我国航空产品制造需求前景巨大

 航空工业历来是数控机床设备需求的第一大用户而作为先进制造技术的高速加工最初也是首先在航空工业领域内得到应用。高速加工数控设备在航空企业用户中的应用现状如何？航空企业用户对于高速加工设备以及技术有哪些需求，高速加工设备在应用上存在哪些问题，近日本刊记者就这些问题采访了西北工业大学航空发动机CAD/CAM研究所副所长王增强。

    《中国制造业信息化》：目前在我国航空企业中，数控机床以及高速加工数控机床的使用现状如何?

    王增强：近年来，随着我国国民经济和国防工业的迅速发展。国家对制造装备的需求迅速增长。据2002年全国工业普查报告显示的结果“我国2002年机床拥有量约为378万台，但机床数控化率却仅约为2%。机床市场消费金额上升到59亿美元跃升世界第一位。但在我国航空企业中机床数控化率仅约为10%，而世界发达国家已超过2%。

    随着经济全球化进程的不断加快以及制造业向以中国为代表的第三世界转移，国家制订了2010年前我国机床数控化率达到10%的目标，并确定了研究与开发高档数控机床与基础制造装备的国家科技重大专项，同时在政策上也加大了对机床数控化的引导2007年我国数控机床的生产和消费均超过了50%。为了提高航空产品的制造质量缩短研制周期，我国航空企业也纷纷在技术改造方面加大了投资力度，但总体上，高端的高速加工机床还主要采用进口设备，高速加工数控机床占数控机床的比重不足3%。

    虽然我国航空企业对高速加工设备的使用还不是很普遍但国内许多高等院校和科研院所都不同程度的开展了对高速加工技术的研究。北京机床研究所，北京机电研究院等研制并生产了高速加工设备。航空企业也积累了一些成功应用高速加工机床进行生产加工的经验，像西安航空发动机公司使用高速铣削机床加工无余量精锻叶片模具。实现了航空发动机压气机叶片的无余量锻造中国与以色列合资的西安安泰叶片制造有限公司，一直采用高速铣削机床加工无余量精锻叶片模具成都飞机工业(集团)有限责任公司等企业采用高速加工技术解决了航空零件中蜂窝结构材料的加工。

    《中国制造业信息化》：航空产品制造对高速加工有哪些需求？哪些产品或生产环节需要高速加工技术来解决？

    王增强：航空工业分为军用和民用两方面军用飞机概括起来就是“高精尖”民用飞机代表了制造业技术的最高成就。据科学分析，航空技术对工业技术的贡献率达到60%以上。航空产品既要追求高性能又要追求高可靠性并不断的发展新技术采用新技术，不断的设计出新的结构因而对机械加工技术也会不断产生新的需求。

    结构上航空产品大量采用整体件、薄壁件和组合结构件。飞机上采用整体铝合金框肋结构件、薄层腹板件等。航空发动机采用整体叶盘、叶环、薄壁整体机匣、陶瓷基燃烧室浮动壁瓦片等；材料上飞机大量采用钛合金代替结构钢航空发动机大量采用高温合金材料工艺装备上研制高性能的航空发动机零部件所需的粉末冶金盘等温锻造模具、叶片精密锻造模具、复杂冷却系统单晶涡轮叶片精铸模具等。

    传统的机械加工技术已经无法有效地满足这些新需求而高速加工技术的特点和优势为实现航空产品新结构、新材料以及高精度工艺装备的加工提供了更为有效的解决方案。

    应用高主轴转速、高讲给速度的高速切削加工能使加工过程平稳并能获得很高的精度以及较低的粗糙度切削加工的工件表面质量几乎可与磨削加工相媲美。实现了“以铣代磨“的效果，从而可以实现整体叶盘、叶环上的叶片进排气边的高质量加工。对于航空产品中刚性较差的细长、轴、薄壁零件，整体叶盘上的大旋臂叶片，也可以高质量的加工完成；对于高精度工艺装备上的型腔曲面的加工，可以省去钳工抛修的工艺过程，直接加工出来；固熔状态的高温合金叶轮、整体叶盘以及等温锻造、叶片精密锻造、涡轮叶片陶芯模具等也可直接加工完成。

    《中国制造业信息化》：高速加工的核心技术问题包括哪些方面?

    王增强：高速切削机理、高速加工技术、高速切削刀具技术、高速加工工艺技术以及高速加工测试技术等是发展高速加工技术的核心问题是高速加工机床实现高效率与低成本加工的前提和基础条件。高速加工技术主要包括以下几项研究内容。

    一、高速主轴系统，目前多数高速加工机床主轴采用内装式电机主轴将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内转子和机床主轴的旋转部件做成一体主轴的变速完全通过交流变频控制实现，将变频电机和机床主轴合二为一；

    二、高速进给系统，采用直线电机驱动方式和基于并联机构的新型高速进给方式；

    三、高速CNC控制系统，运算速度快、控制精度高的高速切削数控装置配备后置处理器、离线预处理功能和样条译码功能、CNC系统和数字伺服驱动系统，具有高速响应性能；

    四、高性能的刀具系统，在这方面，德国开发出了HSK连接方式，对刀具进行高等级平衡以及主轴自动平衡的系统技术；

    五、机床支承技术，采用聚合物混凝土来制造床身和立柱。将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成并将阻尼材料填充其内腔以提高抗振性；

    六、先进辅助单元技术包括快速工件装夹、安全装置、高效冷却润滑液过滤、切屑处理和工件清洁等技术；

    七、高速切削加工综合系统优化高速加工机床“机床一刀具一工件一夹具”高速切削综合系统的动力学特性和稳定性，实现降低加工变形提高刀具寿命以及加工表面质量。

    《中国制造业信息化》：目前，高速加工设备在使用上普遍存在哪些问题?

    王增强：高速切削设备实现了零件的“零打磨”抛光和高硬度材料的精密加工给企业带来了更高的加工效率。我们在看到高速切削设备让制造企业“砰然心动”的同时还必须清醒的认识到高速切削设备在应用上存在的一些难点和问题

    一、高速加工设备的成本高投资回报慢，不但设备本身成本较高而且使用成本也很高。比较高端的高速加工设备的价额超过了150万元。高转速运行状态下，主轴的平均使用寿命一般只有三年，更换一次主轴的成本是整机的1/3；

    二、高速加工使用的刀具主要依靠进口，而且采购成本很高；

    三、加工工艺要求较高，不适当的切削量会给刀具带来很大的损坏。曾经有人这样描述高速加工，“如果设备使用不当刀具的废品马上就会堆积如山”导致成本增加形成巨大的浪费；

    四、高速加工设备对编制加工程序的工作人员要求太高；

    五、加工准备周期较长；

    六、机床维修维护保障性差。

    《中国制造业信息化》：很多制造企业面临转型和升级，其中一项重要内容就是进行技术改造，购置先进制造设备，那么，企业购置了高速加工设备之后，如何才能将设备有效的应用起来?

    王增强：你问的这个问题非常好很多企业都认为只要购置了高速加工机床就能实现高效生产。其实不然，因为很多高速加工机床并不能达到最优的使用，这除了技术上存在的一些原因之外，认识上的偏差和使用方法的不当也为其作用的发挥带来了负面的影响。有的企业认为高速加工机床很好几乎所有的加工工序都在高速加工机床上完成，结果反而造成了加工设备的浪费。

    对于这点，国内外比较成功的做法是高速加工机床与数控加工中心、普通加工机床、仿型铣床配套使用发挥其各自的加工优势以达到加工系统最优、最有效运行的目的。用普通加工机床或仿形铣床完成大部分切削量(重切削)，而剩于2-3mm的加工余量则由高速加工机床快速、高效、高质量的完成。这样做具有很多优点：普通的重切削机床比较普遍，加工成本很低加工量大，精度要求不高极易达到，刀具便宜；高速机床高速切削时因为加工对象已接近成型，切削量相对比较均匀节省了抛光和打磨的环节与时间，加工的零件可达镜面效果的表面光洁度表面完整性也很好；配合尺寸精确；虽然高速加工时刀具较贵但加工时间短，切削量不大，性价比高。

    所以企业必须结合产品特点适宜配套设备，发挥高速加工设备的高精度、高效率、高质量的加工特性以实现产品的高效高精、低成本制造。

    《中国制造业信息化》：现在国家大力倡导产学研用相结合，加强科技研发和成果转换，那么，研究院所和高等院校作为知识创新的主体，在提高我国高速加工技术的应用水平中，如何才能充分发挥其优势和作用?

    王增强：的确，国内高速加工设备及技术水平与机床发达国家相比仍存在一定的差距，提高我国航空工业高速加工技术的应用水平科研院所和高等院校责无旁贷。首先我认为科研院所和高等院校必须要与企业紧密结合，例如，以第四代战斗机和大飞机新结构件为对象，开展高速加工设备研究、基础工艺试验研究、切削刀具研究、综合系统工艺集成研究以及相关技术培训等内容。

    下面，我就如何科研院所和高等院校如何充分发挥其优势和作用这一问题谈谈个人的想法和体会。

    第一科研院所和高等院校应在高速加工技术方面加大研究力度，深入开展对高速加工机理的研究可通过与国外高速加工领先企业合作，或引进相关专利等方式，突破高速加工的核心关键技术；

    第二摸清国内高速加工设备开发和研制的“家底”，遵循市场经济规律组织高速加工技术的优势单位，结合国家科技重大专项研制具有自主知识产权的高速加工数控机床，提高高速加工技术的应用手段；

    第三，加强航空产品的切削工艺数据库建设。针对航空产品常用材料，对铝合金，钛合金、不锈钢、高温合金等材料开展切削工艺试验研究，建立相关材料的高速切削数据库，并在此基础上开发和研制出国产高速加工的刀具系统；

    第四加强航空产品高速加工制造的规范研究。标准的制造工艺规范是航空产品零部件合格的保证。规范的制订和修改必须针对具体的企业环境，并经过大量的试验和试用。特定企业环境下的制造规范是指以高速加工设备为核心高中低档加工设备相配套，综合运行成本最低加工质量最好，最稳定的知识性制造指令文件以避免产品制造规范指导下产生的人为因素影响；

    第五按照市场经济的运行规律推动高速加工技术成果在航空制造业领域的快速而有效的推广。长期以来在计划经济的思维模式下我国既是科研成果的高产出国家，又是科研成果的低应用率国家，其主要原因有两个一是技术成熟度低、推广效果差，二是推广机制不完善。因此在高速加工技术的成果推广中必须按照市场的运行规律建立高速加工技术的推广应用机制。

    第六发挥科研院所和高等院校的优势，建立技术支持和人员培训队伍开展高速加工方面的技术支持和人员培训，为高速加工技术在航空企业中的有效应用培养高素质的技术人才。

（责编：LEO）

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