由MAG Fadal公司提供的VMC 6535 HTX型立式加工中心可用于切削加工钛金属一类的硬质金属

在这个高科技操作运行的时代，先进的金属加工技术将能满足复合材料的生产需要。

航宇工业和国防工业的业务正在迅猛发展，以及重塑军事能力在武器系统的发展，这为飞机制造业开创了有利局面。对这两个行业起着重要发展作用的一项技术就是复合材料，这一般是指碳纤维材料或玻璃纤维热固性和热塑性多材料层压板。这些材料对工作性能、使用寿命和对各应用领域生命周期的优越性来说是至关重要的。

在许多航空航天和国防工业项目中，复合材料已成为主流材料，与翼梁、导弹外壳或雷达天线的生产相比，其应用为更习惯于制造注塑模的模具制造商创造了机遇。这是因为模具制造商可以将他们在金属加工中的许多技术，应用于复合材料的加工生产中。

对机加工的要求

“复合材料市场将会继续发展和扩大，没有足够的供应来源用于零件的加工，”Stadco公司业务开发部主任Jim Hickman先生说， “对金属零件具有加工能力的模具制造商，也应该能够在复合材料的加工方面做出优秀的成绩。” 该公司是一家专门从事航宇工业高精度零件和模具加工的公司。

图1正在制造的波音“梦想客机”机身部分正在进行组装拼接，由于采用了复合材料，因而减少了零件和飞机的重量

供应商也在一个相关的领域中，推销其硬质金属的加工设备，例如像钛金属和因瓦合金，在航宇制造业中占统治地位的材料——用于飞机零件制造的主要材料。对于模具制造而言，其极低的热变形特性可使模具零件的公差尺寸保持在千分之几英寸的范围之内。

事实上，Stadco公司已经开发出一种用于因瓦管材焊接的电子束焊接工艺，而这种管材将用作复合材料模具的基础结构。Hickman先生说，该管材的优点是，可改善通过刀具的气流，因此它可提高加热和冷却的速度。它还可加强刀具的强度和减轻其重量。Stadco公司不但在自己的工作中使用这种管材，而且还销售给其他刀具制造商使用。复合材料的加工生产，对模具制造商来说是新的机会，但对模具加工车间和供应商来说并不总是那么明显。在航宇工业和国防工业中，很少有人会怀疑对复合材料的需求，这一点已经从市场充满热情的统计数据中得到了确认。

飞机制造促进复合材料发展

从美国航空航天和国防工业部公布的数字来看，其第三季度的收益比2009年同期增长了22%。这在很大程度上应归功于飞机制造项目，因为这个行业是复合材料的使用大户。复合材料具有很高的强度重量比，具有设计灵活和高阻尼的特点，耐腐蚀，抗疲劳和抗冲击，如果从军事平台的角度来看，还具有隐形的特性。

复合材料的结构件还具有比金属更好的抗断裂特性。在“National Center for Defense Manufacturing and Machining”(简称NCDMM)工作的项目工程师Joe Slusarcyk先生表示，复合材料中产生的裂缝不会像金属中的裂缝那样逐步扩大，因为其纤维结构会阻止其裂缝长度进一步扩展。NCDMM中心由该行业和当地政府创建，其目的是为了提高国防部及其工业基础的生产工艺水平。

制造技术的最新进展，是将复合材料从飞机的次要应用领域转移到主要结构件上，它们被应用于制造整个机翼的组件、机身和座舱。航空工业是其中一个原因，据软件供应商Delcam公司估计，全世界复合材料的市场总值约为 150~200亿美元，在可以预见的未来，其年增长率约为3%~5%。

根据飞机制造商波音公司的估计，全球对民用客机和货运飞机的需求量将从2006年的18230架增加到 2026年的36420架——其实际增长率达到了100%。专业人士确信，波音公司及其竞争对手空中客车公司将通过其主要的飞机制造项目，促进对复合材料的需求：波音公司主要针对的是波音787型“梦想客机”(Dreamliner)，空中客车公司主要针对其A350 XWB型客机。波音787按计划在2008年年底交付使用，是其生产建造的第一架采用高百分比复合材料的客机，其中复合材料占其整机重量的50%(图 1)。在波音公司推出787机型后，A350机型也开始重新设计，据报道，其复合材料的使用量相当于整机重量的60%。按初步计划，第一架A350型飞机将于2013年交付使用。这两种飞机虽然姗姗来迟，但它们对复合材料的设计和制造，产生了深远的影响。

图2 这是一台由Haas公司提供的GR-408型铣床。主要特点包括：一根转速为10000r/min的主轴、一个40号锥度的铣削加工头和2000in/min的行程

“空中客车公司和波音公司认为，他们是促进复合材料技术发展的尖兵，”软件开发商CGTech技术公司产品营销经理Bill Hasenjaeger先生说，“他们不担心为开发技术而投资，即使该技术可能没有得到使用。他们投资的目的是因为这能够帮助他们制造自己新的产品。” 的确，许多公司为复合材料开发的加工设备和软件，据说其中就有一部分是在为波音公司工作期间出现的。

波音787机型使用的主要生产技术，涉及到机翼在模具中的预浸敷设以及座舱和多段机身的自动化敷设，所有这一切部件将在飞机的组装过程中拼接在一起。该公司列举了复合材料从开始生产起所具有的各种优点。波音公司声称，由于飞机各部分都是在组装前生产制造的，因此只需2000名工人，花费3天时间就可建造出一架波音787型客机，而以前建造一架波音767型飞机需要同样数量的工人，但却要花费21天的时间。

与采用铝合金材料设计的飞机相比较，采用复合材料使波音767型飞机的重量减轻了10000lb，这一因素还可能会降低机场的起降着陆费用，因为这一费用是根据飞机的重量计算的。

重量减轻可以使“梦想客机”的每位旅客的耗油量节省20%，从燃油费用不断上涨的情况考虑，这一优点具有十分重要的意义。根据International Air Transport Association(国际航空运输协会，简称IATA)的统计，2010年10月航空燃油的价格比2006年10月上涨了42.3%。据IATA协会估计，全球航空公司将需要比2006年多支付120亿美元的燃油费用，这将会使其51亿美元的净利润损失30亿美元。

波音公司声称，采用复合材料也将会使机身的维修费用降低20%，并减少或消除铝合金设计飞机因材料疲劳和腐蚀所造成的非常规性维护保养费用。这意味着波音787比传统的飞机具有更多创造效益的飞行时间，因为它不需要经常维修服务——这一巨大的优越性，将可以使其预期的服务寿命达到40~50年，这一数字相当于使目前客机的服务寿命翻了一倍。

加工中心的适应性

有一些加工中心供应商所提供的机型适合于复合材料的加工，这些机型既适合于他们自己，也可在改造后使用。Haas自动化公司就是这样的一家供应商。虽然该公司不销售专门为复合材料加工的机床，但其经销商和现场应用工程师可以为复合材料的加工改造其加工中心。

按照公司北美业务经理John Nelson先生的说法，该机床要求安装一套吸尘系统。“为了防止磨料似的灰尘和切削过程中产生的碎屑掉落到护套下的导轨和滚珠丝杠上，以免这些部件造成过早的磨损，采用这一吸尘系统是完全必要的。”Hass公司在其VF-1到VF-4系列的VMC立式加工中心上，提供了一种集尘装置供用户选用。

Hass 公司提供的一台GR-408型桥式铣床，其设计适合于纤维材料的切削加工(图2)。该加工单元装有一根转速为10000r/min的主轴和一套尺寸为 50×98in、承载能力为1000lb的工作台以及高螺距精密滚珠丝杠。一项高速加工选项可产生快速的轮廓随动速度，其程序路径不会失真变形。

Fadal加工中心制造公司则提供适合于钛金属和因瓦合金一类硬质金属材料加工的机型。虽然这些机床不是专用于复合材料的加工，但它们仍然能够满足加工需求，模具制造商可挖掘其业务潜力，将其应用于高科技金属零件的加工生产。

图3 为了达到高飞行性能和隐蔽的目的，Lockheed Martin公司的F/A-22型猛禽式战斗机广泛采用了复合材料

MAG Fadal公司全球营销主任Ron Bruno先生说，最新上市的产品是VMC 6535 HTX型立式加工中心，这是一种高功率加工单元，专用于快速的精加工、高精度切削和快速的材料切削加工。该机床包括工作面积为65×35×31 in的X轴、Y轴和Z轴，其切削进给速度为600in/min，X和Y轴的行程速度为900in/min，Z轴的行程速度为700in/min。

刀具的进展

影响加工效率的一个关键因素是刀具的设计。普通加工金属用的刀具，在切削复合材料时，由于其较软的材质及其多层结构的原因，会产生一些问题。

供应商们发现，带有聚晶金刚石(PCD)刀尖的三维切削刃，具有最有效的切削性能。“在提高生产力和延长刀具使用寿命方面，这是一个技术上的飞跃进步，这意味着可以节约很多资金，”刀具制造商MegaDiamond公司产品经理Matt Collier先生这样说。

Matt Collier先生解释说，尽可能保持锋利的刀刃是非常关键的。“要做到这一点，需要一种耐磨的材料来对付纤维增强型复合材料。”那种材料就是PCD。但将PCD材料直接应用于平直的刀刃上，其本身并不能提高切削性能。 “当刀具切削材料时，你必须使三维切削刃形成一个适合于剪切纤维的形状。否则，刀具将会导致复合材料出现脱层和质量问题。平直的刀刃和切屑槽不可能正确适当地切削复合材料。”

MegaDiamond公司采用V-Tec技术的刀具带有螺旋形切削刃，可达到最高的切削效率。为了达到耐磨的目的，沟槽是在实心的碳化物硬质合金棒上加工成型的，外层喷涂PCD粉末。

Emuge 公司在其端面铣刀上也采用了类似的设计方法，负责铣削产品的经理Stephen Jean先生说，最初开发这种铣刀的目的就是为了加工玻璃纤维增强型塑料。这项技术的工作效果很好。Emuge公司将这种刀具描述为“适合于纤维增强型合成材料加工的实心碳化物硬质合金端面铣刀”。带有两个切削刃：其中一面的切削刃角度向上，另一面切削刃的角度向下。当该铣刀旋转，交替地改变切削方向时，将会创建一个类似于剪切的动作，从而留下一个干净和平滑的切削表面，不会损伤到复合材料。该刀具也可用于铝铸件和硬质金属的加工，同时带有PCD涂层的其他刀具也可供选用。

NCDMM中心对高效刀具的重要性进行了现场演示。两年前，Lockheed Martin公司在加工F-35型闪电II式战斗机机翼表面的复合材料时碰到了困难，这是一种先进的军用飞机。刀具的有效直线加工距离只有9in，其加工后的表面非常粗糙，并出现了脱层现象。由于生产工期很紧，Lockheed Martin公司没有时间开发出一种可替代的新型刀具。然而，它为NCDMM中心的一个项目提供了资金，资助其设计了一种能够改进加工性能的新型刀具。

该设计还使加工每架飞机机翼所需的刀具数量从原来的24把减少到两把。结果使Lockheed Martin公司加工每架飞机所需的刀具费用节约了80000美元，这相当于为其承接的2783架F-35型战机订单节约了2.2264亿美元——对其在这个项目中只有105000美元的投资而言，真是一个不错的回报(图3)。

新兴的商机

对于模具制造商来说，复合材料是一种新兴的商机，对复杂模具的成型技术及自动化加工工艺，将为制造商提供很好的服务。航空航天和国防工业不断增强的力量，也对复合材料生产和加工的效率和经济技术提出了越来越高的要求。模具制造商已做好准备，为满足这一需求，更为获取新的收入来源。