碳元素与铁元素有很强的化学亲和性，因而碳元素极易向含铁的工件扩散，使合刚石刀具很快 磨损。而且当切削温度高于700℃时，碳原子即转化为石墨结构而丧失了硬度。
金刚石刀片的切削刃可以磨得很锋利，可对有色金属进行精密和超精密的高速切削，加工表面粗糙度Ra可达0．01—0．1μm。
金刚石万片除可用机械夹固或粘接方法固定在刀杆上使用外，还可在硬质合金基体上压制一层约0.5mm厚的金刚石，形成复合聚晶金刚石刀片。目前，金刚石复合刀片在钻探工具、石材的锯切工具及加工有色金属的切削刀具上应用较广。
三、立方氮化硼
氮化硼的性质与形状同石墨很相似。石墨经高温高压处理转化为人造金刚石，用类似的手段处理六方氮化硼就能得到立方氮化硼(CBN)。立方氮化硼是六方氮化硼的同素异形体，是人类已知的硬度仅次于金刚石的物质。两者性能比较列于表2—8。立方氮化硼的热稳定性和化学惰性大大优于金刚石。在空气中，人造金刚石在700— 800℃时即石墨化，而立方氮化硼可耐1300—1500℃的高温，在这样的温度下也不发生显著的相交，从而保持其硬度。
聚晶立方氮化硼刀片可用机械夹固或焊接的方法固定在刀柄上。也可以将立方氮化硼与硬质合金压制在一起成为复合刀片，能以加工普通钢和铸铁的切削速度切削淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金等，从而大大提高生产率。当用以精车淬硬零件时，其加工精度与表面质量足以代替磨削。
