复合材料：性能优良却不易加工

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欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 无论是对于飞机的构造还是汽车行业，复合材料已成为不可或缺的重要部分。但另一方面，它们却难以加工。主要是因为在碳纤维增强塑料中纤维整齐地排列成矩阵， 有的材料则由多种材料层层复合而成，这些都对加工机床和工具提出了严苛的要求。而在2014 年9 月16 至20 日举办的斯图加特国际金属加工展览会（AMB）上，相关制造商们就这一难题带来了多种可能的解决方案。 复合材料行业前景光明。今年年中，德国复合材料同业协会， 包括德国复合塑料联合会（AVK），碳复合材料，CFK Valley Stade 以及德国机械设备制造业联合会复合材料技术论坛，四个专业组织汇聚一堂，首要进行的就是有关行业现状的调查。成员企业们认为，行业形势正如VDMA 论坛项目经理Walter Begemann 博士所说的“非常活跃”。更令人感到高兴的是三分之二的机床和精密工具制造商都表示会进一步重视复合材料的投资与发展。其中，最强的增长驱动力来自德国和亚洲的汽车制造业与航空业。因此，协会主席Michael Effing 博士认为复合材料是“德国工业产业布局中的关键技术”。 Society for Production Engineering and Development (GFE) e.V., Schmalkalden 施马尔卡尔登生产工程发展协会总经理Frank Barthelmä教授也表示了赞同。同时，他还提出了一些复合材料加工过程中的主要困难：避免分层剥离，工具使用寿命短以及产生的粉尘颗粒的过滤。“对于这类问题的解决方案需要涉及复合材料加工的整个过程链：从机床设计理念开始，到工艺参数，零部件质量，以及相关工具都应当考虑在内。”GFE 通过对加工过程反复的试验，不断优化工具，将机床调整到最佳的工作状态。具体包括：“通过合适的处理技术，如毛刷抛光， 利用锻压和微爆破进行精密磨削等，就可以将切削刃具半径精确定义在几微米范围内，且可沿着整个切削外径边缘加工。” 在Barthelmä看来，这对避免组合机床和多级机床加工过程中的分层剥离现象尤为重要。另一个步骤是涂层。含氧的氮氧化物涂层已经被证明非常高效，相较于传统的硬质合金工具，其使用寿命可以延长至一倍以上。施马尔卡尔登的加工专家们目前正在期待类金刚石涂层（DLC——类金刚石碳）的实验结果， 这有可能成为价格不菲的多晶金刚石（PCD）或CVD 金刚石工具（CVD 化学气相沉积）的一种有效替代品。 机床制造商也在为行业发展作出贡献。Barthelmä说道：“全密封主轴所带来的高速度是加工复合材料的必要条件之一，高机动力和多轴铣也是必要结构，如五轴联动加工。”另外，使用如超声波辅助铣削的混合制造方法加工也被寄予厚望。 满足个性化解决方案的同时降低成本 Komet 集团轻量结构项目负责人，Peter Büttler 总结了多种多样的要求：“一方面，不同纤维在材质，长度，厚度和纤维方向等方面都有所差异。另一方面，市场上超过100 种不同的树脂，热固性塑料和热塑性塑料的加工必须处于低温和弹性环境中，极高的切削速度是其中的关键，高速运转状态下出屑槽内产生的摩擦热能必须保持在较低水平。”用户和机床制造商之间的紧密合作也同样重要。“我们会事先检查所有的相关因素， 如需要加工的材料以及加工技术”。打个比方，加工中心，自动加工机床或手动加工机床所带来的加工效果都是不同的。工件装夹和相关的振动风险也要考虑在内。其他因素还包括：冷却， 速度，实际的加工任务和提取。 制造适用于更多应用的万能机床将会是最为理想的。“目前没有有效的解决方案是因为复合材料间差异极大，这造成了加工不同复合材料时各种截然不同的加工要求。”LMT Group Academy 经理，Diethard Thomas 教授解释道。一般复合材料机床必须根据客户需求量身定制。至于由多层材料制成的复合材料，或许有一个方案可以解决效率问题。“将切割值调整到最坚固的材料的适应范围，例如，由碳纤维/ 铝或碳纤维/ 钛制成的复合材料。”Thomas 认为对提升技术的需求是长久的，高昂的成本（成本约50%）使得材料不断变动、优化，“这样一来， 为进一步优化加工过程，对工具设计的要求将不断更新换代， 机床设计和切割值的标准也将因此处于不断变化的状态。” 来自机床制造商Paul Horn 的超硬材料产品专家Aribert Schroth，提醒人们不要总是只拿复合材料与碳纤维增强塑料作比较。“相关产品群可以通过同一机床，使用各种方法和不同的加工参数生产出来。”机床制造商MAPAL 采用了类似的方法。该企业航空航天和复合材料业务部经理Peter Müller-Hummel 博士说：“通常在条件允许时，我们总是选择以加工要求最高的材料为制造标准，从而生产出同时可以应对其他更多较低加工要求的机床。”在MAPAL，同样关注帮助客户通过各种方式节省成本。Müller-Hummel 解释说：“就目前来看，用一体化工作流程的加工方式替代现有的需要三到五个步骤的加工程序最有潜力。”此外，特殊涂层也能带来较高的机床使用寿命从而降低每个镗孔的成本。 机床效率的提高通常都伴随着磨损性的增加。Paul-Horn- Mann Schroth 指出：“对导致切削刃磨损的加工过程的研究还不充分。”他提醒我们联系机床制造商的需求，注意另一个方面：“在材料的发展阶段，正确的防护措施会带来显著的效果。而制造过程中，严格和明确的操作规范会为生产效率带来积极影响。”事实证明减少树脂含量和纤维单向排列对于减少磨损来说是大利的，因为材料的状况变得更容易预测。轻质结构专家认为由此产生的更强的分层也是可控的：“切削刃必须锋利， 并且保持其锐利度，几乎每一个机床都能达到这样的效果。” 传感器系统在这里起决定性作用。SCHROTH 说：“除了磨损检测这最主要作用外，振动传感器的振动特性也是实现机床功能和延长使用寿命的基础。” 精准的磨损检测，被卡尔斯鲁厄wbk 生产科学研究院视为发展的先决条件。在那里，技术员工Stefan Klotz 检测了钻孔时机床磨损所造成的材料损耗。他注意到，随着机床的磨损“切削刃的磨损状况的变化导致加工过程中力的方向改变，加大了工件损伤。”因此Klotz 建议，“根据机床的实时磨损状态，动态调整加工参数”，从而大幅减少“顶层损伤”。 传统机床价格昂贵 当工具制造商全力研究和开发未来利润丰厚的复合材料加工市场时，传统机床制造商们遇到了有关复合材料加工的一个根本难题：他们的机器通常都太小，而且价格昂贵。德国Fraunhofer 制造工程和自动化研究所（IPA）功能材料部主管Ivica Kolaric 解释说：“用于复合材料加工的机床在最早通常都用作木材加工和塑料加工。”难怪需要看一下工作面积的价格。对于一台传统机床来说，每平米工作面的价格可能会达到600,000 欧元，木工机床的最低价格也在每平米10,000 欧元， 当然，它的精度会大大降低。这种情况可能会因为汽车制造业的需求冲突而改变。尽管航空业以及风力发电站通常使用相对不稳定不精确的大型元件，但是在汽车制造业，需要的则是能够快速生产的，高质量、高精确度的小部件。Kolaric 总结道：“机床制造商会更追求成本效益，木工机床制造商必须提高精度。” MAG 工业自动化集团也认识到了这一点，复合材料部门副主席Matthias Meyer 博士解释说：“主要部件的范围包括薄壁的拉伸零件，机器的工作空间和机器工作台必须在尺寸上满足相应的大小。尽管加工过程受到种种限制，几何形状的零件通常仍需要4 轴或5 轴加工，从而使切削刃垂直于零件表面。”另一方面，复合材料加工对主轴的要求也与金属加工截然不同。Meyer 认为水射流切割是最主要技术竞争对手，但是它也有许多缺陷，如部件损伤和产生大量有害废物。“这也是MAG 集团坚持通过它在自动化生产和批量生产中的专业知识和经验，不断发展复合材料铣削加工的原因。” 传统机床制造商德马吉森精机接受了这一挑战。“除了能够长时间保持机床稳定性的设计理念和高动力外，机床也应具备处理磨屑的功能”，德马吉森的子公司，位于德国普夫龙滕的Sauer 公司董事Patrick Diederich 解释道。他们的系列产品都采用了使用超声机器的混合动力设计。这一概念用于加工极难处理的材料，通过施加一个纵向振动的力，感应执行系统控制刀具旋转。“通过这样的方法，我们成功减少了高达40% 的加工受力，在提升了机器进给速度的同时，切割边缘更平整，并且有效防止了纤维分裂及分层。” 在加工过程中磨料和导电尘埃也是一个大问题。“运作一体化，整体过滤的设计是最重要的因素之一。除了通过综合细尘监测实现高性能的过滤，以及热回收外，机器最好应具有一个带有综合过滤系统的封闭工作空间。”从而避免粉尘造成的危害，机械室以外的驱动器和波导，X 轴和Y 轴也应进行密封。Diederich 强烈建议：“通常所有的电器元件都应该被保护起来。机器主轴上不应有润滑油，以免污染组件。” 对IPA 的Ivica Kolari 来说，比起降低成本、延长机床使用寿命，加工过程中产生的尘埃和其对健康安全的影响是一个更关键的问题。他认为，在我们更准确地了解影响粉尘产生的因素是什么，并且找到正确的处理方法前，人与机器同样处于危险之中。“粉尘带来的不仅是健康风险，还会通过生产车间进入到其他机器，并造成干扰。”IPA 专门成立了一个工作小组来解决这些问题，并且由行业协会坐镇。MAG 的Meyer 也认同必须保护机床操作人员健康、机器不受到损害：“一体化过滤，同时密封机器部件是其中的关键。然而，除粉尘外，有时一些无法通过常规装置，如蜗杆输送机进行搬运，或只能通过其他不可靠的运输方式运出工作空间的大块废料会堆积起来。”生产设备的安全处理以及薄壁结构的设置是另一个重要的方面。 复合材料的加工往往对技术发展具有较高要求，Patrick Diederich 解释说：“不同材料的组合导致了复合材料材料特性的极端向异性，这就要求对所有加工数据，工具，甚至是冷却润滑剂的选择进行不断的优化”。除了实际的加工过程，后续的流程步骤，如压焊，喷涂或深加工，都要予以考虑。几乎所有的修整工作都需要多轴铣削。Died-erich 强调：“对于五轴同步加工，单个轴的力必须很好地协调，因为只有这样，才能快速定位和再定位，从而为高要求加工任务提供保障。” 机床本身也可以受益于复合材料，德马吉森精机目前正在研究复合材料会带来哪些方面的好处。Sauer 公司复合材料开发部经理Florian Feucht 说：“最初，我们着重通过移动质量和提高能源效率以实现相对持久的高动力。”相比之下，通过使用碳纤维实现修正位移的可能就不那么有趣了。“就目前的材料来说，我们一切进展顺利。”此外，在MAG，复合材料现在机床构造方面受到了更多的重视，尤其是在动力方面。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/23/2014)