用复合材料制造工具
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Suprock技术公司采用了不同类型的复合材料来制造工具,包括碳纤维、aramid纤维和玻璃纤维增强型复合材料。
作为一种合金材料,钢一直被认为是制造刀具夹头和镗杆的首选材料。而Suprock技术公司正在尝试改变这种现状。该公司已开发出了用复合材料制造的刀具夹头和镗杆原型。
复合材料的成分构成与金属合金有类似之处,设计者可将不同的纤维、纤维取向和比例,以及树脂混合在一起,以获得所需要的材料特性。据Suprock技术公司负责人/创始人Christopher Suprock介绍,该公司采用了不同类型的复合材料来制造工具,包括碳纤维、aramid纤维和玻璃纤维增强型复合材料。他说,“例如,在刚性至关重要的加工场合,可以在横截面的大圆角处采用高浓度的碳纤维。”为提高刚性而设计的复合材料可以达到379GPa的弹性模量(与之相比,钢的弹性模量为200GPa)。这种特性使复合材料工具能够承受的切削力比钢制工具几乎大一倍,并与钢具有相同的抗挠曲能力,从而使用户可以增大切屑负荷。
与钢制工具相比,复合材料工具还有助于更有效地减轻切削加工中的振动和颤振。这是因为分散的纤维之间的聚合物结合剂能有效地衰减振动能量,并将其转化为低水平的热量。Suprock举例说,“赛车和重型机械就常常采用碳纤维驱动轴,以防止传动系统损坏。”
复合材料的重量通常比钢轻3-4倍(取决于复合材料的成分),而且,工具的质量越轻、刚度越高,其固有频率就越高,而这对工具非常有利,因为这意味着可以更容易地控制颤振。例如,通过提高镗杆的固有频率,就可以用一根长径比为10∶1的镗杆替代一根长径比8∶1的镗杆,而不会降低切削性能。也就是说,长径比10∶1的复合材料镗杆具有比长径比8∶1的钢制镗杆更高的固有频率。对于直径可调的镗杆,较高的固有频率可显著提高其使用性能。镗杆重量越轻,调节直径就越容易。

图 Suprock技术公司开发的复合材料镗杆和刀具夹头,工具的主体部分为复合材料,而前端仍然采用钢
复合材料的热性能也对工具非常有利。复合材料的热膨胀可以控制到几乎为零,而且这种材料受热时往往会收缩。例如,具有很高弹性模量的碳纤维复合材料的热胀率数量级为-1×10-7(in./in.°F),而钢的热胀率数量级为6×10-6-7.3×10-6((in./in.°F)。这就意味着,如果加工环境温度上升,复合材料工具保持其尺寸的能力比钢制工具好60倍,而且,其尺寸是向危害较小的方向变化——收缩而不是膨胀。
随着航空工业对批量生产的需求增加,复合材料的价格在不断下降,而钢价将会保持稳定或上涨。同时,在竞争激烈的材料市场上,新的复合材料牌号也被不断开发出来。此外,由于制造复合材料工具是采用加成工艺,因此其生产成本将低于加工钢制工具(尤其是大规格工具,如镗杆)的成本。钢制工具的内冷却通道必须进行钻削加工,并有可能发生角度偏斜(取决于工具装配的前端形状),而复合材料工具的冷却液通道可在设计时就嵌入其中,并在加成制造时制作出垂直的冷却孔,或采用一种可分解的材料来制作冷却孔。另外,如果需要在工具上配备传感器,可以在层压制作复合材料时,将其预先置入工具内部,使其成为材料的一部分。Suprock说,“例如,我们不必在钢制镗杆顶部增加材料,以保护传感器,因为传感器已植入复合材料之中了。”
Suprock补充说,“最终,我们的复合材料工具技术将逐步成熟,从而使复合材料工具在机械性能和物理性能上都成为超过钢制工具的首选。”目前,Suprock技术公司正寻求与工具制造商合作,将这些已申请专利(待批)的技术转化为产品线,并寻求产品测试合作伙伴,对这些产品在实际加工中的使用性能进行试验和改进。
本文作者:张宪(译)
原载:《工具展望》2011年第4期
上载于:2013-4-2 16:12:31

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