如何加工复合材料，第1部分——理解复合材料

波音787将成为世界上第一架主要由碳纤维复合材料制造的大型商用飞机。复合材料占飞机结构重量的50%，体积的80%左右。相比之下，波音777的复合材料重量仅占11%。波音公司正致力于用复合材料取代金属，而拥有飞机的经济效益可以解释这一点。

对于一架飞机来说，最初的购买价格并不占飞机最终总成本的大部分。然而，飞机的维护和加油确实占了大部分成本，复合材料降低了这两项费用。飞机复合材料比金属材料具有更高的耐疲劳和耐腐蚀性能，有助于在787的寿命期内节省高达3000万至4000万美元的维护成本。复合结构还提供了更大的强度重量比，有助于节省燃料成本。据估计，同767(较小的飞机)飞行同一航线的787飞机每年将少消耗500万美元的燃料。

复合材料所节省的这些成本和其他成本的总和接近于飞机的价格。这个观察结果是这样表述的:如果这个平面是由复合材料制成的，那么你就可以免费得到这个平面。

然而，飞机部件材料的巨大变化也导致了这些部件制造方式的巨大变化。以复合材料为主的商用飞机对制造业有什么影响?

更具体地说，这对机械加工意味着什么?

复合件是近净形件。形状被放置在一个定制的工具上，这个工具赋予了零件的形状。与铝结构部件相比，复合材料部件需要的加工非常少。

然而，复合材料零件所需要的加工确实具有挑战性。根据定义，复合材料不像金属那样均匀。“复合材料”是两种或两种以上材料的组合，其性能优于任何一种材料单独使用时所能达到的性能。在复合材料中，一种材料是基体，至少另一种材料是增强体。碳纤维增强塑料(CFRP)是飞机零部件中的主要复合材料，由碳纤维增强的塑料基体组成。试图加工这种组合材料的商店面临着组合的挑战。基体因受热过多而熔化，而碳纤维则因断裂而不是平滑剪切而不易切割。同时，CFRP结构是由在加工过程中容易碎裂或分层的材料层组成的。

挑战的最后一个来源是:当复合材料结构准备加工时，它已经成为一个非常有价值的部件，以至于报废它的成本可能是巨大的。

因此，随着越来越多的复合材料零件进入市场，越来越多的机械加工车间将面临这样的现实:他们将加工比金属零件加工量小的复合材料零件，但这种加工的成本、难度、价值和影响将大大提高。

推动这一趋势的不仅仅是波音公司。实际上，所有的飞机制造商都越来越多地使用复合材料来取代某些金属部件和组件。直升机大多采用复合材料已经有一段时间了。事实上，各种高价值产品的制造商越来越多地寻求一种或另一种形式的复合材料，以利用其强度、刚度、耐久性、耐腐蚀、耐磨性和重量轻。一项估计称，在10年内，用于风力涡轮机的碳纤维增强塑料可能比用于所有飞机的碳纤维增强塑料还要多。与此同时，金属基复合材料正被应用于高性能汽车部件，如制动转子。由于复合材料对x射线也是透明的，它们也有可能发现许多新的医学应用。

然而，上面的措辞——工业正越来越多地关注“一种或另一种形式”的复合材料——暗示了在讨论这类材料时的一个重要警告。也就是说，复合材料根本不是一种统一的材料。

例如，CFRP是一种聚合物增强塑料，品种繁多。其他种类类似的复合材料有金属基复合材料和陶瓷基复合材料。“复合材料”这个词实际上比“金属”这个词所指的材料范围更广。

厄尔·威尔克森(Earl Wilkerson)是一名CNC编程和模具主管，在通用工具公司(General Tool)工作期间，他曾面临各种复合材料加工挑战。通用工具公司是一家位于俄亥俄州辛辛那提市的合同制造商，拥有240名员工。Wilkerson先生说，复合材料是“人们想要粘合在一起的任何两种材料”。

你怎么知道如何加工你第一次面对的复合材料?很有可能，你不知道。这是这些材料现实的一部分。通用工具在这一点上是一个复合材料加工专家，已经在飞机复合材料的加工经验早期。由于该公司在早期使用复合材料的喷气发动机上的工作，它现在已经加工航空航天复合材料超过15年。即便如此，每一个新的复合部件对车间来说仍然是不同的。

事实上，每一个新的CFRP部件都是不同的。“CFRP”一词本身就很宽泛。在通用工具成功加工其第一个CFRP零件后，该公司努力与第二个，直到它发现参数需要放缓和一些功能的剩余库存需要增加。第二种碳纤维复合材料的性能和组成与第一种碳纤维复合材料不同，这就是从那时起碳纤维复合材料的使用方式。

Wilkerson先生说:“你不能仅仅通过手册来查找‘复合材料’来获得正确的工具、速度和feed。”你连"碳纤维增强塑料"都查不到这些材料都没有定义或足够一致。

然而，这家工厂和其他工厂都吸取了一些经验教训——这些经验教训使他们能够持续成功地加工不断增长和变化的一类材料。

阅读下一部分:刀具，加工夹具和机床