弗劳恩霍夫生产技术研究所(I PT)的研究人员从事全面的结构优化研究。他们的工作针对机床的完整结构——包括重要的驱动部件。目前他们正在与德国Magdeburg的MAP Werkzeugmaschinen公司合作，研究用于垂直运动的新型碳纤维增强复合材料(CFRP)机床零件，以及如何优化轴套筒的安装，后者是本次研究的重点。该项目将在EMO Hannover 2017的弗劳恩霍夫生产技术研究所展位上展出。

轻质材料成功引入机床行业：碳纤维增强复合材料和金属混合材料制成的机床Z轴套筒

均衡功能和重

“碳纤维增强复合材料轴套筒于2013年开始发展。”MAP的现场经理Christoph Tischmann回忆道，“例如，在加工铝制品过程中，积累了丰富的线性和旋转轴经验。但是对于高强度材料而言，例如钛合金、铬镍铁合金，其性能经验还存在着不足。”因此，MAP决定开发一款具有强大驱动程序的机床。因此，现在在S1和S6操作过程中，分别采用55 kW和72 kW的主轴，210 N·m和273 N·m的扭矩，但是这些设备非常重，体积也较大。“为保证动力不受到任何影响，我们希望寻找补偿较大重量的办法。”Tischmann解释道，最佳方法应该是使用轻质且坚固的碳纤维增强复合材料，以前，与Z轴套筒箱配合使用的机床可提供28～36 kW的功率。

因此，在本示例中，可以将驱动功率提高两倍左右。与此同时，相较于不锈钢轴，使用碳纤维增强复合材料，可将重量降低60%左右。“但是，我们的目标不是达到某一目标重量，而是要在重量和刚度之间达到最佳平衡关系。”弗劳恩霍夫生产技术研究所的技术员Filippos Tzanetos告诉我们。

接下来的问题是：将不锈钢套筒更换为碳纤维增强复合材料结构之后，驱动功率提升两倍。为此，弗劳恩霍夫生产技术研究所分析了整个设备到Z轴套筒之间的热反应和动态反应。“对设备进行了从里到外的完整测试。”Tischmann指出。在这些测量参数的基础之上，制定了几种备选解决方案，以改善设备结构。

弗劳恩霍夫生产技术研究所以及Lerinc公司联合开发了采用配备碳纤维增强复合材料驱动轴套筒的五轴机床。不仅结构坚固，而且还具有令人印象深刻的加速性能，这一设备还能将难以加工的材料加工成所需形状

材料决定结构

因为该新型材料无法以一对一的方式简单的加入到现有结构中，这次任务是采用最为合适的材料结构，在实际应用中验证有限元模拟。“在计算机上，我们测试了最易发生变形的区域结构的特点，以便我们找到原因。”Tzanetos解释道。接下来，研究人员尝试使用铝制零件或碳纤维增强复合材料零件更换之前的组件，或通过安装加固杆或加固材料，以提高某些位置的动态特性。

使用碳纤维增强复合材料对于设计工程师而言是一项严峻的挑战，因为材料具有各向异性：根据定义，各向异性是指在各个方向上所体现出来的性质都不一样。这意味着在处理纤维材料时，刚度或强度取决于纤维方向。但是碳纤

维增强复合材料在模拟以及实际情况中的特性并不一样。Tzanetos详细解释道：“根据DINISO 21748：2014-05，可使用扩展不确定性来确定模拟的有效性。因为模型参数的不确定性会对模型的输出变量产生一定影响，并且使用Monte Carlo模拟时，这种不确定性会累积。”

碳纤维增强复合材料和铝制法兰之间Z轴套筒衔接区域的特写，后者是将组件集成为铣床的必要组件

在此类项目中，弗劳恩霍夫研究所通常会接受其他机构或子公司提供的帮助。但是，在本案例中，科学家获得了自己所属机构的帮助。“在我们的机构中，设有一个纤维复合材料和激光系统技术部门。”Tzanetos表示。多年以来，这个部门已具备足够实力，能够根据纤维增强塑料(FRP)设计机床组件，并且能确保项目团队了解其模拟专业技术。

捆绑的能力可确保成功

此类支持对于回答在机床和安全结构中使用FRP(纤维增强塑料)组件的相关问题而言非常重要，因为这些加工材料具有方向独立的机械特性，所以碰撞的机会较少。“之前，存在限制使用FRP(纤维增强塑料)的规定，因为没有任何可以借鉴的结构和设计标准，因此无法直接准确的预测FRP(纤维增强塑料)组件如何与机床结构的其他组件进行动态互动。”研究人员解释道。

复合材料和塑料技术编辑人员Peter Königsreuther

如果组件仅采用了唯一方向的刚度设计， 且未考虑其他轴的刚度特性， 就会出现错误。“ 但是， 如果我们让FRP( 纤维增强塑料)组件和机床动态组件与模拟工具之间达到完美匹配，则几乎不太可能出现任何错误。”Tzanetos强调。因此，在弗劳恩霍夫生产技术研究所中，这就是该项目最急需解决的问题。

在机床结构中使用纤维复合材料的主要原因是，探究如何在碳纤维增强复合材料和金属部件之间进行稳固粘结。根据Tzanetos所述，之前，这取决于特殊的胶水技术，但是如此会带来许多问题：

■ 必须对碳纤维增强复合材料表面进行机械处理。这将导致碳纤维增强复合材料特性不均匀，并弱化其特性;

■ 涂胶所产生的强度较小(每个结合点仅在10～40 Mpa之间);

■ 粘结质量主要取决于环境参数，例如温度、有无污染物、木片以及使用的冷却液;

■ 胶水粘接处磨损较快。

Tzanetos说道， 例如可通过使用激光工艺来消除这些缺点。但是MAP决策人员Tischmann不仅看到了连接技术存在的问题，还说道：“为确保机床的准确定位和重复准确度，即使是在高度动态加工状态下，我们也可以保证摩擦线性导轨的支持服务。”对于MEP而言，现在利用碳纤维增强复合材料到达这一精度也存在着很大挑战。

EMO Hannover 2017——创新灵感之源

Tishman说道，尽管存在着这些阻碍，但是考虑到EMO Hannover 2017的举办，碳纤维增强复合材料还是值得一试的。机床制造商考虑使用弗劳恩霍夫生产技术研究所的联合信息库，其中可展示该全新加工材料的优点和规程。“原则上，在本项目结束时，我们可将动态、精准且功能强大的机床投入市场。”之后，可以在航空领域中建立应用。

对于弗劳恩霍夫生产技术研究所的科学家而言，与MAP Werkzeugmaschinen开展的此类工作项目，为与行业开展交流打开了新的大门。当前正在开展的项目将鼓励亚琛团队与行业合作伙伴一起，继续引领碳纤维增强复合材料领域的发展。对于参加EMO Hannover2017，Tzanetos和来自工业领域的同事希望能在这次展会上，就轻质结构材料的类似问题上找到新的突破点。