時間：2023-07-25 17:16:06
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇航空航天材料的特點，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：計算力學；多物理場耦合；先進復合材料；有限元技術(shù)（FEM）
中圖分類號：V211 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0252-02
1 力學在航空航天領域的支柱地位
作為與材料科學、能源科學并肩的航空航天領域三大基礎學科之一，力學在航空航天領域擁有無可辯駁的支柱地位。航空航天技術(shù)的發(fā)展與力學學科的發(fā)展有著舉足輕重的關系。同樣，力學學科的發(fā)展也推動了航空航天技術(shù)的發(fā)展。從航空航天的歷史開端，力學便扮演著開天辟地的角色：萊特兄弟發(fā)明飛機前的時代，人類的航空器長期停留在熱氣球與飛艇的水平，人們普遍認為任何總密度比空氣重的航空器是無法上天的；而隨著流體力學的發(fā)展，越來越多總密度大于空氣的航空器被發(fā)明出來進行試驗，而萊特兄弟的飛機即為第一個成功的嘗試，萊特兄弟的L洞也成為一個經(jīng)典（圖1）。從此，航空器的發(fā)展步入了快車道，各種結(jié)構(gòu)的飛機翱翔于藍天，從不到一噸的輕型飛機到上百噸的運輸機，直至今天我們對機已經(jīng)習以為常。
時至今日，航空航天的總體設計已由龐大的力學各分支支撐起來，從最基本的方面分類，可包括：飛行器整體氣動外形歸屬于空氣動力學；整體支承結(jié)構(gòu)歸屬于結(jié)構(gòu)力學以及材料力學；復合材料歸屬于復合材料力學；材料疲勞性能歸屬于疲勞分析；結(jié)構(gòu)動力特性歸屬于振動力學；缺陷結(jié)構(gòu)分析歸屬于損傷力學以及斷裂力學。而對于具體的問題細分，則還有如：針對超高速飛行器的高超空氣動力學；針對紊流等大氣不穩(wěn)定情況的非定?？諝鈩恿W；針對流固耦合問題的氣動彈性力學；以及針對非金屬材料的粘彈性力學等。此外，還有眾多與力學相關的技術(shù)被發(fā)展起來，如有限元技術(shù)（FEM）等。
展望未來，力學發(fā)展的源動力在于航空航天綜合多學科的交叉與技術(shù)。被譽為“工業(yè)之花”的航空航天工業(yè)，其研發(fā)生產(chǎn)涵蓋了目前已知的所有工科門類，如此多的學科交叉下，力學的發(fā)展勢必會與其他學科進行技術(shù)交流，這會帶來問題的進一步復雜化，同時也豐富了力學的研究內(nèi)容。
2 航空航天領域力學發(fā)展新挑戰(zhàn)
航空航天的發(fā)展，給力學帶來了新的挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)的日趨復雜，給力學計算帶來困難；繁瑣的理論公式，需根據(jù)工程需要進行必須的簡化；新材料的應用在航空航天領域最為敏感，在為飛行器降低結(jié)構(gòu)重量的同時，也帶來諸多的不利因素如耐熱性能差、環(huán)境敏感度高等；而在某些關鍵部件的多物理場耦合問題也將成為重要的研究方向。
2.1 程序化
航空航天器和大型空間柔性結(jié)構(gòu)的分析規(guī)模往往高達數(shù)萬個結(jié)點、近十萬個自由度的計算量級，這些問題包括但不限于：飛行器的高速碰撞間題，如飛機的鳥撞， 墜撞，包容發(fā)動機的葉片與機匣設計，裝甲的設計與分析，載人飛船在著陸或濺落時的撞擊等。為了解決這種計算量龐大的問題，上世紀50年代初，力學便發(fā)展出一門嶄新的分支學科――計算力學。伴隨著電子計算機以及有限元技術(shù)的發(fā)展，計算力學取得輝煌的成績，這也說明了其本身發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
力學分析技術(shù)的發(fā)展，特別是對于各種非線性問題（幾何非線性、材料非線性、接觸問題等）分析能力，是長期存在的。然而在很長一段時間內(nèi)，受到計算機能力的制約，以及模型建立本身的局限性，力學分析求解停留在解析方法和小規(guī)模數(shù)值算法中。這對于工程人員的設計工作是一個極大的限制，對于航空航天領域而言則尤甚如此。計算力學的發(fā)展，帶來的效益是巨大的。首先其可以用計算機數(shù)值模擬一些常規(guī)的驗證性試驗和小部分研究型試驗，這可以節(jié)省很大一筆試驗費用。其次，其可以求解某些逆問題，逆問題的理論解往往無法通過非數(shù)值的手段得到。最后，從工程管理角度考慮，數(shù)值模擬方法大大節(jié)省了產(chǎn)品研發(fā)的周期，由此單位時間內(nèi)產(chǎn)生了更多的經(jīng)濟收益。有限無技術(shù)分析機翼見圖2。
上述計算力學給工程設計方面帶來的種種好處，都基于一個很重要的前提。那就是力學問題程序化。如何將力學問題轉(zhuǎn)化為一個計算機可以求解的程序，一直是計算力學研究的重點，比如有限元技術(shù)就是其中一個典型代表。目前，有限元技術(shù)已經(jīng)涵蓋了大部分力學問題，包括：靜力學求解，動力學求解，各種非線性問題，以及多物理場耦合等。但值得注意的是，除了靜力學以及相對簡單的問題外，其余問題所用的算法目前精度仍然有限，相較于工程運用而言仍存在諸多壁壘。對于這些問題算法的更新，是力學問題程序化必須面對的挑戰(zhàn)，仍需研究人員不斷探索。
2.2 工程化
力學工程化依然是基于計算力學而討論的。所不同的是，程序化是針對一項力學問題能不能解決，工程化關注的問題是如何使得力學問題的解決過程更符合工程需求。
21世紀的航空航天，已經(jīng)越來越趨向于商業(yè)化，美國已有數(shù)家私有航天企業(yè)成立，我國的航天科技集團也在進行著一些商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射。而商業(yè)化的工程問題，所追求的目標永遠是效益。因此，力學工程化發(fā)展也應基于這一要求。航空航天工程的研發(fā)工作，一直給人周期長的印象，動輒10年以上的研究周期，對于目前商業(yè)化的運營是不適用的。如何快速的給出解決方案，是今后力學工程化的重要考量。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，越來越多的數(shù)值計算可以通過可視化、圖表化等快捷的交互式設計方法呈現(xiàn)出結(jié)果，這可以直觀地給予工程師設計反饋，從而達到加快設計進程的目的。同時，直觀的結(jié)果反饋，也能避免數(shù)據(jù)分析過程出現(xiàn)人為失誤，起到規(guī)避風險的作用。
2.3 非均質(zhì)化
新材料往往首先出現(xiàn)在航空航天領域，其中典型代表便是先進復合材料。先進復合材料具有高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減震性好、破損安全性好以及性能可設計等優(yōu)點。由于上述優(yōu)點，先進復合材料繼鋁、鋼、鈦之后，迅速發(fā)展成四大結(jié)構(gòu)材料之一，其用量成為航空航天結(jié)構(gòu)的先進性標志之一。
復合材料的運用給力學提出了新要求，相比于傳統(tǒng)各向同性的金屬材料，其各向異性的力學特性使得非均質(zhì)力學應運而生，代表便是復合材料力學的誕生。非均質(zhì)化力學需要將材料的承力主方向設計為結(jié)構(gòu)中的主承力方向，而非主承力方向則需要保證一定強度，不至于破壞，這是其主要的設計特點。相比各向同性材料，其理論模型更為復雜，相應的數(shù)值求解方法也沒有那么完善。同時，實際中復合材料的性能分散性和環(huán)境依賴性相當復雜， 設計準則和結(jié)構(gòu)設計值的確定還很保守，導致最終設計結(jié)果并沒有理論中那么完美，很大程度上制約了工程領域大規(guī)模使用復合材料。對于國內(nèi)而言，復合材料研究工作相比國外則更為落后，無論是設計經(jīng)驗還是試驗數(shù)據(jù)積累都有不小差距。
建立完備的非均質(zhì)化力學模型，積累足夠的原始參數(shù)，大膽嘗試提高復合材料的設計水平以及用量是今后力學非均質(zhì)化的主要任務，需要研究人員付出更多的努力。
2.4 多物理場耦合
2.4.1 電磁與力學耦合
新時代下的航空航天材料，已不僅僅局限于提供簡單的支承作用，功能化是航空航天器新材料發(fā)展的重點和熱點，其最終目的是為了未來航空航天器發(fā)展智能化目標。
目前，越來越多的具有電-力耦合功能的新型材料正成為航空航天器結(jié)構(gòu)材料的選擇。因為在對飛行器的自我檢測技術(shù)方面，具有電-力耦合功能的材料的受力狀態(tài)與電磁性能存在特定的函數(shù)關系，由此系統(tǒng)能通過檢測電磁性能達到檢測受力狀態(tài)的效果，這大大方便了對飛行器的健康監(jiān)測，也有效保證了飛行器的安全。這其中耦合函數(shù)的準確性便成為關鍵，電-力耦合的發(fā)展能促進這些技術(shù)的健全，具有十分積極意義。
2.4.2 溫度與力學耦合
溫度場與力場的耦合主要體現(xiàn)在發(fā)動機上，對于發(fā)動機內(nèi)部涵道的設計最優(yōu)化一直是熱力學著力解決的問題。
目前大部分飛機均采用噴氣式發(fā)動機，包括：渦噴發(fā)動機、渦扇發(fā)動機以及渦槳發(fā)動機。上世紀40年代末，渦噴發(fā)動機出現(xiàn)，飛機飛行速度第一次能超過音速，帶來了一場飛機發(fā)動機的技術(shù)革命。由此，包括進氣道以及發(fā)動機涵道的設計成為發(fā)動機研發(fā)的一個關鍵點，早期的渦噴發(fā)動機，由于涵道上的設計缺陷，導致燃料燃燒產(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)化為推進力的轉(zhuǎn)化比很低，同時伴隨著燃燒不充分，因此發(fā)動機耗油量很高且推力較小。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前無論軍用還是民用飛機發(fā)動機，大部分均采用渦扇發(fā)動機，通過優(yōu)化得到的涵道形狀最大化了單位燃油所提供的推力。圖3為民用客機發(fā)動機涵道。
我國的飛機發(fā)動機工業(yè)水平距離世界領先水平仍有較大距離，特別是在大涵道比的商用發(fā)動機研發(fā)上。發(fā)展熱力學，對熱-力耦合問題進行更深入的研究，是發(fā)展我國飛機發(fā)動機事業(yè)的奠基石。
2.4.3 流固耦合
流固耦合是飛行器研制最基本的問題之一。幾十年的發(fā)展歷程中，基于流固耦合研究的飛機外形設計取得了諸多進展，包括整體機身外形的優(yōu)化，翼梢小翼的出現(xiàn)等。隨著飛機飛行速度的不斷提高，特別是軍用飛機機動性的要求，出現(xiàn)了許許多多新的流固耦合問題。比如針對飛機在大攻角飛行時（一般出現(xiàn)在軍機上），傳統(tǒng)小攻角氣動表示法、穩(wěn)定理論等均不再適用。因此，解決大攻角非定常問題，需要從飛行器運動以及流動方程同時出發(fā)，建立多自由度分析和數(shù)值模擬模型。這是典型的流固耦合問題。
同時，以往舊的流固耦合理論，在先進復合材料大量運用的今天，顯然已經(jīng)不再使用。對舊有理論進行必要的修正，也將成為流固耦合問題亟需完成的工作。
3 結(jié)語
當前，國家大力發(fā)展航空航天事業(yè)，作為高精尖產(chǎn)業(yè)，其所運用的理論與技術(shù)絕不能落后。力學作為一門古老而又應用廣泛的學科，其對航空航天事業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。為符合未來航空航天領域發(fā)展，航空航天領域的力學應著力向著程序化、工程化、非均質(zhì)化、以及多物理場耦合化綜合發(fā)展。
參考文獻
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關鍵詞: 電子束焊；激光焊；攪拌摩擦焊；線性摩擦焊；擴散焊
中圖分類號： V26 文獻標識碼:A
焊接是通過加熱、加壓，或兩者并用，使同性或異性兩工件產(chǎn)生原子間結(jié)合的加工工藝和聯(lián)接方式。焊接既可用于金屬，也可用于非金屬。在航空航天裝備和材料加工過程中，焊接技術(shù)有著舉足輕重的地位。
1電子束焊
電子束焊( EBW)是在真空環(huán)境下利用會聚的高速電子流轟擊工件接縫，將電子動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被焊金屬熔合的一種焊接方法。作為高能束流加工技術(shù)的重要組成部分，電子束焊具有能量密度高、焊接深寬比大、焊接變形小、可控精度高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定和易實現(xiàn)自動控制等突出優(yōu)點，也正是山于這些特點，電子焊接技術(shù)在航空、航天、兵器、電子、核工業(yè)等領域已得到廣泛的應用。在航空制造業(yè)中，電子束焊接技術(shù)的應用，大大提高了飛機發(fā)動機的制造水平，使發(fā)動機中的許多減重設計及異種材料的焊接成為現(xiàn)實，同時為許多整體加工難以實現(xiàn)的零件制造提供了一種加工途徑；另外，電子束焊接本身所具有的特點成功地解決了航空、航天業(yè)要求各種焊接結(jié)構(gòu)具有高強度、低重量和極高可靠性的關鍵技術(shù)問題。所以在國內(nèi)外的航空和航大工業(yè)中，電子束焊接已成為最可靠的連接方法之一。
2激光焊
激光技術(shù)采用偏光鏡反射激光產(chǎn)生的光束使其集中在聚焦裝置中產(chǎn)生巨大能量的光束，如果焦點靠近工件，工件就會在幾毫秒內(nèi)熔化和蒸發(fā)，這一效應可用于焊接工藝。激光焊具有焊接設備裝置簡單、能量密度高、變形小、精度高、焊縫深寬比大、能在室溫或特殊條件下進行焊接、可焊接難熔材料等優(yōu)點。激光焊接主要用機大蒙皮的拼接和機身附件的裝配。美國在20世紀70年代初的航空航天工業(yè)中，已利用15kW的CO2仿激光焊機弧光器針對飛機制造業(yè)中的各種材料、零部件進行了激光焊接試驗、評估及工藝的標準化?？罩锌蛙嚬続340飛機的全部鋁合金內(nèi)隔板均采用激光焊接，減輕了機身重量，降低了制造成本。
3攪拌摩擦焊
攪拌摩擦焊技術(shù)是英國焊接研究所(簡稱TWI)在1991年發(fā)明的新型固相連接技術(shù)，是世界焊接技術(shù)發(fā)展史上自發(fā)明到工業(yè)應用時間跨度最短和發(fā)展最快的一項固相連接新技術(shù)。它是利用一種非耗損的攪拌頭，高速旋轉(zhuǎn)著壓入待焊界面，摩擦加熱被焊金屬界面使其產(chǎn)生熱塑性，在壓力、推力和擠壓力的綜合作用下實現(xiàn)材料擴散連接，形成致密的金屬間固相連接。它具有無飛濺，無需焊接材料，不需要保護氣體，被焊材料損傷小，焊縫熱影響區(qū)小，焊縫強度高等特點，被譽為“當代最具革命性的焊接技術(shù)。美國 Eclipse公司在Eclipse N500型商務飛機制造中首次大規(guī)模成功運用了FSW技術(shù), 包括飛機蒙皮、翼肋、弦狀支撐、飛機地板以及結(jié)構(gòu)件的裝配等基本上全部利用攪拌摩擦焊技術(shù)制造，70%的鉚接被焊縫替代，不僅極大地提高了連接質(zhì)量，而且使生產(chǎn)效率提高了近10倍，生產(chǎn)成本大大降低。波音公司將攪拌摩擦焊技術(shù)用于C-17和C-130運輸機地板的制造，利用攪拌摩擦焊代替緊固件連接，簡化了地板結(jié)構(gòu)設計并提高了構(gòu)件的生產(chǎn)效率，生產(chǎn)成本降低了20%?？傊?，F(xiàn)SW技術(shù)正處于深入研究和推廣應用階段，存在著巨大的應用發(fā)展?jié)摿Α?/p>
4線性摩擦焊
線性摩擦焊是一種在焊接壓力作用下，利用被焊工件相對做線性往復摩擦運動產(chǎn)生熱量，從而實現(xiàn)焊接的固態(tài)連接方法。它具有優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點。20世紀80年代后期，MTU公司與羅羅公司合作，成功的將線性摩擦焊用于發(fā)動機整體鈦合金葉盤的制造。目前，線性摩擦焊已經(jīng)廣泛應用于塑料工程和航空發(fā)動機葉盤式轉(zhuǎn)子的制造。
5擴散焊
擴散焊又稱擴散連接，是把兩個或兩個以上的固相材料緊壓在一起，置于真空或保護氣氛中加熱至母材熔點以下溫度，對其施加壓力使連接界面微觀塑性變形達到緊密接觸，再經(jīng)保溫、原子相互擴散而形成牢固結(jié)合的一種連接方法。它具有接頭質(zhì)量好，焊后無需機加工，焊件變形量小，一次可焊多個接頭等優(yōu)點。擴散焊已在直升飛機上鈦合金旋翼槳轂、飛機大梁、發(fā)動機機匣以及整體渦輪等方面試用，渦輪葉片、鈦合金寬葉弦蜂窩夾層風扇葉片等的擴散焊已應用于生產(chǎn)。
焊接技術(shù)是航空航天領域的重要連接技術(shù)，它在促進航空航天制造技術(shù)的發(fā)展、實現(xiàn)飛行器的減重、高效中發(fā)揮著越來越重要的作用?？梢灶A見，我國航空航天工業(yè)在突飛猛進的焊接技術(shù)的推動下定將取得快速發(fā)展。
參考文獻
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關鍵詞：飛行器設計與工程；專業(yè)課程；通識課程；航空概論
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）47-0144-03
一、航空類專業(yè)課程體系簡介
在教育部本科專業(yè)目錄中，航空航天類專業(yè)有飛行器設計與工程、飛行器動力工程、飛行器制造工程、飛行器質(zhì)量與可靠性、飛行器環(huán)境與生命保障工程、飛行器適航技術(shù)和航空航天工程等7個。目前，鄭州航空工業(yè)管理學院開設了前3個專業(yè)，均歸屬于航空工程學院。以飛行器設計與工程為例，在第1學期設置了“飛行器設計與工程專業(yè)導論”課程（16學時）、第2學期設置了“航空航天技術(shù)基礎”專業(yè)必修課（32學時）作為專業(yè)學習的前導課。第1―5學期，學校設置了“高等數(shù)學”、“大學物理”、“理論力學”和“材料力學”等公共基礎課和學科基礎課；第4―7學期則按照飛機設計的各個子學科，設置了“通用航空技術(shù)”、“空氣動力學”、“飛行器總體設計”、“無人機系統(tǒng)導論”、“飛行器專業(yè)英語閱讀”和“飛行器專業(yè)技術(shù)講座”等專業(yè)課程。
從課程設置上可以看出，“飛行器設計與工程專業(yè)導論”和“航空航天技術(shù)基礎”課程主要培養(yǎng)學生對專業(yè)基本情況和學科領域的整體性把握，屬于專業(yè)通識性課程。而在專業(yè)課中滲透通識意識，對教師也提出了更高的要求[1，2]。經(jīng)過這兩門課程的前期引領和必要的數(shù)理、力學知識的學習之后，學生再按照飛機種類和飛機設計各分支學科的特點進行專業(yè)課學習。可以說，“航空航天技術(shù)基礎”的各個章節(jié)基本上對應了后續(xù)專業(yè)課的主要范圍，具有非常重要的地位。
在教學實踐中，我們也發(fā)現(xiàn)，激波、升力、機翼結(jié)構(gòu)、飛機穩(wěn)定性和操縱性等概念盡管在“航空航天技術(shù)基礎”課程中已講授，但在相應的專業(yè)課學習中，學生仍覺吃力。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，原因主要有兩點：第一，專業(yè)課程數(shù)學公式較多，而數(shù)學、物理等公共基礎課的學習效果一般，有畏難心理；第二，不知所學知識的應用情況，知其然而不知其所以然。針對航空類專業(yè)的課程體系，探索研究專業(yè)通識課程與后續(xù)專業(yè)課程的聯(lián)系，對于增強學生學習積極性、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。
二、“航空概論”通識類課程的建設情況
航空概論是學校面向非航空專業(yè)學生開設的一門通識課程（24學時），內(nèi)容主要包括航空航天基本概念、航空發(fā)展概況及未來發(fā)展趨勢、我國航空工業(yè)、空氣動力學基礎、飛行原理、航空發(fā)動機等[3]，考核方式為期末半開半閉考試。此外，針對國際本科學術(shù)互認課程（International Scholarly Exchange Curriculum Undergraduate，ISEC）項目的雙語版航空概論（32學時），內(nèi)容較普通版更為豐富，更強調(diào)課堂參與和團隊協(xié)作，考核方式為平時作業(yè)、表現(xiàn)和期末設計報告。
航空概論被列入學校的特色課程組合中，除航空專業(yè)外，其余專業(yè)的學生均須從特色課程組合中選修一門。學校每年的本科生招生人數(shù)近7000人，日常教學任務較為飽滿，考慮到學校招生專業(yè)包括財經(jīng)類、管理類和藝術(shù)類等，學生數(shù)理基礎參差不齊，在講授時一般避免進行復雜公式的推導，多采用類比法和案例法講解。
此外，學校的人才培養(yǎng)目標和發(fā)展定位與傳統(tǒng)的三所航空重點高校（北京航空航天大學、西北工業(yè)大學和南京航空航天大學）以及其他高職高專類院校存在明顯區(qū)別，市場上已有的航空概論教材并不能完全滿足我們的教學需求。經(jīng)過多年的建設，學校主編并出版了《航空概論》教材，并將“航空概論”課作為學校慕課平臺課程體系的第一批建設項目立項，通過網(wǎng)上課堂與實際課堂相結(jié)合的形式，探索“翻轉(zhuǎn)課堂”教學理念在航空類通識課程中的應用效果?，F(xiàn)在，此項工作正在穩(wěn)步開展中。
三、航空類專業(yè)課程與“航空概論”課程貫通建設
為了盡可能利用現(xiàn)有資源，我們對航空類專業(yè)課程和“航空概論”課程進行了統(tǒng)籌處理，并嘗試進行貫通建設，主要包括如下措施。
1.教具的開發(fā)和使用。“飛行器設計與工程專業(yè)導論”開設于第1學期，是飛行器設計與工程專業(yè)學生的一門必修課，其中理論課為8個學時，主要介紹專業(yè)課程特點、發(fā)展現(xiàn)況和就業(yè)方向；實踐課為8個學時，要求學生以小組形式設計制作飛機模型，主要培養(yǎng)學生對飛機的認識以及團隊協(xié)作能力?！皩I(yè)綜合性設計與制作”開設于第7學期，為專業(yè)必修實踐類課程，為期兩周，要求學生按照總體設計指標完成飛機的總體概念設計，制作出模型。
數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于模具制造中，尤其是在高精尖的航空航天領域。航空航天類模具一般采用5軸加工，且具有結(jié)構(gòu)復雜、精密、種類多、單件生產(chǎn)、使用壽命長、工期長、材料價格昂貴等特點，所以此類模具加工起來較復雜，精度難控制，易出現(xiàn)尺寸超差。航空航天類的模具雖然不是終端產(chǎn)品，但很多復雜的零件需依托其成型，其加工精度會影響零件的質(zhì)量，交付情況也會影響航空航天產(chǎn)品的生產(chǎn)成本與制造周期[1]。
2模具超差原因分析
模具加工超差問題嚴重影響模具交付，是拒收模具的最主要原因之一。模具加工最常見的質(zhì)量缺陷問題是工件尺寸超差，進而影響模具生產(chǎn)的交付。因此，及時分析尺寸超差原因就顯得尤為重要，并據(jù)此提出相應改進措施，才能避免以后類似問題的出現(xiàn)，進而提高生產(chǎn)效率，保證加工質(zhì)量。圖1為模具超差原因的魚刺圖，從影響產(chǎn)品質(zhì)量方面分析，模具超差原因包括人、機、料、法、環(huán)五個主要因素，具體分為人為因素與非人為因素兩大類。結(jié)合模具生產(chǎn)實踐，超差原因具體包括：①依據(jù)錯誤；②技術(shù)水平低；③操作失誤；④工藝方法問題；⑤文件理解錯誤；⑥設備問題；⑦材料、環(huán)境；⑧管理問題；⑨磨損、損壞；⑩其它等。對生產(chǎn)模具過程中出現(xiàn)的故障，具體問題應該具體分析，找出原因所在，爭取在后面的工序中改進。
2.1人為因素
人是導致模具加工超差的主觀因素。其人為因素包含在模具設計、工藝、制造、檢測和使用過程中，所有參與到模具生產(chǎn)中的人和事。（1）設計因素：模具工裝圖紙或數(shù)模設計不合理、多次變更造成混亂。（2）工藝人員加工方法、加工參數(shù)有誤：切削工具選用不當、加工條件選用不當、余量預留不對、加工步驟不合理。（3）操作人員粗心大意：未做好加工前確認（包括圖面、工件、加工工具、加工條件）、數(shù)據(jù)輸入錯誤（數(shù)值輸入、程序混淆）、裝夾問題（裝夾錯誤、夾傷、傾斜）。（4）操作人員裝夾經(jīng)驗不足：多次裝夾產(chǎn)生誤差、裝夾方式或方法不對、裝夾力不足。（5）檢驗人員測量方法不對：工件未仔細測量、未清除干凈就測量、測量基準有誤、測量探頭測不到位。
2.2非人為因素
相對人為因素來說，非人為因素為客觀因素。導致模具加工超差的非人為因素涉及設備、材料和環(huán)境的各個方面。（1）設備因素：機床加工設備出現(xiàn)故障，精度不夠、測量設備誤差大、輔助工具不合格。（2）原材料：無料、材料尺寸錯誤、材質(zhì)錯誤、材料疊加、運輸過程中被碰傷、原材料有缺陷，熱處理不當或加工引起材料變形[2]。（3）環(huán)境因素：周轉(zhuǎn)過程與測量環(huán)境溫度差、突然停電、氣壓不足、噪音大、干擾多等。
3措施
綜上所述，模具生產(chǎn)中的各個環(huán)節(jié)疏漏都會導致加工超差[3]。要避免模具加工超差，不僅單位要加強職工的質(zhì)量意識和責任心教育、加強工作質(zhì)量考核，而且需要參與模具設計、工藝、加工制造、檢測環(huán)節(jié)，以及使用過程中的職員認真仔細，做好本職工作。針對上述導致模具加工超差的因素，本文提出以下幾點措施：（1）模具設計是制造的核心要素，設計員不僅要考慮模具設計的合理性，還要考慮模具設計之后的加工工藝和使用方法，要規(guī)范繪制圖紙，避免發(fā)出多次變更造成混亂。（2）工藝貫穿模具制造的中間環(huán)節(jié)，開展工藝化標準工作，完善工藝規(guī)程是工藝人員首先要做的一項工作。其次，工藝人員要增強在編程方面的安全性理論檢查，要善于利用仿真軟件進行干涉過切檢查、刀長計算、線框刀路模擬、實體刀路模擬以及機床仿真等，將可能暴露出的問題解決在施工之前。（3）加工是模具制造的重要環(huán)節(jié)，公司須對數(shù)控操作工人進行數(shù)控銑床、加工中心理論知識培訓。操作人員務必做到認真仔細，要從錯誤和失敗中總結(jié)教訓，從日常工作中積累經(jīng)驗，要嚴格按照操作規(guī)程實施，保證零件加工精度。（4）測量是模具制造的最后環(huán)節(jié)，為質(zhì)量把好最后一道關。檢驗人員的測量方法要與時俱進，針對不同特點的工裝要采用不同的檢測方法，而且測量結(jié)果能經(jīng)得起時間的考驗。（5）在模具使用過程中需要定期檢查型面、線、孔是否符合使用要求，并做好維護保養(yǎng)，提高模具的使用壽命，若模具磨損嚴重或零件更改影響使用，則須盡快返修。
4結(jié)束語
本文分析了模具加工過程中尺寸超差的原因，提出了減少加工超差的相關措施，能提高模具加工的合格率、減小模具的加工成本、縮短模具的生產(chǎn)周期。隨著航空航天產(chǎn)品的飛速發(fā)展，模具制造將朝著數(shù)字化、柔性化的方向發(fā)展，模具設計和制造在未來亦將發(fā)揮越來越重要的作用。
參考文獻
[1]張玉峰.航天航空制造業(yè)模具應用研究[J].金屬加工:冷加工，2010，（09）：22~24
[2]馮玉昌.模具熱處理變形及其控制方法的探討[J].地質(zhì)裝備，2007，（06）：36~38
飛機剎車副潛力無限
新材料享受政策紅利
當前股價：
今日投資個股安全診斷星級：
公司簡介
博云新材是國內(nèi)領先的先進復合材料制品生產(chǎn)企業(yè)，公司軍用、民用飛機剎車副（粉末冶金飛機剎車副、炭/炭復合材料飛機剎車副）、航天用炭/炭復合材料、環(huán)保型高性能汽車剎車片、高性能模具材料等四大產(chǎn)品類具有自主知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)領先。公司在先進復合材料領域“基礎研究-應用研究-產(chǎn)業(yè)化”鏈條較為完善、競爭力強，自主開發(fā)的炭/炭復合材料性能達到甚至超過國際先進水平。
主營收入。公司營業(yè)收入和營業(yè)毛利主要來自四大類產(chǎn)品。2009年前三季度，公司實現(xiàn)主營業(yè)務收入和歸屬于母公司的凈利潤分別為15753.97萬元、1971.46萬元，分別比2009年同期增長27.22%、13.83%。
經(jīng)營情況：國外企業(yè)在先進復合材料領域具有絕對的優(yōu)勢，國內(nèi)市場份額主要由外資把持。公司產(chǎn)品的價格僅僅約為國外同類產(chǎn)品價格的60%，具有較高的性價比優(yōu)勢和巨大的進口替代需求。隨著國內(nèi)軍用、民用航空的快速發(fā)展和汽車工業(yè)（尤其是國產(chǎn)品牌）的高速增長，市場對公司產(chǎn)品需求旺盛，公司主要的產(chǎn)品供不應求。從盈利能力來看，公司銷售毛利率和銷售凈利率比較穩(wěn)定，即使在金融危機期間也沒有明顯的下滑趨勢。公司穩(wěn)定的期間費用率展示了良好的三費控制能力，近年來銷售費用率、管理費用率比較穩(wěn)定，財務費用率在公司募集資金到位后大幅下降。
核心競爭力：博云新材核心競爭力來自在粉末冶金復合材料領域強大的研發(fā)實力，其炭/炭復合材料是具有全球競爭力的產(chǎn)品。公司成功開發(fā)的飛機剎車副、航天用炭/炭復合材料等產(chǎn)品技術(shù)含量高，打破了國外競爭對手長期壟斷的格局，確保了國家航空戰(zhàn)略安全，在國防上具有重要的戰(zhàn)略意義。由于航空航天產(chǎn)品對材料的安全和性能有極高的要求，各國政府均實施許可證（PMA）式生產(chǎn)方式，公司擁有俄羅斯圖波列夫設計局頒發(fā)的生產(chǎn)許可證，還是國內(nèi)企業(yè)取得波音系列飛機剎車副PMA證書數(shù)量最多的企業(yè)，而且空客部分機型飛機剎車副PMA項目已批準立項且取得部分PMA證書，這些資源也是公司的核心競爭力。
產(chǎn)品技術(shù)先進 潛在市場巨大
粉末冶金復合材料是以傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)為基礎，結(jié)合先進復合材料技術(shù)制備的材料，產(chǎn)品廣泛應用于航空、航天、交通運輸、工程機械和能源等領域，在國際上僅有少量的國家擁有核心生產(chǎn)技術(shù)。博云新材的產(chǎn)品包括軍用、民用飛機剎車副（粉末冶金飛機剎車副、炭/炭復合材料飛機剎車副）、航天用炭/炭復合材料、環(huán)保型高性能汽車剎車片、高性能模具材料四大類。
飛機剎車副：飛機剎車副在重要性上是和發(fā)動機媲美的A類消耗性部件，是飛機安全運行的重要保證。博云新材是南方航空、廈門航空、上海航空、海南航空等公司和軍用剎車副合格供應商，其中，圖-154飛機剎車副全面出口前蘇聯(lián)各國，空客320系列飛機剎車副已成功試飛并取得PMA證書。在國內(nèi)民用飛機剎車副市場上，國外廠商在粉末冶金剎車副和炭/炭復合材料剎車副的市場份額都超過80%。公司生產(chǎn)的炭/炭復合材料剎車副的部分性能已經(jīng)超過國外同類產(chǎn)品，又具有絕對的價格優(yōu)勢，已經(jīng)發(fā)展成為最大的國產(chǎn)供應商，目前在兩個領域的市場份額分別為10%和6%。國內(nèi)民用航空的快速發(fā)展，公司產(chǎn)品性價比優(yōu)勢將使公司產(chǎn)品有更多的進口替代需求。我們預計未來隨著我國航空業(yè)高速增長，公司產(chǎn)品的市場空間逐漸擴大、市場份額將不斷上升。目前，公司擁有2500套粉末冶金材料飛機剎車副和2000套炭/炭復合材料飛機剎車副產(chǎn)能，募投項目產(chǎn)能為4000套炭/炭復合材料飛機剎車副，增長200%，我們預計該項目2011年將開始貢獻業(yè)績。
航天用炭/炭復合材料：在航空航天領域，炭/炭復合材料廣泛應用于航天飛機的機翼前緣、火箭發(fā)動機尾噴管等超高溫部位，是火箭發(fā)動機的關鍵技術(shù)之一。國內(nèi)航天火箭發(fā)動機噴管均采用炭/炭復合材料，公司已有多個型號的產(chǎn)品定型批產(chǎn)。我國將大力發(fā)展航空航天技術(shù)，公司將是我國航天產(chǎn)品做大做強的最大受益者之一。目前公司擁有2000公斤的產(chǎn)能，募投項目2000公斤產(chǎn)能將于2011年達產(chǎn)，產(chǎn)能增長幅度為100%。
環(huán)保型高性能汽車剎車片：汽車剎車片是汽車安全行駛的可靠保證，在汽車零部件名錄上被列為A類關鍵性安全部件，具有易損耗、更換快的特點。目前，無石棉環(huán)保型剎車片是市場的主體，其中陶瓷基摩擦材料和非金屬（無鋼纖維）摩擦材料占據(jù)了高端汽車剎車片市場。公司的汽車剎車片技術(shù)已經(jīng)達到國際頂尖水平，完全掌握陶瓷基剎車片的關鍵技術(shù)和生產(chǎn)工藝、具有非金屬剎車片的技術(shù)和生產(chǎn)能力、全陶瓷剎車片、炭/陶剎車片和炭/炭剎車片也已進入開發(fā)驗證階段。公司產(chǎn)品已成為中國一汽集團、東風汽車、上汽通用五菱、長豐捷報等汽車主機廠的主要配套廠家，公司還積極介入國外汽車主機企業(yè)采購鏈，為美國通用汽車（GM）、德國博世（BOSCH）、美國德爾福（DELPHI）、澳大利亞泛太集團（PBR）和全俄汽車制造股份有限公司等國外汽車主機廠開發(fā)的汽車剎車片項目進展順利，與美國H.M.公司合作開發(fā)的高性能剎車片已批量供貨。
高性能模具材料：模具材料是模具工業(yè)生產(chǎn)的基礎工藝材料，高性能模具材料產(chǎn)品主要應用于級進沖壓模等高端模具領域。我國在高性能模具材料制備技術(shù)和模具加工技術(shù)等方面與發(fā)達國家存在較大的差距，國內(nèi)市場主要由外國品牌控制。公司的高性能模具材料制備技術(shù)達到了國際先進水平，而產(chǎn)品價格僅為國外產(chǎn)品的55%左右。憑借卓越的性價比優(yōu)勢，公司目前已經(jīng)打入國內(nèi)高性能模具材料市場，向國內(nèi)電機定轉(zhuǎn)子級進沖模模具前兩位企業(yè)寧波震欲和慈溪鴻達批量供貨，產(chǎn)品銷量逐漸擴大。公司目前擁有80噸高性能模具材料產(chǎn)能，募投的120噸已基本建設完畢，產(chǎn)能增長幅度為150%，預計今年開始貢獻業(yè)績。
公司正在大力開發(fā)納米晶粒高性能模具材料、風電機組用剎車片、高鐵剎車材料、磁懸浮列車磨耗材料和工程機械摩擦材料等。公司產(chǎn)品在航空航天、汽車、高端沖壓模具三個領域的成功應用，為公司拓展高性能粉末冶金復合材料其他應用領域提供了良好的示范效應。未來公司產(chǎn)品將有潛力應用于高鐵、風電、工程機械等領域，這些項目是我國“十二五”規(guī)劃重點建設的領域，產(chǎn)品的潛在市場空間廣闊。
【關鍵詞】 碳纖維 復合材料低溫力學性能
1 碳纖維復合材料超低溫環(huán)境力學性能研究背景
如何降低空間飛行器在發(fā)射時的成本，使空間飛行器的發(fā)射效率提高，一直以來都是各國進行研究的關鍵領域之一。20世紀90年代中期，美國國家航空航天局（NASA）開始了對亞軌道可重復使用飛行器（RLV）的研發(fā)試驗。
針對這一新形勢，我國在“十五”計劃初期，即開展了可重復使用飛行器技術(shù)的跟蹤、探索和研究。為了避免在全球競爭中出現(xiàn)裝備跨代落后的不利局面，而加大了對可重復使用飛行器的研發(fā)力度。
由液氫（-253℃）、液氧（-183℃）、液氮（-196℃）、液氦（-269℃）及其蒸發(fā)氣體共同組成了主要的超低溫流體介質(zhì)。其中，液態(tài)氫和液態(tài)氧是液體火箭發(fā)動機發(fā)射過程中，一種具備比推力大的燃料，并且不產(chǎn)生污染物質(zhì)；液He是作為空間裝置、超導裝置中廣泛應用的低溫密封介質(zhì)；液態(tài)氮具有惰性特質(zhì)、價格低廉并且介于液氫和液氧之間的熱力學特點，常應用于低溫試驗和作為預冷介質(zhì)[2]。
在以液態(tài)燃料作為飛行器動力系統(tǒng)燃料供應的設計中，液氧（LO2）燃貯箱及工作系統(tǒng)使用溫度為-183℃，液氫燃料貯箱及工作系統(tǒng)使用溫度為-253℃，液氫燃料貯箱及供給管系統(tǒng)和液氧燃貯箱及供給管系統(tǒng)工作于低溫環(huán)境。當飛行器返回時，可重復使用運載器貯箱及供給管要承受170℃的高溫考驗，燃料貯箱工作溫度范圍很大，因此在設計時必須綜合考慮在此溫度范圍內(nèi)應用復合材料貯箱的可靠性[3]。
上世紀80至90年代，研發(fā)復合材料液氫貯箱的課題在美國國家航天飛機（NASP）計劃以及DCX計劃都涉及，并取得了一些成就。X-33計劃則直接計劃使用復合材料液氫貯箱，但由于在實驗中，熱應力引起微裂紋導致液氫滲漏以及其他技術(shù)方面問題，最終決定用鋁制貯箱將出問題的復合材料貯箱代替下來。相比其國外研究機構(gòu)對飛行器貯箱材料方面的嘗試，國內(nèi)對超低溫用樹脂基增強復合材料的研究還處于起步階段，出于保險考慮，貯箱一直采用金屬材料，在超低溫復合材料方面技術(shù)性的突破成為國內(nèi)研究的重點課題。
2 國內(nèi)外對碳纖維復合材料超低溫力學性能的研究現(xiàn)狀
目前，在工程中有著非常廣泛應用的樹脂基復合材料主要包括：連續(xù)纖維增強環(huán)氧、雙馬和聚酰亞胺復合材料。他們具有較高的比強度和比模量，能夠有效的抗疲勞、耐腐蝕，并且可設計性較強，便于大面積整體成型，并且，他們還具有特殊電磁性能等特點。先進樹脂基復合材料已經(jīng)成為繼鋁合金、鈦合金和鋼之后的最重要航空結(jié)構(gòu)材料之一。
先進樹脂基復合材料在飛行器材料應用上表現(xiàn)出色，目前已經(jīng)在部分機型上實現(xiàn)減重效益，這是使用其它材料所不能比擬的。因此，先進樹脂基復合材料的用量比例已經(jīng)成為航空結(jié)構(gòu)先進性的重要標志之一。
2.1 超低溫復合材料用基體
據(jù)了解，應用在超低溫環(huán)境下的樹脂基體主要有：
（1）熱固性樹脂包括：環(huán)氧樹脂，氰酸酯樹脂，聚酰亞胺等；
（2）熱塑性樹脂包括：聚醚酰亞胺，聚醚醚酮，聚四氟乙烯，聚醚砜，聚苯硫醚，聚砜，液晶聚合物等。
配方的設計對于樹脂基體制備非常重要。對于環(huán)氧樹脂材料，經(jīng)常會碰到脆性過高、容易開裂的問題。解決這一問題行之有效的方法是使環(huán)氧樹脂柔性化，或是使整個配方體系柔性化。而這也是我們在該試驗中在選取材料方面提前做好的準備。經(jīng)過柔化的環(huán)氧樹脂脆性降低，不易開裂，在工程應用中表現(xiàn)更加出色。
可重復加工的特點是高性能熱塑性樹脂具備的特點之一，在低溫復合材料中的具有很大的潛在應用價值。比如說，碳纖維增強聚醚醚酮復合材料力學性能，雖然在超低溫破壞強度方面表現(xiàn)良好，但由于成型困難以及巨大的加工成本，限制了熱塑性基體在低溫領域下的應用。
在本次試驗中所應用到的便是改性后的環(huán)氧樹脂，改性后使其在常溫和低溫下均具備穩(wěn)定的力學性能。
2.2 超低溫復合材料用增強材料
纖維增強復合材料是由增強纖維，如玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維等材料與基體經(jīng)過模壓、纏繞或拉擠等工藝而形成的復合材料。
在一些低溫工程中，由于纖維增強復合材料具有如下特點：
（1）比模量大，比強度高；（2）材料具有可設計性；（3）抗腐蝕性和耐久性能良好；（4）熱膨脹系數(shù)與混凝土材料形似。根據(jù)他們特性及制備加工工藝方面的綜合考慮，應用最廣泛的增強纖維是碳纖維和玻璃纖維。
對于玻璃纖維，研究表明，低溫下纖維的拉伸強度和拉伸模量均有不同程度的增加，玻璃纖維Weibull分布尺度參數(shù)有很大的提升。玻璃纖維，E-glass從室溫到4K，它的楊氏模量提高15%，S-g lass從295K到4K其楊氏模量提高10%。
碳纖維增強樹脂基復合材料，由于它在航空航天軍事等領域應用較多，因而也成為科研工作者研究的熱點。試驗發(fā)現(xiàn)，將模高強碳纖維作為超低溫復合材料的增強材料，強度和模量與室溫時相比變化很小，是比較理想的超低溫增強材料。
2.3 樹脂基復合材料制造工藝
依據(jù)不同類型的復合材料、不同形狀的構(gòu)件以及對構(gòu)件質(zhì)量和性能的不同要求，先進樹脂基復合材料可采用不同的成型工藝。目前航空航天領域先進樹脂基復合材料主要成型工藝包括：熱壓罐成型工藝、RTM成形工藝、纏繞成型工藝、拉擠成型工藝、熱壓成型工藝、自動鋪放工藝等。
通過對上世紀六十年代至九十年代不同組織及個人對各類常用纖維復合材料常、低溫力學性能測試的結(jié)果做出總結(jié)與比較。R.P.Reed、M.Golda、J.B.Schutz等人發(fā)現(xiàn)：低溫狀態(tài)下，芳族聚酰胺纖維復合材料的低溫拉伸強度與常溫時比較變化較小，而其他各類纖維復合材料的低溫拉伸強度均比常溫狀態(tài)時有所提高。
參考文獻：
[1]王嶸，郝春功，楊嬌萍，張雄軍，付紹云，王繼輝.超低溫復合材料的研究進展.化工新型材料，2007.
關鍵詞：增材制造；航空航天領域；發(fā)展現(xiàn)狀
1 金屬增材制造的種類和原理
金屬增材制造（Additive Manufacturing，簡稱AM）技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的鑄、鍛、焊等熱加工“等材成形”技術(shù)及車、銑、磨等冷加工“減材成形”技術(shù)的一種全新的制造方法，是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術(shù)，是一種自下而上的制造方法[2]。它是融合了計算機軟件、材料、機械、控制等多學科知識的系統(tǒng)性、綜合性的技術(shù)。增材制造按照不同的加工方法可分為激光增材制造、電子束增材制造、電弧增材制造等，有的加工方法仍可細化成兩種或多種不同的具體方式。下面將對各種不同增材制造方法的原理和特點進行闡述，并對各自的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行介紹。
2 激光增材制造
激光增材制造分為激光選區(qū)熔化技術(shù)和激光直接沉積技術(shù)，激光選區(qū)熔化成形技術(shù)原理：它是以激光作為熱源，一層一層熔化金屬粉末，直接制造出近形的金屬零件。
激光快速成形技術(shù)打破了傳統(tǒng)材料去除或變形加工成形方法的限制，利用“離散+堆積”的材成形思想，通過同步送粉（送絲）或激光熔覆數(shù)字化成形一步實現(xiàn)工件的精確成形；屬近凈成形制造技術(shù)。激光直接沉積技術(shù)是在快速原型技術(shù)和激光熔覆技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的一種先進制造技術(shù)。該技術(shù)是基于離散/堆積原理，通過對零件的三維CAD模型進行分層處理，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成加工路徑，在惰性氣體保護環(huán)境中，以高能量密度的激光作為熱源，按照預定的加工路徑，將同步送進的粉末或絲材逐層熔化堆積，從而實現(xiàn)金屬零件的直接制造與修復。
約翰霍普金斯大學、賓州大學和MTS 公司開發(fā)出一項大功率CO2激光 “鈦合金的柔性制造”技術(shù)，并成立AeroMet公司。該公司的目標就是實現(xiàn)具有高性能、大體積鈦合金零件的制造，尤其是大型整體加強筋結(jié)構(gòu)鈦合金零件的快速成形。公司的主要研究方向為軍事領域的航空航天用鈦合金部件的激光增材制造。該公司制造的鈦合金零部件已實現(xiàn)裝機使用。已使用零件分別為F-22戰(zhàn)斗機的某接頭、F-18戰(zhàn)斗機的翼跟加強板的連接吊環(huán)和起落架連接桿。其中，F(xiàn)-22的接頭件能夠達到要求疲勞壽命的兩倍以上，翼根加強筋達到要求疲勞壽命的四倍以上，起落架連桿疲勞壽命超過原件的30%。
美國Sandia國家實驗室的Griffith研究組提出以激光熔覆沉積成形為基礎的激光凈成形（Laser Engineered Net Shaping）技術(shù)，并將此技術(shù)用于修復渦輪發(fā)動機的零部件。研究的材料種類包括不銹鋼、鈦合金、高溫合金等，成型件的強度和塑性均比鍛造件得到顯著地提高。研究小組還通過對控制軟件的研究和改進，將加工精度提升了一個等級。其水平方向加工精度達到0.05mm，垂直方向加工精度達到0.4mm，加工后零件的表面光潔度達到6.25μm。但是成型精度的提高會影響到成形效率。特別值得一提的是，研究組通過改變金屬粉末的成分，實現(xiàn)了材料成分在一個零件上的梯度變化，從而使得零件的不同部位具有了不同的力學性能，這就為零件的設計優(yōu)化提供了一種新的方法。
國內(nèi)的增材制造相關研究雖然起步較晚，但是一些相關的大學和研究機構(gòu)已有異軍突起之勢，在某些方面甚至達到國內(nèi)外領先的地步。西北工業(yè)大學的黃衛(wèi)東教授的團隊在快速原型制造技術(shù)的基礎上提出了激光增材制造技術(shù)的研究思路，進行了相關的研究探索。并成功運用激光立體成形技術(shù)制造出了大型飛機的鈦合金翼梁緣條和飛機發(fā)動機的高溫合金空心葉片，綜合力學性能優(yōu)于同等條件下的鍛件。北京航空航天大學的王華明教授采用激光增材技術(shù)制造出大尺寸金屬零件，并應用于新型飛機的研制過程中，不但提高了飛機的結(jié)構(gòu)強度，而且大大縮短了飛機的研制周期，并于2012年獲得國家科學技術(shù)進步一等獎。
但是激光增材制造也存在一些問題[3]。比如：球化現(xiàn)象、裂紋敏感性、殘余應力等，而且設備較昂貴、能量利用率低、低熔點金屬材料的受熱變形、速度與精度之間的矛盾等問題也尤為突出。尤其對鋁合金而言，由于液態(tài)鋁的光反射率很高，激光照射在液體表面大部分反射掉，導致其能量損失嚴重；而且鋁合金熔點較低，激光的能量密度很高，對大型薄壁零件或者殼體增材時，翹曲變形較嚴重。
3 電子束增材制造
電子束增材制造分為熔絲沉積成形和電子束選區(qū)熔化成形，電子束熔絲沉積技術(shù)又稱為電子束自由成形制造技術(shù)（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF）。在真空環(huán)境中，電子束轟擊金屬表面形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置送入熔池并熔化，同時熔池按照預先規(guī)劃的路徑運動，熔池金屬逐層凝固堆疊，達到致密的冶金結(jié)合，從而制造出金屬毛坯件，最后進行表面精加工和熱處理。特點：沉積效率高、真空環(huán)境有利于零件的保護、內(nèi)部質(zhì)量好、可實現(xiàn)多功能加工。電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)[4]（Electron beam selective melting， EBSM）的工藝原理。先在鋪粉平面上鋪展一層粉末并壓實；然后，電子束在計算機的控制下按照斷面輪廓的信息進行有選擇的熔化，層層堆積，直至整個零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末得到所需的三維零件。特點：成形精度高，成形件表面質(zhì)量較好，光潔度較好，可用于近成型增材制造。
Calcam公司[5]采用電子束熔絲沉積增材制造技術(shù)，通過對工藝參數(shù)和控制系統(tǒng)的把控，制造出了綜合力學性能優(yōu)于鍛件的TC4鈦合金葉輪部件，并成功應用于某型飛機上。
2001年瑞典的Arcam公司成立以來，以電子束增材制造技術(shù)在粉末近凈成形精度、效率、成本和力學性能等方面具有的優(yōu)勢，針對它的研究很快成為了國外科學前沿的研究熱點。德國紐倫堡大學、英國華威大學、美國北卡羅萊納大學以及美國波音公司、Synergeering集團、德國FAruth公司、瑞典VOLVO公司等都陸續(xù)開展了相關的研究。美國Sciaky公司聯(lián)合Lockheed Martin、Boeing公司等也在同時期合作開展了研究，成形鈦合金時，最大成形速度可達18kg/h，力學性能滿足適航要求。意大利AVIO公司[8]采用其自行制造設備開發(fā)出航空發(fā)動機復雜TiAl基合金構(gòu)件，并成功應用在新一代航空發(fā)動機上。
2006年北京航空制造工程研究所開始對電子束熔絲沉積成形技術(shù)進行深入研究。設計并制造了國內(nèi)首臺電子束熔絲沉積成形設備，對TC4、TC18、TA15、等鈦合金以及A100超高強度鋼的力學性能進行了系統(tǒng)的研究。研制了大量鈦合金零件和試驗件。2012年，采用電子束熔絲成形制造的鈦合金零件在國內(nèi)飛機結(jié)構(gòu)上率先實現(xiàn)了裝機應用。
目前電子束增材制造仍面臨著一系列技術(shù)問題，吹粉、球化現(xiàn)象、變形及殘余應力控制、表面粗糙度等。而且，電子束增材設備十分昂貴，設備維護成本較高。因為電子束加工需要真空保護，所以其制造周期較長。對輕合金薄壁件的增材制造而言，同樣存在著變形嚴重的難題。
4 其他增材制造方法
4.1 電弧增材制造
電弧增材制造又叫做形狀金屬沉積（shaped metal deposition SMD）技術(shù)。它采用的是鎢級氣體保護焊技術(shù)和高密度絲材。工件在保護氣環(huán)境下被層層疊加制造，同時焊接機器人直接由電腦CAD模型控制。通常情況下，精度和表面質(zhì)量都不如激光或電子束增材制造。但是，它可以制造大到1m3的工件并且沉積速率可以達到1kg/h。因此，高速的電弧增材制造大型高密度部件的能力在這方面使得它比其他方法具有巨大優(yōu)勢。
英國謝菲爾德大學的貝恩等人用六軸聯(lián)動的機器人在兩軸的平臺上對銅絲材進行電弧增材制造，獲得了厚度為20mm的箱體坯件。組織性能接近同等條件下激光增材的性能。
天津大學的尹玉環(huán)等人使用TIG電弧作為熱源對5356鋁合金零件的增材成形進行了研究。研究結(jié)果表明：同一層成形時通過對道次間冷卻時間的控制可以獲得較好的增材成形效果，而對整個成形件而言不同層之間冷卻時間的合理控制對獲得良好的增材成形效果也起著至關重要的作用。還發(fā)現(xiàn)在后續(xù)焊接中采用不同的焊接速度雖然可以有效的控制熱輸入量，但是如果焊接速度的差異過大將導致增材成形過程的穩(wěn)定性變差。
華中科技大學的王桂蘭[7]等研究了電磁場對電弧熔積快速成形溫度場及參與應力的影響，研究結(jié)果表明：添加磁場之后，成形件表面溫度場各溫度區(qū)域范圍增大，熔積層表面熱循環(huán)峰值溫度升高，冷卻速度降低，成形件表面的縱向和橫向殘余應力均減小。
電弧增材制造也存在一些不可回避的難題[8]：吹粉和球化現(xiàn)象嚴重造成成形穩(wěn)定性差、成形材料種類的局限性、成型零件易發(fā)生開裂和變形綜合力學性能較差、組織差異大和需要較多的后期精加工等。
4.2 超聲增材制造
超聲增材制造Ultrasonic additive manufacturing（UAM）作為一種固態(tài)金屬成形加工方式，它是運用超聲波焊接方法，通過周期性的機械操作，將多層金屬帶加工成三維形狀，最后成形為精確的金屬部件。下面是滾軸式超聲焊接系統(tǒng)，它是由兩個超聲傳感器和一個焊接觸角組成，傳感器的振動傳遞到磁盤型的焊接觸角上，能夠在金屬帶與基板之間進行周期性的超聲固態(tài)焊接，進而觸角的連續(xù)滾動將金屬帶焊在基板上。這種技術(shù)能夠使鋁合金、銅、不銹鋼和鈦合金達到高密度的冶金結(jié)合。若將它與切削加工做比較，UAM可以做出深縫、空穴、格架和蜂巢式內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及其他的傳統(tǒng)的切削加工無法加工的復雜結(jié)構(gòu)。
5 展望
增材制造技術(shù)經(jīng)過二三十年的探索發(fā)展，目前正處于蒸蒸日上的時期，一方面期待在技術(shù)上有新的突破，提高增材制造在材料、精度和效率上的要求；另一方面是基于現(xiàn)有技術(shù)的新應用，拓寬增材制造的應用領域和范圍。相信在不久的將來，一定能看到增材制造技術(shù)在航空航天領域的更大范圍的應用。
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關鍵詞：焊接；技術(shù)；應用；發(fā)展
中圖分類號：P755文獻標識碼： A
引言
一、我國焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
1、較長焊縫和厚板焊縫的焊接技術(shù)落后
在對鋼板進行焊接的過程中，長焊縫和厚板的焊接是不可避免的。焊接技術(shù)水平的高低、焊接的效率以及焊接質(zhì)量深深影響著產(chǎn)品的質(zhì)量以及產(chǎn)品的成本。除此之外，厚板的對縫焊接、箱形零構(gòu)件的整體焊接以及T型焊縫的焊接等的工作量是非常巨大的，對焊接技術(shù)要求十分嚴格。在焊接的過程中，焊縫第一層采用的是埋弧焊（SAW）焊接技術(shù)。這種方法產(chǎn)生的垃圾廢渣不易清理。所以，焊縫的第一層通常采用埋弧焊（SAW）蓋面和熔化極氣體保護焊（GMAW）打底相互結(jié)合的工藝來進行處理。使用這種方法的一個缺憾是焊接效率提高受限。在T型焊接和厚板相互對接的焊接過程中通常采用的是碳弧氣刨清根工藝技術(shù)。這種技術(shù)能夠使焊縫進行全熔透的焊接，但是增加了加工成本，也對焊接工藝人員的身體和焊縫質(zhì)量造成影響。
2、焊接技術(shù)自動化水平不高
一個國家要想發(fā)展強盛，必須依托于工業(yè)現(xiàn)代化、加工自動化。只有這樣生產(chǎn)的產(chǎn)品才能節(jié)約加工成本，給社會創(chuàng)造出更多的福利。通過調(diào)查顯示國外的焊接自動化水平已經(jīng)達到80%，而我國的焊接自動化水平最多只占30%。絕大多數(shù)的焊接依舊是采用手工焊接來實現(xiàn)的。若想取得工業(yè)的迅速發(fā)展，自動化的焊接發(fā)展方向是必然的選擇。
3、焊接構(gòu)件易產(chǎn)生冷熱裂紋
冷裂紋指的是焊縫在冷卻的過程中，如果溫度下降到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍以下，焊縫就會在焊接后立即出現(xiàn)。這種焊縫通常也叫做延遲裂紋。這種冷焊縫形成的必要條件是：焊縫接頭處存在擴散氫、具備淬硬組織、拉伸應力較大并且密集。而熱焊縫是在高溫狀態(tài)下產(chǎn)生的，又稱之為結(jié)晶裂紋或高溫裂紋。這些裂縫容易出現(xiàn)在裂縫的內(nèi)部，也易出現(xiàn)熱影響區(qū)。熱裂紋的形狀主要有橫向裂紋、弧坑裂紋、縱向裂紋、根部裂紋等等。熱裂紋是由力學和冶金制造過程中的因素一起作用才產(chǎn)生的。它形成的主要原因是由于焊接池中的低熔點共晶和雜質(zhì)共存致使晶體偏析。這樣裂紋的強度就非常低，極易產(chǎn)生裂紋。
4、焊接人員的專業(yè)技術(shù)水平不足
焊縫技術(shù)直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量以及整體鋼結(jié)構(gòu)的業(yè)務流程。鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品被應用到了幾乎所有領域，了解焊接的相關技術(shù)是對技術(shù)操作人員的基本規(guī)定。要求操作人員熟練掌握自身業(yè)務水平是對其的最起碼的要求。而我國的焊接技術(shù)人員對業(yè)務水平了解的太少，與對行業(yè)需求存在非常大的距離。
二、我國焊接技術(shù)主要應用領域
1、航空航天工業(yè)中的應用：焊接技術(shù)依其可靠的性能，被廣泛應用于航空航天工業(yè)，焊接的工作量占全部工時的百分之十，焊接連接的部件在航空航天領域內(nèi)占百分之五十以上。由于航空航天工業(yè)中對金屬材料要求的特殊性，促成了特種焊接技術(shù)的應運而生。目前主要使用的是固態(tài)焊接技術(shù)和高能束流焊接技術(shù)。其中的激光焊、電子束焊、攪拌摩擦焊是在我國航空航天領域中最常用的三種先進焊接技術(shù)。
2、汽車制造領域中的應用：電子束焊接主要用于發(fā)動機增壓器渦輪、后橋、行星齒輪框架、離合器、汽缸、變速箱齒輪等部件的焊接；激光焊技術(shù)主要用于框架結(jié)構(gòu)、零部件的焊件和車身拼焊；攪拌摩擦焊主要用于發(fā)動機引擎、汽車輪轂、汽車地方車身支架、汽車車門預成型件和液壓成型管附件。
3、船舶工業(yè)中的應用：高效焊接技術(shù)在船舶制造中占有重要的地位，是一項技術(shù)性、專業(yè)性很強的系統(tǒng)工程，尤其是CO2氣體保護半自動焊接技術(shù)應用率達到60%-65%，成為我國現(xiàn)代造船模式中的關鍵技術(shù)之一。先進的造船高效焊接技術(shù)，在提高船舶的建造效率、降低船舶建造成本、縮短造船周期，提高船舶建造質(zhì)量，推動船舶建造焊接機械化、自動化發(fā)展上的作用是不可小視的，也是企業(yè)提高經(jīng)濟效益的有效途徑。
4、核電建造中的應用：焊接技術(shù)作為一種關鍵的特殊工藝，在中國核電建造中產(chǎn)生非常重要的作用，核電作為一種“高風險”的清潔領域，對焊接質(zhì)量的要求非常嚴格。對于組成核電站的每條焊縫都要求100%的合格，并對每條焊縫實行可追朔性管理，對焊接技術(shù)的要求非常高，它直接關系著核電站核安全的狀態(tài)。因此，不斷提高我國焊接技術(shù)，可以有效推進核能行業(yè)的發(fā)展，確保核電站運行的安全可控，同時也為實現(xiàn)核電領域十二五規(guī)劃的完成奠定基礎。
三、我國焊接技術(shù)的發(fā)展前景
為了積極促進我國焊接技術(shù)的發(fā)展，使其滿足我國市場發(fā)展的需求，通過分析我國焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，能夠推斷出我國焊接技術(shù)主要會從以下幾個發(fā)展方向進行。
1、磁控焊接技術(shù)
磁控焊接技術(shù)屬于新興的焊接技術(shù)。它主要是通過磁場來實現(xiàn)焊接。它的投入成本非常低、裝置也比較簡單、耗能非常少、效益比較好。通過常年對磁控焊接技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)了磁控對電弧焊電弧狀態(tài)的影響。外加磁場對焊接母材的熔化與焊縫的成形有非常大的影響。利用電磁攪拌技術(shù)能夠改變金屬結(jié)晶過程中的熱量傳遞過程，進而使結(jié)晶方向發(fā)生變化。通過組織的細化作用，能夠使焊縫的一些力學特點提升的更加明顯。除此之外還能降低焊接過程中缺陷的敏感性。鑒于磁控焊接技術(shù)的優(yōu)點，這必定是其中的發(fā)展方向之一。
2、低溫焊接技術(shù)
由于我國地理環(huán)境的特殊位置，冬季寒冷時節(jié)持續(xù)時間相對較長，這就考驗著低溫環(huán)境下焊接技術(shù)的性能。近些年來，各個相關學術(shù)組織都在積極的解決應對冬季低溫焊接的問題以及施工的臨界溫度的取值問題。
例如，我國在冬季完成了“鳥巢”萬噸級以上的剛結(jié)構(gòu)件的焊接工作。冬季進行焊接作業(yè)時影響焊接的因素主要有操作員的工藝水平、焊機的效率、材料的性能、焊法的熟練程度以及環(huán)境的作用。僅僅考慮這些因素中的某一項或某兩項是不全面的，是無法做出正確評價的。綜合考慮這些因素的影響“，鳥巢”在低溫作業(yè)環(huán)境下取得了顯著成果，并以此確定了低溫焊接的臨界溫度為150°C。低溫焊接能夠縮短工期，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。由“鳥巢”焊接任務中獲得的低溫焊接經(jīng)驗技術(shù)必將應用于實踐。
3、電子焊接技術(shù)將被激光焊接取代
激光束經(jīng)過聚焦后，激光焦點處的能量密度高達10-100W/cm并且加熱的范圍甚至小于1mm。如果將此技術(shù)應用于焊接方面，那將會給焊接工業(yè)帶來巨大的變革。一方面可以提高焊接的速度，另一方面還可以減小接頭處的變形以及減小應力集中。激光焊接術(shù)達到的焊接精度比較高，是比較理想的焊接技術(shù)。激光焊接的一個顯著特點是可以進行長距離的焊接，因為激光具有直線傳播的特點。除此之外與電子束相比較而言，激光束的優(yōu)勢顯而易見。第一，激光焊接不需要真空環(huán)境，節(jié)約了設備上的成本投入；第二，激光束不會產(chǎn)生X射線，對人體不會造成傷害，不需要專門的防護用具；第三，激光焊接的生產(chǎn)效率比較高。因此，激光束在不久的將來應該會取代電子束成為焊接主流技術(shù)。
結(jié)束語
我國焊接技術(shù)水平同國外發(fā)達國家相比差距仍然比較巨大。這就要求我國焊接技術(shù)人員積極探索、總結(jié)經(jīng)驗，積極加強焊接技術(shù)的學習與創(chuàng)新。一方面要提高焊接的質(zhì)量，另一方面更要加強焊接自動化水平技術(shù)的提高。只有這樣我國的焊接技術(shù)才能領超世界強國，排于前列。在新時期我們要坦然面對我們自身的不足，尋找自身的發(fā)展特點和方向。我們要積極沿著磁控焊接、高溫焊接等先進焊接工藝的目標發(fā)展。爭取焊接技術(shù)的更大進步，為我國的現(xiàn)代化建設貢獻力量。
參考文獻
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【關鍵詞】：航空，難加工材料，加工技術(shù)，探析
【引言】：航空航天事業(yè)一直是各個大國搶占的制高點，也是促進和帶動全球經(jīng)濟技術(shù)進步的關鍵。近年來，隨著各國在航空航天領域的擴展和實施，航空產(chǎn)品的技術(shù)水平和標準不斷升級優(yōu)化，尤其是對各種難加工材料的使用，例如，對金屬切削刀具和技術(shù)提出了更高的要。難加工材料在很多領域都有非常廣泛的應用，由于機械零部件設計在負重減小和體積緊湊上有較高要求，使得很多零部件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)形狀復雜、結(jié)構(gòu)怪異、型面多樣的情況，導致很多高科技新型難加工材料不斷涌現(xiàn)，雖然符合機械零部件的高強度、高剛性和高密度以及體積小、重量輕的設計要求，但是給后期的機械制造的可加工性和產(chǎn)品性能帶來很大的影響。為了應對這種情況的出現(xiàn)，各國技術(shù)研究部門都在探究如何讓難加工材料的加工技術(shù)得到改進和優(yōu)化，滿足高精尖行業(yè)的需求，尤其是在迫切需要此類材料的航空航天業(yè)中。
1.航空難加工材料及加工技術(shù)關鍵
航空難加工材料包含鈦合金、高溫合金、復合材料和超高強度鋼等，在航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中幾乎沒有普通的工程材料，都是超高強度和高性能的高精尖材料，因此也都是比較難加工的材料。在航空難加工材料中，加工過程中最容易出現(xiàn)的問題為刀具磨損，它直接導致加工成本增加和加工效率降低，另外，加工質(zhì)量也是目前遇到的較大困難和挑戰(zhàn)，影響到產(chǎn)品的使用性能和安全系數(shù)。
2.航空難加工材料的具體加工技術(shù)分析
2.1鈦合金及其加工技術(shù)
鈦合金的導熱系數(shù)較低，它的切削溫度能夠超出切削45號鋼的時候大約數(shù)百度以上，而且鈦合金的彈性模量比較低，加工的時候容易出現(xiàn)變形，導致加工表面出現(xiàn)回彈。另外，鈦合金切削和前刀面的接觸長度比較短，它的化學活性大，能夠和刀具產(chǎn)生較大的親和力，和大氣中的多種元素產(chǎn)生化學反應，從而形成硬且脆的外皮。
鈦合金材料的加工刀具材料選擇及加工條件選擇：如果是低速加工，則可采用高釩高速鋼和高鈷高速鋼；如果是中速加工，則要注意在加工細晶粒硬質(zhì)合金時，粘結(jié)磨損較嚴重，就不宜使用含鈦的刀具，可以使用三氧化二鋁的涂層刀具；如果是高速加工，可以選用涂層硬質(zhì)合金刀具、含鈦涂層硬質(zhì)合金刀具和基體含鈦硬質(zhì)合金刀具。
加工刀具要確保后角較大，最少要大于15°，并且保證前角不能夠過大，從而保證前?后角平衡，確保刃口強度的穩(wěn)定性。在刀具的考慮上，最好選用大螺旋角銑刀。切削液的選擇，應該選用含極壓添加劑的油基切削液，但是，其中不可以含氯；采用高壓噴射冷卻液能夠使刀具耐用度得到成倍的提高，從而提升加工的質(zhì)量。
2.2高溫合金及其加工技術(shù)
高溫合金的切削加工特點包含以下幾個方面：導熱系數(shù)非常低，小于45號鋼的1/3；高溫下強度比較高，在600-900℃下能夠保持中碳鋼的室溫強度；高溫合金中含有大量的組織較為致密的固溶體，導致切削時容易出現(xiàn)晶格扭曲，并且扭曲很嚴重，也容易導致冷卻嚴重的現(xiàn)象；高溫合金中含有大量的金屬碳化物、氧化物、硼化物和金屬間化物這些硬質(zhì)點。在加工時，高溫合金材料的切削力是切削一般鋼材的2至3倍，它的切削功耗較大，產(chǎn)生了大量的切削熱量，導致切削溫度非常高。
高溫合金材料的刀具材料及其使用條件如下：拉刀和絲錐等材料的條件為：鈷高速鋼，速度是10m/min；超細晶粒硬質(zhì)合金或者涂層硬質(zhì)合金刀具，使用速度為30-70m/min，此時硬度提升而速度降低；如果是陶瓷材質(zhì)刀具，如Sialon陶瓷、Si3N4陶瓷，則使用速度要大于200m/min，因為低速條件下刀具磨損會比較嚴重，所以速度要有較高的標準，且陶瓷刀具主要用在半精加工過程中。
高溫合金的加工刀具加工時的技術(shù)參數(shù)為：車刀前角小于10°，后角保持在15°左右；銑刀的前角保持在10°左右、后角15°左右，螺旋角在30-45°范圍內(nèi)；陶瓷刀具或者CBN刀具要使用負前角。高溫合金材料的切削液使用條件為：如果是高速鋼刀具則使用水基切削液，并以冷卻方式為主，從而避免刀具熱塑變形的出現(xiàn)；如果是硬質(zhì)合金刀具加工，那么最好使用極化切削油，可以達到抑制粘結(jié)和擴散磨損的效果；如果是陶瓷或者CBN刀具加工，那么切削液的使用最好嚴格而謹慎，可先通過工件熱軟化處理，讓材料更容易切削，然后要注意刀具的韌性，避免熱疲勞以及激冷裂紋的出現(xiàn)。
2.3高強度鋼的切削加工特點和加工技術(shù)
高強度鋼的切削加工特點包含以下特點：切削力度大，因為高強度鋼的強度非常高，能達到1960MPa，并具有一定的韌性和硬度，有非常好的綜合機械性能，所以高強度鋼的切削力較大。例如，在同等條件下，它的切削力可比45號鋼的單位切削力高出1.17-1.49倍；切削溫度較高，高強度鋼材料的導熱系數(shù)很低，只是45號鋼的60%，因為它的切削功耗比較大，切削溫度也就比45號鋼高出100℃，使得加工刀具的磨p速度比較快；斷削較為困難，高強度鋼的韌性和可塑性非常好，因此，切削時不容易折斷，導致在切削時經(jīng)常纏繞在刀具和工件上，影響了切削的進度和效果。
那么，對高強度鋼的加工刀具選擇上，要遵守以下幾點原則：如果是高速鋼刀具，則可以選用Al高速鋼、涂層高速鋼、粉末冶金高速鋼或者Co高速鋼刀具；如果是硬質(zhì)合金刀具，則可以選用添加了鈮、稀土元素的P類合金或者P類涂層合金、TiC基、Ti（C、N）基合金材料刀具；如果選用CBN刀具，那么要選用低含量且高強度的材質(zhì)。
加工刀具的基本參數(shù)要遵循以下幾點要求：刀具刃部強度要比較高，如果是硬質(zhì)合金刀，其前角要在-2°至-4°范圍內(nèi)；如果是陶瓷刀具或者CBN刀具，則前角要在10°左右；刀尖的圓弧半徑在精加工的時候在0.5-0.8mm范圍內(nèi)，在粗加工時在1-2mm范圍內(nèi)。
高強度鋼的切削用量技術(shù)要求為：切削速度保持在45號鋼加工的30%左右，鋼強度高則速度要低；高速鋼加工速度小于10m/min、硬質(zhì)合金加工速度30-80m/min、陶瓷和CBN加工速度為高于100-150m/min。高強度鋼的斷屑技術(shù)注意選擇合適的斷屑臺和斷屑槽，并根據(jù)斷屑的目標設定而進行且削用量的優(yōu)化，可采用振動斷屑這些強制斷屑技術(shù)來提高斷屑質(zhì)量和技術(shù)水平。
結(jié)語
航空難加工材料是航空產(chǎn)品加工和生產(chǎn)中較為關鍵的核心的技術(shù)攻堅方向，對加工工藝、加工方法及加工刀具的技術(shù)提升和優(yōu)化是重點。難加工材料的切削刀具和加工技術(shù)，在刀片基體、幾何角度、涂層技術(shù)以及難加工材料的加工方法上都應該不斷突破和創(chuàng)新，根據(jù)不同難加工材料性能選擇不同的刀具和加工條件及參數(shù)，提高航空產(chǎn)品的性能，確保航空事業(yè)的發(fā)展。
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復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。由于復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。
隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進步，生產(chǎn)廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強復合材料的價格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強復合材料的強度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強復合材料相繼問世，使高分子復合材料家族更加完備，已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。目前全世界復合材料的年產(chǎn)量已達550多萬噸，年產(chǎn)值達1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價值產(chǎn)品計入，其產(chǎn)值將更為驚人。從全球范圍看，世界復合材料的生產(chǎn)主要集中在歐美和東亞地區(qū)。近幾年歐美復合材料產(chǎn)需均持續(xù)增長，而亞洲的日本則因經(jīng)濟不景氣，發(fā)展較為緩慢，但中國尤其是中國內(nèi)地的市場發(fā)展迅速。據(jù)世界主要復合材料生產(chǎn)商PPG公司統(tǒng)計，2000年歐洲的復合材料全球占有率約為32%，年產(chǎn)量約200萬噸。與此同時，美國復合材料在20世紀90年代年均增長率約為美國GDP增長率的2倍，達到4%~6%。2000年，美國復合材料的年產(chǎn)量達170萬噸左右。特別是汽車用復合材料的迅速增加使得美國汽車在全球市場上重新崛起。亞洲近幾年復合材料的發(fā)展情況與政治經(jīng)濟的整體變化密切相關，各國的占有率變化很大?？傮w而言，亞洲的復合材料仍將繼續(xù)增長，2000年的總產(chǎn)量約為145萬噸，預計2005年總產(chǎn)量將達180萬噸。
從應用上看，復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設，如衛(wèi)浴設備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業(yè)是復合材料最大的用戶，今后發(fā)展?jié)摿θ允志薮螅壳斑€有許多新技術(shù)正在開發(fā)中。例如，為降低發(fā)動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動機向高速、增壓、高負荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動機活塞、連桿、軸瓦已開始應用金屬基復合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復合材料將被應用到汽車制造業(yè)中。與此同時，隨著近年來人們對環(huán)保問題的日益重視，高分子復合材料取代木材方面的應用也得到了進一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產(chǎn)品；而可降解復合材料也成為國內(nèi)外開發(fā)研究的重點。
另外，納米技術(shù)逐漸引起人們的關注，納米復合材料的研究開發(fā)也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結(jié)晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時，大大提高了材料的綜合性能。
樹脂基復合材料的增強材料
樹脂基復合材料采用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。
1、玻璃纖維
目前用于高性能復合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強度玻璃纖維性價比較高，因此增長率也比較快，年增長率達到10%以上。高強度玻璃纖維復合材料不僅應用在軍用方面，近年來民用產(chǎn)品也有廣泛應用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報道的性能優(yōu)異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強酚醛樹脂可制成各種結(jié)構(gòu)的耐高溫、耐燒蝕的復合材料部件，大量應用于火箭、導彈的防熱材料。迄今為止，我國已經(jīng)實用化的高性能樹脂基復合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強度玻璃纖維三大增強纖維中，只有高強度玻璃纖維已達到國際先進水平，且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)階段年產(chǎn)可達500噸。
2、碳纖維
碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列性能，首先在航空航天領域得到廣泛應用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛采用。據(jù)預測，土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領域?qū)笠?guī)模采用工業(yè)級碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長率估計為31%，而工業(yè)用碳纖維的年增長率估計會達到130%。我國的碳纖維總體水平還比較低，相當于國外七十年代中、末期水平，與國外差距達20年左右。國產(chǎn)碳纖維的主要問題是性能不太穩(wěn)定且離散系數(shù)大、無高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格不全、連續(xù)長度不夠、未經(jīng)表面處理、價格偏高等。
3、芳綸纖維
20世紀80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯(lián)也先后開展了芳綸纖維的研制開發(fā)工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場，年增長速度也達到20%左右。芳綸纖維比強度、比模量較高，因此被廣泛應用于航空航天領域的高性能復合材料零部件（如火箭發(fā)動機殼體、飛機發(fā)動機艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運輸帶、體育運動器材等。
4、超高分子量聚乙烯纖維
超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居第一，尤其是它的抗化學試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來制造艦艇的高頻聲納導流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領域，在汽車制造、船舶制造、醫(yī)療器械、體育運動器材等領域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應用前景。該纖維一經(jīng)問世就引起了世界發(fā)達國家的極大興趣和重視。
5、熱固性樹脂基復合材料
熱固性樹脂基復合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強材料制成的復合材料。環(huán)氧樹脂的特點是具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機械強度，廣泛應用于化工、輕工、機械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個領域。1993年世界環(huán)氧樹脂生產(chǎn)能力為130萬噸，1996年遞增到143萬噸，1997年為148萬噸，1999年150萬噸，2003年達到180萬噸左右。我國從1975年開始研究環(huán)氧樹脂，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)約有170多家，總生產(chǎn)能力為50多萬噸，設備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機械強度高、電絕緣性優(yōu)異、低發(fā)煙性和耐酸性優(yōu)異等特點，因而在復合材料產(chǎn)業(yè)的各個領域得到廣泛的應用。1997年全球酚醛樹脂的產(chǎn)量為300萬噸，其中美國為164萬噸。我國的產(chǎn)量為18萬噸，進口4萬噸。乙烯基酯樹脂是20世紀60年展起來的一類新型熱固性樹脂，其特點是耐腐蝕性好，耐溶劑性好，機械強度高，延伸率大，與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結(jié)性能好，耐疲勞性能好，電性能佳，耐熱老化，固化收縮率低，可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹脂有限公司引進荷蘭Atlac系列強耐腐蝕性乙烯基酯樹脂，已廣泛用于貯罐、容器、管道等，有的品種還能用于防水和熱壓成型。南京聚隆復合材料有限公司、上海新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠家也生產(chǎn)乙烯基酯樹脂。
1971年以前我國的熱固性樹脂基復合材料工業(yè)主要是軍工產(chǎn)品，70年代后開始轉(zhuǎn)向民用。從1987年起，各地大量引進國外先進技術(shù)如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產(chǎn)線及各種牌號的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環(huán)氧樹脂（日、德）生產(chǎn)技術(shù)；在成型工藝方面，引進了纏繞管、罐生產(chǎn)線、拉擠工藝生產(chǎn)線、SMC生產(chǎn)線、連續(xù)制板機組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機、噴射成型技術(shù)、樹脂注射成型技術(shù)及漁竿生產(chǎn)線等，形成了從研究、設計、生產(chǎn)及原材料配套的完整的工業(yè)體系，截止2000年底，我國熱固性樹脂基復合材料生產(chǎn)企業(yè)達3000多家，已有51家通過ISO9000質(zhì)量體系認證，產(chǎn)品品種3000多種，總產(chǎn)量達73萬噸/年，居世界第二位。產(chǎn)品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運輸、造船等工業(yè)領域。在建筑方面，有內(nèi)外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調(diào)罩、風機、玻璃鋼水箱、衛(wèi)生潔具、凈化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及貯罐；在交通運輸方面，汽車上主要有車身、引擎蓋、保險杠等配件，火車上有車廂板、門窗、座椅等，船艇方面主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等；在機械及電器領域如屋頂風機、軸流風機、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產(chǎn)品都具有相當?shù)囊?guī)模；在航空航天及軍事領域，輕型飛機、尾翼、衛(wèi)星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破。
熱塑性樹脂基復合材料
熱塑性樹脂基復合材料是20世紀80年展起來的，主要有長纖維增強粒料(LFP)、連續(xù)纖維增強預浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性復合材料(GMT)。根據(jù)使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著熱塑性樹脂基復合材料技術(shù)的不斷成熟以及可回收利用的優(yōu)勢，該品種的復合材料發(fā)展較快，歐美發(fā)達國家熱塑性樹脂基復合材料已經(jīng)占到樹脂基復合材料總量的30%以上。
高性能熱塑性樹脂基復合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產(chǎn)品有管件（彎頭、三通、法蘭）、閥門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成型管道、GMT模壓制品（如吉普車座椅支架）、汽車踏板、座椅等。玻璃纖維增強聚丙烯在汽車中的應用包括通風和供暖系統(tǒng)、空氣過濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動皮帶保護罩等。
滑石粉填充的PP具有高剛性、高強度、極好的耐熱老化性能及耐寒性。滑石粉增強PP在車內(nèi)裝飾方面有著重要的應用，如用作通風系統(tǒng)零部件，儀表盤和自動剎車控制杠等，例如美國HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。
云母復合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩(wěn)定以及低密度、低價格等特點，利用云母/聚丙烯復合材料可制作汽車儀表盤、前燈保護圈、擋板罩、車門護欄、電機風扇、百葉窗等部件，利用該材料的阻尼性可制作音響零件，利用其屏蔽性可制作蓄電池箱等。
我國的熱塑性樹脂基復合材料的研究開始于20世紀80年代末期，近十年來取得了快速發(fā)展，2000年產(chǎn)量達到12萬噸，約占樹脂基復合材料總產(chǎn)量的17%，，所用的基體材料仍以PP、PA為主，增強材料以玻璃纖維為主，少量為碳纖維，在熱塑性復合材料方面未能有重大突破，與發(fā)達國家尚有差距。
我國復合材料的發(fā)展?jié)摿蜔狳c
我國復合材料發(fā)展?jié)摿艽?，但須處理好以下熱點問題。
1、復合材料創(chuàng)新
復合材料創(chuàng)新包括復合材料的技術(shù)發(fā)展、復合材料的工藝發(fā)展、復合材料的產(chǎn)品發(fā)展和復合材料的應用，具體要抓住樹脂基體發(fā)展創(chuàng)新、增強材料發(fā)展創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝發(fā)展創(chuàng)新和產(chǎn)品應用發(fā)展創(chuàng)新。到2007年，亞洲占世界復合材料總銷售量的比例將從18%增加到25%，目前亞洲人均消費量僅為0.29kg，而美國為6.8kg，亞洲地區(qū)具有極大的增長潛力。
2、聚丙烯腈基纖維發(fā)展
我國碳纖維工業(yè)發(fā)展緩慢，從CF發(fā)展回顧、特點、國內(nèi)碳纖維發(fā)展過程、中國PAN基CF市場概況、特點、“十五”科技攻關情況看，發(fā)展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。
3、玻璃纖維結(jié)構(gòu)調(diào)整
我國玻璃纖維70%以上用于增強基材，在國際市場上具有成本優(yōu)勢，但在品種規(guī)格和質(zhì)量上與先進國家尚有差距，必須改進和發(fā)展紗類、機織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復合氈，推進玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，促進玻璃纖維增強材料的新發(fā)展。
4、開發(fā)能源、交通用復合材料市場
一是清潔、可再生能源用復合材料，包括風力發(fā)電用復合材料、煙氣脫硫裝置用復合材料、輸變電設備用復合材料和天然氣、氫氣高壓容器；二是汽車、城市軌道交通用復合材料，包括汽車車身、構(gòu)架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客機用復合材料，主要為碳纖維復合材料。熱塑性復合材料約占10%，主要產(chǎn)品為機翼部件、垂直尾翼、機頭罩等。我國未來20年間需新增支線飛機661架，將形成民航客機的大產(chǎn)業(yè)，復合材料可建成新產(chǎn)業(yè)與之相配套；四是船艇用復合材料，主要為游艇和漁船，游艇作為高級娛樂耐用消費品在歐美有很大市場，由于我國魚類資源的減少、漁船雖發(fā)展緩慢，但復合材料特有的優(yōu)點仍有發(fā)展的空間。
5、纖維復合材料基礎設施應用
國內(nèi)外復合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎應用廣泛，與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)點，特別是在橋梁上和在房屋補強、隧道工程以及大型儲倉修補和加固中市場廣闊。
6、復合材料綜合處理與再生
關鍵詞：鎂合金；應用
鎂合金作為一種新型的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強度和比剛度高，阻尼、抗震性能好，電子屏蔽能力強，易加工等一系列優(yōu)點，成為減重節(jié)能和保護環(huán)境的首選材料，被譽為新世紀的"綠色工程材料"，在航空航天、交通運載和武器裝備的輕量化等方面顯示出廣泛的應用前景，中國是鎂合金儲存量、生產(chǎn)及出國的大國，這使得我國對鎂合金新材料、新工藝的研發(fā)及應用的推廣尤其迫切?；诖耍疚慕榻B了鎂合金在各個領域的應用。
1 鎂合金的特點
鎂合金具有一系列的優(yōu)異性能：密度小、比強度、比剛度高；減震、吸震性能好；熱傳導性好、成型零件尺寸穩(wěn)定、易于切削加工；回收再利用率高，同時還是上等的儲氫材料。
2 鎂合金的應用
（一）鎂合金在航天航空的應用
航天航空工業(yè)作為一個高科技領域，而該領域中所工作的航天航空產(chǎn)品對其使用的材料提出了4點非?？量痰男阅芤螅好芏刃 偠却?、減震能力強和熱導率高。
鎂合金自身一系列優(yōu)點使得其在航天航空領域中得到巨大的發(fā)展空間。世界各國將不斷的開發(fā)研究鎂合金在航天航空中的應用。法國的塞德航空公司直升飛機的齒輪箱鑄件是由Mg-Zn-Re-Zr鎂合金鑄成，在鎂合金中加少量Ag，使時效強化的稀土鎂合金的拉伸性能得到顯著提高，如民航機的著落機輪和直升飛機旋轉(zhuǎn)機翼附件等。美國已經(jīng)在戰(zhàn)斗機上應用了鎂合金，穩(wěn)定的提升了戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)性能。美國還最早將鎂合金板材應用于火箭、螺旋槳、導彈尾翼等航天航空重要部位，這些由鎂合金制造的部件的綜合性能最終替代了傳統(tǒng)使用鋁合金構(gòu)造件，且整體性能得到顯著提升。我國近年來也將鎂合金構(gòu)件應用于戰(zhàn)斗機、直升飛機、軍用運輸機、民航機、人造衛(wèi)星、運載火箭等。變形鎂合金比鑄造鎂合金具有更高的強度和延伸性能，比傳統(tǒng)的變形鋁合金更輕，因此在已在導彈、軍用雷達、衛(wèi)星和航天飛機上大量利用了各種牌號的變形鎂合金。
（二）鎂合金在汽車工業(yè)的應用
二十世紀以來，全球的能源危機和社會環(huán)境污染日趨嚴重，汽車工業(yè)作為國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)之一同樣面臨著節(jié)能減排的挑戰(zhàn)，節(jié)能減排已成為當務之急。汽車的整體重量對其能源消耗有著至關重要的作用，汽車的自身重量與燃料的使用成正比，汽車重量的減輕就能夠減少燃料的燃燒及減低廢氣的排放量，最終實現(xiàn)節(jié)能減排的效果。因此鎂合金將作為汽車產(chǎn)業(yè)的首選新材料。目前鎂合金在汽車上的應用零部件主要歸納為2類。（1）殼體類。如門框、座椅架、發(fā)動機機罩、車頂板曲軸箱、變速箱體、離合器殼體、儀表板、氣缸蓋等。（2）支架類。如方向盤、座椅框架、轉(zhuǎn)向支架、剎車支架、分配支架等。鎂合金在汽車上應用潛力最大的是整體部件，例如發(fā)動機機罩、后備行李箱蓋、車頂板、車體加強板、儀表盤、保險杠、內(nèi)側(cè)車門框架和后部車廂隔板，甚至是油底盤、發(fā)動機氣缸體和氣缸蓋等。其中有許多鎂合金汽車部件已經(jīng)在開發(fā)甚至開始應用。
20世紀20年代，日本就已經(jīng)開始將鎂合金應用于汽車產(chǎn)業(yè)。1930年，德國Alder公司開始將73.8kg鎂合金應用于汽車零部件，1936年德國大眾在"甲殼蟲"汽車上的傳動箱和曲軸箱已完全用鎂合金取代傳統(tǒng)材料。圖1.1為鎂合金在汽車各部件的應用。二十世紀八十年代后，鎂合金產(chǎn)量的增加和價格的下跌，壓鑄鎂合金工藝的完善，鑄件鎂合金在汽車產(chǎn)業(yè)的應用進入成熟階段。
（三）鎂合金在3C電子產(chǎn)品中的應用
3C電子產(chǎn)品是現(xiàn)今全球發(fā)展和更新最快的產(chǎn)業(yè)，數(shù)字化技術(shù)的掌握使得各類不同功能的大、小數(shù)字化產(chǎn)品的涌現(xiàn)，改變了人們的生活。傳統(tǒng)的3C電子產(chǎn)品器材所用的材料是以工程塑料和鋁材為主，由于這兩種材料自身物理性能的局限性，使得傳統(tǒng)材料難以滿足人們對器材產(chǎn)品輕、巧和環(huán)保等的要求。
鎂合金產(chǎn)品最早出現(xiàn)于日本電子產(chǎn)品中，1998年日本電子器材公司最先成功的將鎂合金應用于各式各樣的可攜式電子商品。日本將鎂合金應用于筆記本電腦的外殼，使得尺寸精確、外觀顯得薄而巧，同時其剛度及散熱性能得到極大的提高；同時還將鎂合金應用于移動手機外殼，在通話過程中增加了散熱和減少了電磁波的散失和電磁波對人體的輻射，從而提高了通話質(zhì)量，得到廣大消費群眾所滿意及認可。近年來，國內(nèi)外在3C產(chǎn)品中鎂合金的使用持續(xù)增長，從原先筆記本電腦和手機外殼迅速擴張至數(shù)碼相機，投影儀等3C產(chǎn)品。
參考文獻：
[1]劉正，張奎，曾小勤. 鎂基輕質(zhì)合金理論基礎及其應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.
關鍵詞:陶瓷材料;軸承制造;發(fā)展趨勢
1引 言
滾動軸承是現(xiàn)代機械中的重要部件,它主要用于支承軸及軸上的零件,對整臺機器的精度、效率和使用壽命有直接的影響(圖1)。滾動軸承較之滑動軸承具有摩擦系數(shù)小、消耗功率少、效率高的優(yōu)點。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,世界上約有1/3的能源消耗在不同形式的摩擦上,其中軸承約占1/10左右。工作母機向高精度、長壽命和高速自動化方向發(fā)展,對機械工業(yè)基礎件的要求愈來愈苛刻,生產(chǎn)實踐證明,傳統(tǒng)軸承單靠改善軸承的結(jié)構(gòu)或條件,已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代科學技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的要求。
世界上第一套陶瓷軸承是由美國航空航天局(NASA)1972年研制成功的。經(jīng)過30多年的研究和發(fā)展,產(chǎn)品從極端保密到公開銷售,取得了引人矚目的成就。國外已成功開發(fā)出在高溫條件下采用固體劑的陶瓷滾動軸承,也有利用液體或油脂的特種鋼與陶瓷組合而成的滾動軸承或全陶瓷滾動軸承。
2氮化硅陶瓷的物理性能
近幾年來,隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展,軸承的使用環(huán)境和條件越來越多樣化,對軸承的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和性能的要求也越來越高,一些高科技領域和某些特殊環(huán)境下工作的機械,如在航空航天、核能、冶金、化工、石油等工業(yè),需要在高溫、高速、高精度、真空、無磁性、無油、強酸、強堿等特殊環(huán)境下工作。這些新的要求僅僅依靠對傳統(tǒng)的金屬軸承改進結(jié)構(gòu)或改善條件已經(jīng)遠遠不能滿足,必須開發(fā)新型材料,從根本上進行突破和創(chuàng)新。
采用陶瓷材料制造軸承,是對傳統(tǒng)軸承的一次革命。由于陶瓷材料具有優(yōu)異的性能,可以承受金屬材料和高分子材料難以勝任的嚴酷的工作環(huán)境,并且又具有軸承材料所要求的全部重要特性,因此將陶瓷材料應用于軸承制造,已成為世界高新技術(shù)開發(fā)與應用的熱點,成為機械材料技術(shù)革命的標志。
用于制造陶瓷滾動軸承的材料,主要采用Si3N4陶瓷。Si3N4的密度是軸承鋼的4O%,硬度是軸承鋼硬度的2～3倍,高硬度提高了其抗磨損、抗黏結(jié)、抗剝蝕損壞能力;Si3N4的熱膨脹系數(shù)大約為軸承鋼的1/4,低的熱膨脹系數(shù)可以使軸承在高溫工作條件下變形減小;Si3N4陶瓷的高溫性使其更適合于高溫工礦,在能使軸承鋼喪失原有硬度和強度的溫度下,Si3N4陶瓷的硬度和強度依然不會降低,高溫強度好。此外,Si3N4陶瓷在極高溫度下具有良好的尺寸穩(wěn)定性,而軸承鋼只有在進行特殊熱處理后才能保證其高溫下的尺寸穩(wěn)定性。Si3N4陶瓷的耐腐蝕性能強,適用于在水、酸和堿介質(zhì)的應用領域,因而比塑料、玻璃或不銹鋼滾動體組成的軸承應用范圍廣。因此,從以上性能分析可知,Si3N4陶瓷的綜合性能優(yōu)良,是制作軸承的理想材料。
3氮化硅陶瓷軸承的優(yōu)點
氮化硅陶瓷軸承(見圖2)主要用于四個方面:高速軸承、高溫軸承、真空用軸承、腐蝕用軸承。氮化硅陶瓷軸承具有以下優(yōu)點。
(1) 高速。陶瓷材料的重量僅為同等鋼材重量的40%,密度小這一特點,可實現(xiàn)軸承的輕量化和高速化,使得陶瓷軸承在高速旋轉(zhuǎn)時,能夠抑制因離心力作用引起的滾動體載荷的增加和打滑,陶瓷軸承的轉(zhuǎn)速是鋼制軸承的1.3～1.5倍,其DN值可達300萬。例如角接觸球軸承,由于具有一定的接觸角,其滾動體與滾道面之間會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)滑動,當采用密度小的陶瓷滾動體時,不僅旋轉(zhuǎn)滑動小,而且對軸承發(fā)熱和表面損傷均起到有益的作用,對于航空航天飛行器也是非常有益的。
(2) 高剛性。氮化硅陶瓷的彈性模量比金屬高得多,是金屬的1.5倍,因而受力后的彈性變形小,相對載荷的剛性高,大約可提高剛度1.5%～20%,從而減輕了機床的振動。在高精密系統(tǒng)中獲得了良好的應用,如超精密機床的主軸、高精度的航天軸承等。
(3) 耐磨性。由于陶瓷材料位錯少、遷移率低,且具有高硬度,一般較金屬的硬度要高1倍多,能夠減少磨損,使得陶瓷軸承具有良好的耐磨性。
(4) 機械強度高。氮化硅陶瓷的抗拉強度和抗彎強度與金屬相當;而抗壓強度極高,大約是金屬材料的5～7倍,尤其是在高溫條件下,仍能保持高的強度和硬度,即使在1200℃時強度也基本保持不變,在有異物混入的情況下,陶瓷球很少產(chǎn)生剝落失效。
(5) 低發(fā)熱。由于氮化硅陶瓷材料的摩擦系數(shù)較小,大約是標準軸承鋼的30%,所以與金屬材料相比,氮化硅陶瓷的導熱性能較差,因此陶瓷軸承工作時產(chǎn)生的熱量較小,可延長脂的壽命。
(6) 低熱膨脹。氮化硅陶瓷的熱膨脹系數(shù)大約是軸承鋼的20%,因此陶瓷軸承隨溫度變化的尺寸變化量小,且產(chǎn)生的熱預載較低,從而避免了過多的熱量聚集而引起疲勞剝落失效,有益于在溫度變化較大的環(huán)境中使用。
(7) 耐蝕性。陶瓷材料不活潑的化學特性,使陶瓷軸承具有一定的耐腐蝕性能,因此,陶瓷軸承可用于鋼制軸承由于缺乏耐化學性而提前失效的所有應用場合,如在化工機械設備、食品、海洋等部門使用的機械以及原子能設備中的應用。
(8) 無磁性。在強磁環(huán)境中,使用鋼制軸承時,從軸承本身磨損下來的微粉被吸附在滾動體和滾道面之間,成為軸承提前剝落損壞、噪聲增大的主要原因,由于陶瓷軸承是完全非磁性,且具有正常的承載能力,可用于需要完全非磁性軸承的場合。
(9) 絕緣性。陶瓷材料的電阻率比較高,可作為較好的絕緣材料,使軸承免遭電弧損傷。
4陶瓷軸承的類別
按滾動體的形狀分為陶瓷球軸承和陶瓷滾珠軸承兩個系列。按陶瓷材料在軸承零件上的應用情況,陶瓷滾動軸承可分為三類:第一類為滾動體用陶瓷材料制成,而內(nèi)外圈仍用軸承鋼制造;第二類為滾動體和內(nèi)圈用陶瓷材料,而外圈用軸承鋼;第三類為滾動體和內(nèi)外圈都用陶瓷材料制成。第一類和第二類叫做混合陶瓷軸承,第三類叫做全陶瓷軸承。
4.1 混合陶瓷軸承
混合陶瓷軸承最常見的形式是裝有氮化硅球的角接觸球軸承,這種軸承可以在既有徑向也有軸向負荷時有效地高速運轉(zhuǎn)。但是軸向負荷只能從一個方向施加,因此這些軸承通常成對安裝并施加預負荷以保證正確的接觸角。角接觸球軸承和深溝球軸承相比,一端開口較大,所以通常用加強型酚醛樹脂保持架。有的混合軸承產(chǎn)品在材料方面雖然只是把鋼球變成了氮化硅球,但是另一方面,溝道的幾何尺寸也作了改進以優(yōu)化軸承性能。
現(xiàn)代工業(yè)上應用的混合陶瓷軸承多為滾動體,即陶瓷球內(nèi)外圈為軸承鋼的結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。混合陶瓷軸承的破壞與鋼軸承相似,表現(xiàn)為鋼套圈的破壞和陶瓷滾動體的疲勞剝落。陶瓷滾動體的破壞原因為材料本身的缺陷,如密度不均勻、氣孔、雜質(zhì)以及加工表面形成的微裂紋等。當滾動體和套圈溝道之間的接觸應力相同時,混合陶瓷軸承可以達到甚至超過相同規(guī)格鋼軸承的壽命。在高速條件下,陶瓷球軸承則比鋼軸承的壽命長3～6倍。混合陶瓷軸承的轉(zhuǎn)速比高速鋼軸承轉(zhuǎn)速提高60%,軸承溫升降低35%～60%,剛度提高11%。另外,由于陶瓷與鋼分子親和力很小,摩擦系數(shù)小,而且有一定的自性能,運轉(zhuǎn)性能好,因此混合陶瓷軸承可有效防止因油膜破壞引起的燒黏。
由于球在高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生很大的離心力,離心力造成球與外圈滾道之間產(chǎn)生壓力,這種壓力有時甚至超過外載荷的作用,加重軸承的負荷。這種離心力與滾動體材料的密度成正比,而用于制造軸承滾動體的Si3N4陶瓷的密度只有鋼的40%,因而有利于實現(xiàn)高速。
4.2 全陶瓷軸承
所謂全陶瓷軸承,就是滾動體與內(nèi)外套圈均為陶瓷材料制造(如圖4所示),同鋼軸承相比,全陶瓷軸承更耐腐蝕、耐高溫、耐磨以及具有高剛度等性能。在航空航天工業(yè)中,陶瓷滾動軸承有極其優(yōu)良的高速性能。在高溫環(huán)境下,全陶瓷軸承能在800～1000℃條件下可靠工作;在腐蝕性介質(zhì)中,全陶瓷軸承更能顯示出其獨特的優(yōu)越性,化學工業(yè)用的各種耐酸泵、真空泵、離心泵和渦輪分子泵都應用了全陶瓷軸承。此外,電機工業(yè)和電力機車用全陶瓷軸承作絕緣軸承,航空航天飛行器采用全陶瓷軸承可減輕重量和提高飛行速度。
氮化硅全陶瓷軸承套圈及滾動體采用氮化硅陶瓷材料,保持器使用聚四氟乙烯作為標準配置,一般也可使用RPA66-25、PEEK、PI以及酚醛夾布膠木管等。陶瓷質(zhì)保持架具有耐磨損、高強度、耐腐蝕及自的優(yōu)點,采用陶瓷保持架的全陶瓷軸承可使用于高腐蝕、超高低溫及高真空等苛刻環(huán)境,其常用陶瓷材料為ZrO2和Si3N4,Si3N4制全陶瓷軸承相比ZrO2材料可適用于更高轉(zhuǎn)速及負荷能力,以及適用于更高的環(huán)境溫度,同時可提供用于高速高精度高剛性主軸的精密陶瓷軸承。
滿裝球型全陶瓷軸承一面帶添球缺口,因采用無保持架結(jié)構(gòu)設計,可以比標準結(jié)構(gòu)的軸承裝入更多的陶瓷球,從而提高其負荷能力,另外還可避免保持架材料的限制,可達到陶瓷保持架型全陶瓷軸承耐腐蝕及耐溫效果。該系列軸承不適宜較高轉(zhuǎn)速,安裝時應注意將缺口面裝于不承受軸向負荷的一端。
5陶瓷軸承的發(fā)展趨勢
陶瓷軸承的發(fā)展方興未艾,納米材料、復合材料的實用化為陶瓷軸承的發(fā)展帶來了更大的生機。據(jù)統(tǒng)計,按特種軸承占軸承市場需求總量的10%計算,國內(nèi)軸承的年需求總量約21億套,陶瓷軸承如能占到特種軸承市場份額的10%,每年尚需生產(chǎn)2100萬套;如果按投資1.5～2億元人民幣,建成年產(chǎn)量達到40萬套生產(chǎn)能力的陶瓷軸承廠來計算,尚需建成52個同等規(guī)模的陶瓷軸承廠,才能滿足國內(nèi)市場的需求量,由此可見,產(chǎn)品市場缺口很大,依照我國國內(nèi)目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀遠遠滿足不了市場需求,因而市場前景十分看好。
在實際應用中,陶瓷軸承的使用壽命是耐熱鋼軸承的5～10倍;而且同等規(guī)格的產(chǎn)品,價格明顯低于國外。據(jù)悉,以外徑32mm為例,美國的陶瓷球軸承售價為80美元,而國內(nèi)的陶瓷球軸承售價僅為110元人民幣(約12美元),在相同質(zhì)量的產(chǎn)品中具有很強的國際市場競爭力。
采用陶瓷材料制造軸承,可極大地擴展?jié)L動軸承在各個領域的應用范圍。目前世界各國研究、生產(chǎn)、銷售陶瓷軸承的公司很多,但大多為混合軸承,即軸承滾動體為陶瓷材料,內(nèi)外圈為鋼制材料。國外大型軸承企業(yè)的不斷涌入,將給我國軸承市場帶來更大的沖擊,因此,用新材料、新技術(shù)改造傳統(tǒng)軸承產(chǎn)業(yè),提高國內(nèi)軸承產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值,尤其是拉動陶瓷軸承的市場競爭和生存能力,已成為一個重要課題。
我國在陶瓷軸承研究方面起步較晚,國家于1985年開始將陶瓷球軸承研究與開發(fā)列入科技攻關項目,并投入了大量資金,一些科研院所和企業(yè)也做出了有益的探索,取得了可喜的成果,但目前仍處于試驗研究階段。影響陶瓷材料在球軸承中廣泛應用的主要原因,是其難加工性和過高的制造成本。陶瓷軸承的研究還需要在以下幾方面進一步探索:一是研究適應范圍更寬、條件更惡劣條件下陶瓷軸承的滾動接觸性能;二是研究陶瓷軸承相關部件的結(jié)構(gòu)配合設計,以及加工的可靠性和經(jīng)濟性;三是陶瓷軸承相關部件無損檢測方法和破壞預測的技術(shù);四是制定陶瓷軸承的檢驗標準等。相信陶瓷軸承進入實用化階段已為時不遠,其應用前景十分廣闊。
參考文獻
[1] 劉譯九.滾動軸承應用手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1996.
