碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料盒形件熱沖壓成型研究*

韓 賓 ，王 宏 ，于楊惠文 ，周 濤 ，張 琦

（1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049；2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

隨著航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，航空航天領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)材料的輕量化、高性能、多功能及可設(shè)計(jì)性等需求不斷提升[1]。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有密度小、比強(qiáng)度高、比模量大、抗沖擊性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，符合航空航天工業(yè)輕量化和高性能的發(fā)展理念。與傳統(tǒng)鋼、鋁材相比，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用能夠減輕航空航天器結(jié)構(gòu)重量的30%，在提高航空航天器性能的同時(shí)，還能降低發(fā)射成本[2-4]。

目前常用的復(fù)合材料成型工藝包括手糊鋪層、樹脂傳遞模塑成型（RTM）、拉擠成型、模壓成型、熱壓罐成型、模塑成型等[5-6]。然而，這些傳統(tǒng)成型工藝或操作復(fù)雜、成型效率低、制造成本高，或依賴于獨(dú)立的預(yù)浸過程，無(wú)法滿足航空工業(yè)對(duì)復(fù)雜型材大批量、低成本的工業(yè)化生產(chǎn)需要，一定程度限制了復(fù)合材料的大規(guī)模應(yīng)用[7]。因此，亟需提出能夠高效、低成本、符合大批量生產(chǎn)的復(fù)合材料成型新工藝。

目前，部分學(xué)者針對(duì)復(fù)合材料板材熱沖壓成型技術(shù)開展了研究。Wakeman等[8]進(jìn)行了碳纖維復(fù)合材料板材的熱沖壓試驗(yàn)，分析了沖壓參數(shù)對(duì)成型效果的影響，研究結(jié)果表明復(fù)合材料預(yù)熱溫度和初始固結(jié)程度是影響成型效果的兩個(gè)主要因素。Alcock等[9]針對(duì)高強(qiáng)度復(fù)合材料板進(jìn)行熱沖壓直接成型，研究表明溫度和壓力是成型的主要影響因素，并且熱沖壓成型更加節(jié)省能源。Ji等[10]研究了壓邊力對(duì)復(fù)合材料熱沖壓成型的影響，發(fā)現(xiàn)增加壓邊力有助于改善球形制件的不對(duì)稱纖維剪切變形情況以及預(yù)防褶皺。

本文提出一種采用模具直接加熱纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板的熱沖壓成型方法，通過直接加熱模具將復(fù)合材料板材與模具接觸區(qū)域加熱軟化，并隨著沖頭運(yùn)動(dòng)逐步成型。針對(duì)纖維編織復(fù)合材料板材熱沖壓成型中的拉深工藝，研究坯料纖維方向與模具直邊分別成0°和45°的盒形件拉深成型過程，并分析不同纖維鋪向下的變形機(jī)制。

熱沖壓成型方法

碳纖維編織熱塑性復(fù)合材料板是由編織碳纖維增強(qiáng)體和樹脂基體復(fù)合而成。熱沖壓成型過程中，板料將會(huì)被加熱至成型溫度，基體樹脂會(huì)發(fā)生一定程度的軟化，使得樹脂與纖維之間約束下降。在外力作用下纖維束間通過相互擠壓和面內(nèi)剪切變形來(lái)適應(yīng)曲面曲率變化，與此同時(shí)受熱軟化的樹脂基體隨纖維布流動(dòng)并及時(shí)填補(bǔ)纖維變形引入的材料空隙，從而獲得一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

熱沖壓是根據(jù)具體成型需要，采用不等溫模具針對(duì)零件不同部位進(jìn)行不同溫度沖壓成型。沖壓成型過程中材料待變形區(qū)域加熱軟化以提高材料的局部流動(dòng)性，降低成型難度。

首先，將試件置于模具表面，保證試件放置在模具的中心位置，壓上壓邊圈；接著，啟動(dòng)模具加熱裝置，通過加熱棒局部加熱沖頭、壓邊圈和模具至指定溫度；移動(dòng)沖頭靠近并接觸試件，以接觸傳熱方式加熱試件待變形區(qū)域到指定溫度；最后，按照設(shè)計(jì)的沖壓速率沖壓試件，冷卻固化后卸載。

碳纖維復(fù)合材料板力學(xué)性能測(cè)試

1 碳纖維復(fù)合材料板單向拉伸性能測(cè)試

本文針對(duì)雙層碳纖維編織增強(qiáng)PC/ABS樹脂基復(fù)合材料板，首先進(jìn)行單向拉伸性能試驗(yàn)測(cè)試。由于復(fù)合材料板內(nèi)增強(qiáng)纖維布為平紋編織，板料沿0°和90°方向力學(xué)性能相同，只需要測(cè)量一個(gè)方向即可。通過配置有溫度箱的INSTRON材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)得到各種試驗(yàn)溫度下拉伸試樣的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線，見圖1。纖維本身性能對(duì)溫度不敏感，但樹脂處于熱成型溫度下會(huì)發(fā)生軟化，且纖維模量遠(yuǎn)大于基體，因此不同溫度下樹脂的軟化程度對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線并沒有明顯影響。

2 碳纖維復(fù)合材料板斜拉伸性能測(cè)試

在單向拉伸材料測(cè)試試驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對(duì)不同成型溫度下的復(fù)合材料板料進(jìn)行斜拉伸試驗(yàn)研究。圖2所示為斜拉伸試驗(yàn)中板料內(nèi)部編織纖維布的變形幾何原理。本文試件纖維方向與拉伸方向夾角為θ=45°。

由圖2中幾何關(guān)系可以得出斜拉伸過程中纖維剪切角變化關(guān)系式：

式中：W為試件寬度，δ為拉伸位移，2θ為纖維夾角，γ為剪切角。圖2中H表示試件長(zhǎng)度，本試驗(yàn)中H=100mm，W=25mm。

剪切角γ可以表示為：

中心寬度為：

圖1 不同溫度下的拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves under different temperatures

由公式（3）、（4）可以看出，碳纖維編織復(fù)合材料斜拉伸過程中，纖維剪切角和中心寬度均是拉伸位移的函數(shù)。

圖2 編織纖維布斜拉伸變形原理Fig.2 Deformation mechanism of bias extension

圖 3為不同溫度（110～150℃）下斜拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。拉伸至應(yīng)變?yōu)?.4時(shí)，試件均未發(fā)生斷裂。對(duì)比單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，試件在沿纖維θ=45°的延展性遠(yuǎn)高于沿纖維方向，這是由于斜拉伸下板內(nèi)纖維以剪切變形為主導(dǎo)致。由于試驗(yàn)溫度高于PC/ABS樹脂的轉(zhuǎn)化溫度，樹脂軟化程度足以使編織纖維在其中自由移動(dòng)發(fā)生剪切變形，因此試件的伸長(zhǎng)率較高，且應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出顯著的非線性特征。不同溫度下樹脂軟化程度對(duì)板料內(nèi)部纖維剪切變形約束影響顯著，溫度越高，約束越小，變形抗力越小，纖維更易剪切變形。

使用工業(yè)照相機(jī)對(duì)130℃時(shí)試件標(biāo)記線內(nèi)純剪切區(qū)域中心位置的剪切角及中心寬度進(jìn)行追蹤拍攝（圖4），將得到的結(jié)果繪制成剪切角、中心寬度與拉伸位移的關(guān)系曲線，如圖5、6所示。

斜拉伸開始時(shí)，隨著拉伸位移增加，試件剪切角隨之逐漸增大，中心寬度隨之縮小。纖維剪切角隨位移變化平緩，當(dāng)纖維剪切達(dá)到一定程度后（拉伸位移超出6mm）開始發(fā)生擠壓，阻礙試件變形。拉伸至位移14mm時(shí)剪切角達(dá)到54.7°，此后剪切角將不再隨位移發(fā)生明顯變化，中心寬度也不再縮小，說(shuō)明已經(jīng)達(dá)到了板內(nèi)編織纖維的剪切鎖止角，即達(dá)到纖維剪切成型極限。此后纖維之間相互擠壓嚴(yán)重，阻止纖維編織交匯點(diǎn)的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)和拉伸，編織纖維布將從中心部位開始產(chǎn)生褶皺凸起，向兩端蔓延，導(dǎo)致兩層纖維布間出現(xiàn)分層，板料性能將急劇下降。

圖5和圖6針對(duì)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與公式（3）、（4）預(yù)測(cè)的純纖維布變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料板加熱至成型溫度后，雖然高溫使得基體樹脂發(fā)生了充分軟化，纖維布可以在其中相對(duì)自由地發(fā)生剪切變形，然而高彈態(tài)下的樹脂仍然對(duì)包裹其中的纖維產(chǎn)生約束作用，使斜拉伸試驗(yàn)下剪切角及中心寬度變化幅度均小于純纖維剪切情況，說(shuō)明高彈態(tài)樹脂的存在可以有效約束纖維的剪切變形，因此在熱成型溫度下編織纖維復(fù)合材料沿纖維45°方向的拉伸延展性優(yōu)于純纖維布。

盒形件熱沖壓試驗(yàn)

1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)試件采用雙層3K平紋編織碳纖維布增強(qiáng)的PC/ABS樹脂基復(fù)合材料圓板，厚度0.55mm，外徑170mm，成型70mm×70mm方盒形件。試驗(yàn)選取兩種典型的布置方式進(jìn)行盒形件熱拉深，分別稱為0°試件與45°試件，如圖7所示。

2 試驗(yàn)裝置

圖8為盒形件熱拉深模具。模具采用加熱棒，通過熱電偶反饋加熱溫度。沖頭、壓邊圈、拉深模分別采用1、4、8個(gè)功率為80W的加熱棒交錯(cuò)布置加熱，以保證板材受熱均勻性。

圖3 斜拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve under different temperatures for bias extension test

圖4 斜拉伸試件變形區(qū)的纖維剪切Fig.4 Fiber shear of specified deformation area

圖5 剪切角-拉伸位移關(guān)系曲線Fig.5 Shear angle-deep drawing distance curves

為兼顧成型過程中樹脂流動(dòng)均勻性同時(shí)避免起皺和回彈，通過大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)選取成型溫度130℃，沖壓速度5mm/min，可以有效保證一定的成型質(zhì)量。試驗(yàn)前給模具表面噴涂干粉脫模劑，將裁好的板材分別按照0°和45°方向定位于盒形件模具上，然后安裝壓邊圈施加壓邊力，坯料定位完成后開啟溫度控制器對(duì)模具及壓邊圈進(jìn)行加熱，檢測(cè)到溫度到達(dá)130℃后移動(dòng)沖頭，接觸板料完成沖壓成型。

圖6 中心寬度-拉伸位移關(guān)系曲線Fig.6 Center width-deep drawing distance curves

圖7 兩種熱沖壓試件Fig.7 Two specimens

圖8 盒形件熱拉深模具Fig.8 Deep-drawing die

3 盒形件板料變形機(jī)制研究

圖9為拉深至不同深度的成型試件照片。盒形件拉深過程中材料流動(dòng)受纖維織物影響明顯，表現(xiàn)為沿不同方向的流入凹模材料量不同。0°試件直邊部分材料流動(dòng)較快，圓角部分流動(dòng)相對(duì)緩慢，圓形試件逐漸被拉至類似方形；45°的試件流入凹模速度比0°緩慢，板料外廓尺寸縮減不明顯，尤其是直邊部分，拉深至一定深度試件也趨于方形，直邊部分的中間位置由于材料流速最慢形成方形件四角?？梢?，纖維方向?qū)行渭崂钪袕?fù)合材料板料變形機(jī)制起關(guān)鍵性作用。

由圖10所示的成型載荷曲線可知，兩種試件的成型載荷值均較低，都位于800N以下，然而兩種試件的載荷變化趨勢(shì)相差甚大。在相同加載條件下，45°試件發(fā)生斜向拉伸、斜向擠壓變形，纖維更易發(fā)生剪切變形，其成型載荷低于0°試件。

4 起皺與成型極限

使用工業(yè)照相機(jī)對(duì)成型過程中纖維剪切變形起皺失效部位進(jìn)行追蹤拍照并測(cè)量不同拉深深度時(shí)纖維剪切變形程度。由圖11可見，0°試件拉深至16mm時(shí)質(zhì)量良好，超過16mm后成型件將發(fā)生起皺失效，拉深深度16mm對(duì)應(yīng)的試件圓角部分剪切角值為48.1°，繼續(xù)拉深剪切角基本不再增大。此時(shí)剪切角并未達(dá)到纖維布鎖止角54.7°，這是因?yàn)樵诶钸^程中坯料在圓角部分受力較復(fù)雜，除拉深力以外還承受橫向擠壓和厚度方向上的模具壓力，會(huì)加劇纖維間的擠壓，使纖維提前進(jìn)入鎖緊狀態(tài)，剪切角在48.1°時(shí)就到達(dá)成型極限而發(fā)生起皺失效。

45°試件拉至13mm時(shí)質(zhì)量良好，在拉深深度進(jìn)一步增加時(shí)開始出現(xiàn)起皺。深度13mm時(shí)，纖維剪切程度不嚴(yán)重，剪切角僅18.8°，拉深至16mm時(shí)起皺失效試件剪切角增至31.5°。此后纖維的剪切變形將變得緩慢，被拉進(jìn)凹模的速度變快。纖維布整體彎曲同時(shí)，在模具凸緣擠壓下纖維束被拉緊，引發(fā)圓角部分褶皺，即圓角部分剪切角31.5°時(shí)就已經(jīng)達(dá)到了45°試件的成型極限。

5 成型件內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)

對(duì)拉深深度為13mm的試件內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行μ-CT掃描檢測(cè)。檢測(cè)部位為圓角部分和直邊部分的中心位置。表1給出成型件斷面圖像，可以清晰觀察到熱壓成型帶來(lái)的內(nèi)部質(zhì)量變化。

從表1可以看到，兩種成型件直邊部分截面良好、質(zhì)地均勻，未發(fā)生分層破壞。這說(shuō)明碳纖維復(fù)合材料板沿纖維0°和45°方向的彎曲成型性能都良好，對(duì)熱壓成型的適應(yīng)性較好。

圓角部分是比較容易發(fā)生起皺缺陷的部位，這一區(qū)域的成型質(zhì)量受纖維編織方向影響較大。0°試件圓角部位纖維流動(dòng)情況較好，內(nèi)部空洞較少；而45°試件內(nèi)部由于樹脂流動(dòng)較差出現(xiàn)了明顯空洞和分層缺陷，說(shuō)明纖維層間界面結(jié)合程度差，導(dǎo)致成型件的成型質(zhì)量降低和結(jié)構(gòu)性能大幅下降。

圖9 盒形件熱沖壓試件變形過程Fig.9 Deformation process of two specimens

圖10 成型載荷曲線Fig.10 Curves of stamping load

圖11 圓角部分纖維剪切角Fig.11 Shear angle of rounded portion

結(jié)論

（1）提出一種采用模具非等溫直接加熱纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材的熱沖壓成型方法，熱拉深成型了碳纖維編織樹脂基復(fù)合材料盒形件，成型抗力小、效率高、成型件表面質(zhì)量高。

（2）斜拉伸試驗(yàn)下復(fù)合材料板材內(nèi)部纖維以剪切變形為主，樹脂基體材料約束纖維剪切變形，且應(yīng)力應(yīng)變曲線隨溫度變化顯著。

（3）纖維方向?qū)行渭崂畛尚瓦^程中復(fù)合材料板料變形機(jī)制有重要影響：0°試件直邊部分樹脂材料流動(dòng)較快，圓角部分流動(dòng)較慢；45°試件樹脂流入凹模速度比0°緩慢。

（4）0°試件的成型極限較高，相比于45°試件更不容易發(fā)生起皺，且0°試件成型件的內(nèi)部質(zhì)量更佳。針對(duì)纖維編織復(fù)合材料盒形件熱沖壓成型，建議采用坯料纖維經(jīng)緯方向與模具直邊平行的放置方式。

表1 直邊部分和圓角部分的μ-CT斷面圖像

參 考 文 獻(xiàn)

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