試論復(fù)合材料在機(jī)械制造上的應(yīng)用

中北大學(xué) 山西 太原 030051

一、復(fù)合材料在機(jī)械制造中的不可或缺性

復(fù)合材料基于其自身特有的高質(zhì)量性能而被眾多人視為在機(jī)械制造過程中能夠代替金屬材料的不二之選。同時(shí)，其能夠根據(jù)使用條件的變化而進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，滿足各種特殊場(chǎng)合的需要，進(jìn)而優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，使機(jī)械制造工藝更加趨近于完美。[1][2]

1.復(fù)合材料的輕便性。輕量化一詞，最初起源于賽車運(yùn)動(dòng)，不難理解，是在保障機(jī)械安全性能和正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，降低機(jī)械質(zhì)量，強(qiáng)化機(jī)械的可操控性。而復(fù)合材料則是在滿足機(jī)械裝備強(qiáng)度和剛度的要求下，減輕重量，一般情況，使用復(fù)合材料替代金屬材料可達(dá)到重量減輕10-40%的目標(biāo)。

2.復(fù)合材料比強(qiáng)度、比剛度高。比強(qiáng)度和比剛度分別是由材料的強(qiáng)度和剛度除以密度所得，是衡量材料承載能力的重要指標(biāo)。具體表現(xiàn)在兩者數(shù)值高，表明材料輕便、強(qiáng)度剛度大。

3.復(fù)合材料減振性較強(qiáng)。復(fù)合材料的減振性能是由其內(nèi)部纖維和基體界面阻尼大小而決定的，其阻尼與減振性能為正相關(guān)關(guān)系，在同種條件下，復(fù)合材料相較其他金屬材料，振動(dòng)衰減時(shí)間用時(shí)很短，這是它較為關(guān)鍵的性能。

4.復(fù)合材料抗疲勞性能強(qiáng)。復(fù)合材料的抗疲勞性能表現(xiàn)在抵御其由于時(shí)間關(guān)系亦或是其他因素導(dǎo)致“破壞”的能力。這種能力表現(xiàn)在三個(gè)方面，一是對(duì)“破壞”本身的抵御能力，二對(duì)即將被“破壞”的預(yù)兆能力，三是對(duì)“破壞”后的可修復(fù)能力。擁有以上三種能力的復(fù)合材料壽命遠(yuǎn)比其他金屬長(zhǎng)。

5.復(fù)合材料可塑性強(qiáng)。復(fù)合材料的應(yīng)用一般多在于整體成型，以總成形式最終呈現(xiàn)，在減少零部件數(shù)量的基礎(chǔ)上，使得設(shè)計(jì)過程大大縮減。同時(shí)，復(fù)合材料的應(yīng)用過程一般包括成模、固化、打磨等過程，固化是由流體變?yōu)楣腆w的過程，此過程很大程度降低了材料應(yīng)力的形成。[3]

二、復(fù)合材料在機(jī)械制造中應(yīng)用的普遍性

復(fù)合材料是運(yùn)用先進(jìn)而科學(xué)的制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料通過優(yōu)化、組合等方式匯聚而成的新材料。從這種程度講，復(fù)合材料是一種混合物，不局限于金屬間的組合，可以通過金屬材料、無機(jī)非金屬材料以及有機(jī)高分子材料之間任意組合，這些材料在機(jī)械制造過程中被充分利用或使用。

1.沖壓模具方面。沖壓模具制造的材料大致可以概括為三種：沖裁模、冷擠壓模以及拉伸模材料。選取哪種材料需要結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)實(shí)際、沖壓工作所需以及現(xiàn)有設(shè)備支撐等多方面因素考慮。機(jī)械制造工藝相比較建筑工程工藝的不同點(diǎn)在于精準(zhǔn)計(jì)算和科學(xué)的材料兩者支撐。沖壓模具制造所需的材料如何選擇，要把沖壓工作的要求至于首位。沖壓工作對(duì)設(shè)備、工藝的要求較為苛刻，它要求設(shè)備不僅擁有很好的拉伸性能，還要有足夠的硬度和減振性能，同時(shí)還要經(jīng)受得住瞬間強(qiáng)大的沖擊力和耐高溫性，這些要求僅僅由某一種材料是很難滿足和實(shí)現(xiàn)的，需要多維度、全角度滿足沖壓要求，而復(fù)合材料“在保持原有材料性能的基礎(chǔ)上，還能發(fā)揮所有材料合力”的特點(diǎn)與沖壓要求很是匹配。

2.機(jī)械零部件層面。機(jī)械制造過程除了所需設(shè)備外，機(jī)械零部件也是復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵領(lǐng)域?？梢哉f復(fù)合材料是“身兼數(shù)職”，例如，聚醚醚酮樹脂復(fù)合材料集芳香族熱固性樹脂的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，以及熱塑性樹脂的易加工特點(diǎn)于一身。也正因?yàn)閺?fù)合材料的此特點(diǎn)，在機(jī)械制造領(lǐng)域占據(jù)了市場(chǎng)。機(jī)械零部件制造所需材料的選擇，同樣要將零部件的使用要求至于首位，不僅要對(duì)原材料的性能進(jìn)行選擇把關(guān)，對(duì)零部件的使用條件和環(huán)境也要綜合考量，同時(shí)還要將零部件使用過程中能夠遇到的問題或情況進(jìn)行FMEA分析。機(jī)械零部件的制造質(zhì)量既要對(duì)其自身功能負(fù)責(zé)，又要為其作為大型設(shè)備最小單位，整個(gè)設(shè)備的使用負(fù)責(zé)。金屬?gòu)?fù)合材料基于其良好的導(dǎo)電性和耐磨性，以及其很好的穩(wěn)定性，成為零部件制造原材料選取的明星產(chǎn)品。

三、復(fù)合材料在機(jī)械制造中的發(fā)展前景

隨著我國(guó)高質(zhì)量發(fā)展速度日益加快，復(fù)合材料愈加在機(jī)械制造領(lǐng)域占有不可替代的位置。復(fù)合材料的應(yīng)用不僅可以提升生產(chǎn)制造效率，還能降本提質(zhì)，使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值進(jìn)一步提升。

1.復(fù)合材料的應(yīng)用比例進(jìn)一步加大，應(yīng)用范圍充分拓展。復(fù)合材料由于其可塑性強(qiáng)、抗疲勞性能強(qiáng)以及抗化學(xué)腐蝕優(yōu)、減振性能好等優(yōu)勢(shì)，在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用將進(jìn)一步提升。近年來，我國(guó)結(jié)合復(fù)合材料在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了多重探索和研究，更對(duì)很多新型復(fù)合材料進(jìn)行研制，取得了很大的成果和成績(jī)，其應(yīng)用不光會(huì)在某一個(gè)領(lǐng)域“吃香”，在航空、國(guó)防、探索太空等領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)進(jìn)一步放大。

2.復(fù)合材料的應(yīng)用將進(jìn)一步圍繞“單功能向多功能”作出探索。隨著越來越多機(jī)械制造企業(yè)的設(shè)備所需材料的選擇傾向于復(fù)合材料，很多輕工業(yè)企業(yè)從中獲益，也在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)程度日益加大的市場(chǎng)中占有重要席位。但伴隨著復(fù)合材料在設(shè)備中所占比例加大，僅僅滿足當(dāng)前設(shè)備功能需要是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。例如，聚醚醚酮復(fù)合材料雖其機(jī)械性能優(yōu)異，具有良好的自潤(rùn)滑性，但此材料的耐磨性能仍滿足不了抗疲勞、抗沖擊零部件的要求，所以更多的是從“單功能”中跳出，向“多功能”拓展，使復(fù)合材料在機(jī)械制造中不可或缺。

3.復(fù)合材料使用性能穩(wěn)定性與機(jī)械制造自動(dòng)化融合緊密。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，機(jī)械制造自動(dòng)化已經(jīng)成為時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。復(fù)合材料的研究和應(yīng)用，在保障生產(chǎn)質(zhì)量和效率提升的基礎(chǔ)上，更要注重生產(chǎn)制造的精度和產(chǎn)品加工后的品質(zhì)，以滿足高質(zhì)量發(fā)展不斷提出的新要求。在對(duì)現(xiàn)代化生產(chǎn)制造理念引入、研究的基礎(chǔ)上，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)實(shí)施預(yù)估，確保理念更新與時(shí)代發(fā)展同步同向，提升競(jìng)爭(zhēng)力。