材料輕量化遇見EMO 2017

超高強度材料不僅在飛機和汽車制造中深受歡迎，在機械工程領域也備受青睞，因為這種材料不僅重量相對較輕，而且強度很高。不過，加工這些材料時往往會遇到一些挑戰。盡管很多制造商已經開始選擇采用輕質的纖維增強材料加工設備的結構件。但即便如此，加工超高強度材料依然面臨諸多問題，德國弗勞恩霍夫協會制造技術研究所（以下簡稱：IPT）目前在亞琛進行的一項研究項目也證實了這一點，研究成果也將在2017年德國漢諾威機床展（EMO 2017）上展出。

用CFRP材料替代金屬鋼

IPT的研究人員通常采用整體的方法來優化設計。換句話說就是，他們把機器的設計看作是一個連貫的整體，機器中重要的驅動單元的開發也包括在內。目前，他們已經與德國馬格德堡的一家機床制造商展開合作，共同研究由碳纖維增強塑料（CFRP）制成的創新機床部件在垂直運動（Z軸）方向上的性能表現，以及如何對其進行優化。

“我們從2013年就開始了針對CFRP導軌的開發，”總部位于德國馬格德堡的MAP Werkzeugmaschinen GmbH公司（以下簡稱：MAP）分部經理ChristophTischmann 說道?！拔覀円呀浄e累了大量線性軸和旋轉軸方面的經驗，比如用于鋁合金等材料的加工。但是對于高強度材料如鈦合金等，現有設備的功率無法達到要求?！币虼耍琈AP公司決定開發一款高功率的機床，比如采用目前功率為55kW和72kW的主軸（在S1和S6模式下扭矩分別為210Nm和273Nm），不過這些主軸都太笨重了?！盀榱瞬粻奚鼨C器的動態性能，我們嘗試從重量方面打開突破口，看看有什么補償辦法，”ChristophTischmann解釋道?！斑@就是為什么我們最后選擇了CFRP材料?！彼麄儾捎昧薢軸主軸額定功率為28kW-36kW的機床作為開發對象。

這樣一來，機床的功率幾乎提高了一倍。與此同時，采用CFRP材料與傳統鋼相比在重量方面降低了60%左右?！安贿^，我們并沒有一個明確的減重目標，我們希望能夠在重量和機械強度之間達到一個最佳的平衡，”IPT 研究員FilipposTzanetos說道?，F在的問題是，從鋼導軌改為塑料導軌，同時主軸的重量幾乎是之前的兩倍，這些變化會對整體設計帶來多大的影響呢？針對這一點，IPT分析了整臺機器對Z 導軌的熱反應和動態反應。“我們對整臺機器進行了全面的檢查和檢測，”ChristophTischmann說道。“根據結果做了幾個方案，用于改進機器的設計?！?br/>
調整設計，適應新材料

由于材料不能簡單地一對一替換，因此需要對整個設計進行調整，來適應新的材料。有限元仿真分析在這種情況下體現了其實用價值?！霸谟嬎銠C上，我們仔細查看設計中最薄弱的地方，找到因果關系，”FilipposTzanetos解釋道?！叭缓笪覀儑L試用鋁合金件或復合材料件來替代其中一些金屬件，或者通過加固件或加強筋提高某些關鍵區域的動態性能。”

對設計工程師來說，CFRP是一種各向異性材料，因此很難對付。“各向異性”用來形容材料的特性或在作用力下發生的反應隨著方向的變化而發生改變。這就是說，纖維增強型材料的機械強度或韌性取決于纖維的鋪設方向。不過，CFRP部件在仿真軟件中的性能表現與現實有所差異。FilipposTzanetos詳細解釋道：“我們按照DIN ISO 21748:2014-05標準中的不確定性傳播原則對仿真的意義進行了評估。模型參數的不確定性對模型輸出變量的不確定性有一定的影響。我們采用了蒙特卡洛仿真方法對此進行了計算?！?br/>
在其他類似的項目中，IPT通常尋求其他協會或分支機構的幫助，但是在該項目中，科學家們完全依靠內部的力量?！拔覀儏f會內有一個部門專門負責纖維增強復合材料和激光系統技術研究，”FilipposTzanetos指出。“在過去多年中，這個部門在機床用纖維增強復合材料零部件的尺寸標注方面積累了大量的經驗，在針對纖維增強型零部件尺寸標注的仿真方面主動為我們提供了許多支持。”

協同合作——成功的保證

鑒于纖維增強復合材料各向異性的特性，在工廠建設或機器制造中很少會用到這種材料，所以說，當遇到應用問題時，對應的支持也是必不可少的?！捌駷橹梗蠹叶歼€不太愿意采用纖維增強復合材料，因為相較于傳統材料，這種材料還沒有可參考的設計和尺寸標注標準，因此很難預測纖維增強復合材料部件與機器結構中其他部件一起使用時的動態性能會怎樣?！盕ilipposTzanetos解釋道。“比如說，當某個零部件只在一個軸的方向上依照其機械強度來做尺寸標注，而忽略在其他軸方向上的機械強度時，就會出現問題。但是如果我們用仿真工具來微調CFRP部件和機床自身動態性能之間的關系時，就不會出現任何問題。所以說，為了解決這個問題，我們在這個項目上充分利用了公司所有可以利用的資源?！?br/>
用激光焊接取代膠粘劑連接

還有一個關鍵問題是CFRP材料與金屬材料的連接。到目前為止，這兩種材料通常采用膠粘劑進行粘結，FilipposTzanetos指出這種方式有四個缺點：

● CFRP的表面必須要通過機械的方式加工，這就導致了材料的不穩定性，降低了材料的性能；

● 機械強度相對較低（每個接頭的強度只有10-40MPa）；

● 對環境條件的依賴高（比如溫度、污染、碎屑、冷卻劑等）；

● 粘結接頭耐磨性較差。

所有這些缺點都可以通過激光焊接工藝解決。但是對FilipposTzanetos來說，連接并不是唯一的問題。“為了確保機器在定位以及可重復性方面的精確性——包括在高動態反應下的精確性，我們對直線導軌采用了手工鏟花的方式，”ChristophTischmann說道，“如果換成CFRP材料，要想這么做就非常困難了。”

雖然挑戰重重，但ChristophTischmann依然認為采用CFRP材料來替代鋼還是值得的。在今年的EMO展上，MAP計劃與IPT共用一個展位來展示這種材料的研發進展和加工工藝。ChristophTischmann解釋道：“我們希望在項目結束后可以成功將一臺高動態響應、高精度以及高性能的機器推向市場。尤其希望這臺機器能夠在航空業得到廣泛應用?！?br/>
EMO展推動產學合作

IPT的科學家FilipposTzanetos同樣認為諸如此類與MAP公司的合作項目通過與產業界的相互交流是很好的探索新工藝途徑的方式。該項目也推動著亞琛的弗勞恩霍夫協會研究人員加緊與行業合作伙伴在CFRP材料方面的合作。FilipposTzanetos與其在學術界的同僚們將利用9月舉行的EMO 展收集更多與材料及輕量化結構相關的市場反饋信息。