CIMT2019展品评述|碳纤维增强材料在现代机床中的应用

在4月15-20日举办的CIMT2019展会上，国内外各大制造厂商展出了种类繁多、精彩纷呈的新产品。一些新技术与现代机床的融合，更是打破了机械加工制造的界限。EEW PROTEC公司展出了一台超高速碳纤维五轴龙门机床，采用碳纤维增强材料，桁架式结构设计，实现了桥式高速五轴龙门机床的轻量化。

EEW PROTEC公司是一家专注于超高速、超大型、高精五轴铣削设备的德国公司，成立于1989年，总部位于德国北部的基尔市。该公司致力于轻量化碳纤维材料超高速龙门设备的研发、生产、销售和服务，2018年被上海拓璞数控科技股份有限公司收购之后，全面开拓中国市场。

EEW PROTEC公司从1996年开始用碳纤维增强材料取代传统钢件材料设计龙门横梁，到目前已将碳纤维应用延伸到整个龙门框架，开发了轻质、低能耗、易维护、高速、高加速的五轴龙门加工设备，涵盖高速五轴铣削、大跨度焊接、高速水切割、3D打印等不同技术领域。

1、碳纤维材料

碳纤维是一种新型非金属材料，碳纤维及复合材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、比重小和热膨胀系数小等性能，碳纤维单独使用时主要是利用其耐热性、耐蚀性、导电性和其它性质。碳纤维的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为23000-43000MPa，高于钢。因此，碳纤维复合材料的比强度，即材料的强度与其密度之比可达到2000MPa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59MPa/(g/cm3)左右。碳纤维的出现是材料史上的一次革命，正以其高性能逐步在部分领域取代传统材料，现已广泛应用于航天、航空和军事领域。碳纤维材料在民品发展上有着更加广阔的空间，在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域，具有很好的应用优势。

2、桁架式结构

此次展出的HSM-MODAL®机床采用碳纤维增强材料制作的桁架式结构，而桁架是由杆件组成的一种格构式结构体系，杆件与杆件的结合为铰接，在外力作用下，杆件内力为轴向力（拉力或压力），而且分布均匀，所以桁架结构比梁结构受力合理。由于桁架内力分布均匀，材料强度能充分应用，可以减少材料耗量和结构自重，使结构跨度增大。龙门式机床的横梁也是一种大跨度的结构，传统设计采用梁的结构居多，在跨度大于4m的场合，往往由于结构自重而形成下弯变形严重，给机床精度的提高和保持带来很大难度。桁架式结构则可以大大减少结构自重，有利于实现机床精度的提升。

3、机床特点

HSM-MODAL®机床横梁以上部分均采用碳纤维增强材料桁架式结构，重量仅为钢材的1/8-1/6，因此移动部件的质量轻、负载小，进给速度可以很快，最大进给速度可达220m/min，最大加速度为5m/s2，机床设定的进给速度为150m/min，较好地提升了加工效率。

采用碳纤维增强材料制作的桁架式结构，碳纤维的材料特性使得机床的热稳定性更好，环境温度变化对机床精度基本没有影响，精度保持性好。

移动部件的质量轻，所以磨损变形就小，机床精度标配是±0.1mm，但驱动使用双齿轮消隙和全闭环控制后，精度可提高到0.02mm。移动部件质量轻，功耗就低，有利于节能环保。

机床对地基的要求很低，只需要250mm厚的混凝土地面。由于质量轻，对组成X轴的支撑立柱可以间隔2m才设置一个，机床的扩展非常方便，X轴最大可扩展到150m；Y轴（龙门横梁）采用碳纤维增强材料制作的双桁架式结构，最大跨度可以做到25m；龙门滑鞍和滑枕由碳纤维增强材料+铝合金材料制成，最大行程可达10m。三向传动均采用双边双齿轮齿条运动副传动。

机床配置AC摆头及高速电主轴，配置海德汉TNC640或西门子840Dsl数控系统。可选配自动化刀库、接触式测量探头、监视系统、CAM软件及后置处理、自动吸尘系统、自动打磨系统、混装挤压涂覆系统等，可实现在线基准检测、油泥挤压涂覆、工件打磨、型面扫描等多种工艺功能。

4、机床的应用

HSM-MODAL®机床应用领域：汽车造型模具制造（油泥、代木、聚苯乙烯、塑料、泡沫等材料）；航空航天领域的殷瓦钢、碳纤维、玻璃钢、蜂窝板、铝合金等材料的五轴铣削加工；风电叶片及模具制造；艺术制品行业；大型舰船体凹模、轨道交通铝合金车身铣削等。适用于汽车、船舶、风电、艺术制品等行业的模具五轴加工。

5、结语

通过本届展会，我们看到了碳纤维增强材料结合桁架式结构在机床上应用的优越性，在结构上提出了一个新的理念，在轻量化上取得了较大成效，进给速度在大型龙门机床上也有较大突破，对轻切削高进给的加工方式提供了一个可行的案例。

（铣床分会 冯建国 桂林机床股份有限公司）