碳纖維工具類應(yīng)用之一：碳纖維刨頭
CFRP 刨頭：質(zhì)量減輕 50%，旋轉(zhuǎn)速度提高 1.5 倍
木工行業(yè)的客戶不僅要求更高的表面質(zhì)量和精度，而且要求更高的生產(chǎn)率。更輕、更堅固的工具可以幫助滿足這些需求，實現(xiàn)更高的速度。然而，當(dāng)前的鋁切削刀具已經(jīng)用盡了其輕量化潛力。德國紡織纖維研究所與斯圖加特大學(xué)機床研究所合作，在一個聯(lián)邦資助的聯(lián)合項目中尋求解決這個問題，合作并生產(chǎn)并測試了原型。合作伙伴成功展示了碳纖維刨削頭，與大約 8 公斤重的鋁制工具相比，該刨削頭的質(zhì)量減少了 50%。但不是簡單地用碳纖維增強塑料取代鋁，而是利用計算機模擬開發(fā)了一種全新的設(shè)計，如下圖所示：
 
圖片注：模塊化設(shè)計包括 CFRP 三角形處理離心力的組件和星形外殼可承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。
這種虛擬開發(fā)產(chǎn)生了一種模塊化工具，包括吸收離心力的 CFRP 三角形組件和處理彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷的外殼。定向碳纖維以處理這些結(jié)構(gòu)中的負(fù)載進(jìn)一步有助于最大限度地減輕重量，但也實現(xiàn)了高剛度和優(yōu)化特征頻率（系統(tǒng)振動的固有頻率）的能力。這種組合改善了工具的動態(tài)行為，使轉(zhuǎn)速比之前工具每分鐘 12,000 轉(zhuǎn) (rpm) 的極限高 1.5 倍。
首先，數(shù)值模擬被用來開發(fā)許多概念。接下來，使用有限元分析 (FEA) 進(jìn)行評估，確定最佳的最終概念。進(jìn)一步分析定義了轉(zhuǎn)速高達(dá) 18,000 rpm 時的力，以及每個部件的應(yīng)力和應(yīng)變場。三角形的剛度在旋轉(zhuǎn)過程中承受離心力，可防止外徑發(fā)生變化。請注意，這些三角形包括切割刀排的載體。因此，在旋轉(zhuǎn)過程中不允許改變切削刃的周長或“飛圓”，因為這會降低刨削過程中木材的精度和表面質(zhì)量。
分析結(jié)果確定了 CFRP 部件的最終尺寸和復(fù)合材料鋪層。采用濕法長絲纏繞碳纖維和 環(huán)氧樹脂生產(chǎn)了 200 毫米長的三角形管。將所得 26 層管在 84°C 下烘烤 12 小時，并使用附加的外部金屬工具施加壓力，實現(xiàn) 5.5 毫米的恒定最終壁厚。將管材切成13片12毫米寬的切片。
外殼是通過將 23 層由 3K 碳纖維制成的干粘合 245 gsm碳纖維布包裹在星形心軸上制成的。真空輔助樹脂灌注與環(huán)氧樹脂注射樹脂一起使用，所得層壓板在 80°C 真空下烘箱固化 12 小時，生產(chǎn)出長 155 毫米、壁厚在 4.8 至 5.5 毫米之間的部件。
三角形管和星形管的纖維含量分別為73%和72%（按質(zhì)量計）。使用計算機斷層掃描確認(rèn)質(zhì)量，并將 CFRP碳纖維零部件為進(jìn)一步減輕重量而制造的 6 個 10 毫米直徑 CFRP 碳纖維棒進(jìn)行加工和組裝。 CFRP 碳纖維工具設(shè)計中包含與基準(zhǔn)鋁工具中使用的相同的刀具、螺釘安裝件和鋁端夾緊裝置。
 
最終原型在運行中進(jìn)行了測試，并用高速攝像機進(jìn)行了監(jiān)控。與鋁制工具相比，沒有檢測到質(zhì)量差異，并且所有刀具排的操作均相同。同樣的性能在高達(dá) 18,000 rpm 的速度的模擬中得到了證明，但在實際機器中進(jìn)行的測試有待系統(tǒng)修改，因為目前沒有金屬工具允許這樣的速度。

轉(zhuǎn)速的提高直接提高了生產(chǎn)速度。 CFRP 工具還改進(jìn)了動態(tài)行為，以實現(xiàn)高精度和表面質(zhì)量。因此，可以用兩臺機器而不是五臺機器來滿足增加的生產(chǎn)需求。此外，工具重量減輕了 50%，可以使用更小的電機，從而需要更少的電力和能源消耗。這一概念不僅可以應(yīng)用于其他切削刀具，還可以適用于圓柱形結(jié)構(gòu)高速旋轉(zhuǎn)的許多應(yīng)用（例如傳動軸），并且這種高質(zhì)量的減少以及最小化的偏轉(zhuǎn)和振動可能具有顯著的好處。

這種新型輕質(zhì) CFPR 刨刀頭設(shè)計榮獲 2024 年 JEC 世界創(chuàng)新獎。