用CFRP材料替代钢材

寂静回声

超高强度材料不仅在飞机和汽车制造中深受欢迎，在机械工程领域也备受青睐，因为这种材料不仅重量相对较轻，而且强度很高。不过，加工这些材料时往往会遇到一些挑战。尽管很多制造商已经开始选择采用轻质的纤维增强材料加工设备的结构件。但即便如此，加工超高强度材料依然面临诸多问题，德国弗劳恩霍夫协会制造技术研究所（以下简称：IPT）目前在亚琛进行的一项研究项目也证实了这一点，研究成果也将在2017年德国汉诺威机床展（EMO 2017）上展出。

IPT的研究人员通常采用整体的方法来优化设计。换句话说就是，他们把机器的设计看作是一个连贯的整体，机器中重要的驱动单元的开发也包括在内。目前，他们已经与德国马格德堡的一家机床制造商展开合作，共同研究由碳纤维增强塑料（CFRP）制成的创新机床部件在垂直运动（Z轴）方向上的性能表现，以及如何对其进行优化。

“我们从2013年就开始了针对CFRP导轨的开发，”总部位于德国马格德堡的MAP Werkzeugmaschinen GmbH公司（以下简称：MAP）分部经理ChristophTischmann 说道。“我们已经积累了大量线性轴和旋转轴方面的经验，比如用于铝合金等材料的加工。但是对于高强度材料如钛合金等，现有设备的功率无法达到要求。”因此，MAP公司决定开发一款高功率的机床，比如采用目前功率为55kW和72kW的主轴（在S1和S6模式下扭矩分别为210Nm和273Nm），不过这些主轴都太笨重了。“为了不牺牲机器的动态性能，我们尝试从重量方面打开突破口，看看有什么补偿办法，”ChristophTischmann解释道。“这就是为什么我们最后选择了CFRP材料。”他们采用了Z轴主轴额定功率为28kW-36kW的机床作为开发对象。

这样一来，机床的功率几乎提高了一倍。与此同时，采用CFRP材料与传统钢相比在重量方面降低了60%左右。“不过，我们并没有一个明确的减重目标，我们希望能够在重量和机械强度之间达到一个最佳的平衡，”IPT 研究员FilipposTzanetos说道。现在的问题是，从钢导轨改为塑料导轨，同时主轴的重量几乎是之前的两倍，这些变化会对整体设计带来多大的影响呢？针对这一点，IPT分析了整台机器对Z 导轨的热反应和动态反应。“我们对整台机器进行了全面的检查和检测，”ChristophTischmann说道。“根据结果做了几个方案，用于改进机器的设计。”


由于材料不能简单地一对一替换，因此需要对整个设计进行调整，来适应新的材料。有限元仿真分析在这种情况下体现了其实用价值。“在计算机上，我们仔细查看设计中最薄弱的地方，找到因果关系，”FilipposTzanetos解释道。“然后我们尝试用铝合金件或复合材料件来替代其中一些金属件，或者通过加固件或加强筋提高某些关键区域的动态性能。”

对设计工程师来说，CFRP是一种各向异性材料，因此很难对付。“各向异性”用来形容材料的特性或在作用力下发生的反应随着方向的变化而发生改变。这就是说，纤维增强型材料的机械强度或韧性取决于纤维的铺设方向。不过，CFRP部件在仿真软件中的性能表现与现实有所差异。FilipposTzanetos详细解释道：“我们按照DIN ISO 21748:2014-05标准中的不确定性传播原则对仿真的意义进行了评估。模型参数的不确定性对模型输出变量的不确定性有一定的影响。我们采用了蒙特卡洛仿真方法对此进行了计算。”

在其他类似的项目中，IPT通常寻求其他协会或分支机构的帮助，但是在该项目中，科学家们完全依靠内部的力量。“我们协会内有一个部门专门负责纤维增强复合材料和激光系统技术研究，”FilipposTzanetos指出。“在过去多年中，这个部门在机床用纤维增强复合材料零部件的尺寸标注方面积累了大量的经验，在针对纤维增强型零部件尺寸标注的仿真方面主动为我们提供了许多支持。”

鉴于纤维增强复合材料各向异性的特性，在工厂建设或机器制造中很少会用到这种材料，所以说，当遇到应用问题时，对应的支持也是必不可少的。“迄今为止，大家都还不太愿意采用纤维增强复合材料，因为相较于传统材料，这种材料还没有可参考的设计和尺寸标注标准，因此很难预测纤维增强复合材料部件与机器结构中其他部件一起使用时的动态性能会怎样。”FilipposTzanetos解释道。“比如说，当某个零部件只在一个轴的方向上依照其机械强度来做尺寸标注，而忽略在其他轴方向上的机械强度时，就会出现问题。但是如果我们用仿真工具来微调CFRP部件和机床自身动态性能之间的关系时，就不会出现任何问题。所以说，为了解决这个问题，我们在这个项目上充分利用了公司所有可以利用的资源。”


还有一个关键问题是CFRP材料与金属材料的连接。到目前为止，这两种材料通常采用胶粘剂进行粘结，FilipposTzanetos指出这种方式有四个缺点：

● CFRP的表面必须要通过机械的方式加工，这就导致了材料的不稳定性，降低了材料的性能；

● 机械强度相对较低（每个接头的强度只有10-40MPa）；

● 对环境条件的依赖高（比如温度、污染、碎屑、冷却剂等）；

● 粘结接头耐磨性较差。

所有这些缺点都可以通过激光焊接工艺解决。但是对FilipposTzanetos来说，连接并不是唯一的问题。“为了确保机器在定位以及可重复性方面的精确性——包括在高动态反应下的精确性，我们对直线导轨采用了手工铲花的方式，”ChristophTischmann说道，“如果换成CFRP材料，要想这么做就非常困难了。”

虽然挑战重重，但ChristophTischmann依然认为采用CFRP材料来替代钢还是值得的。在今年的EMO展上，MAP计划与IPT共用一个展位来展示这种材料的研发进展和加工工艺。ChristophTischmann解释道：“我们希望在项目结束后可以成功将一台高动态响应、高精度以及高性能的机器推向市场。尤其希望这台机器能够在航空业得到广泛应用。”