連續(xù)玻纖增強(qiáng)聚丙烯正交單向?qū)雍习鍩釠_壓成形工藝

郭巍，趙豐，毛華杰，閆宏旭，鄧景文

(1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070； 2.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070；3.武漢理工大學(xué)先進(jìn)材料制造裝備與技術(shù)研究院，武漢 430070； 4.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，武漢 430070；5.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070)

隨著能源和污染問題日益嚴(yán)峻，汽車輕量化成為21世紀(jì)汽車工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。采用質(zhì)輕而比強(qiáng)度高的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料是目前汽車實(shí)現(xiàn)輕量化的有效途徑之一[1]。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)體按長度及形狀可分為長纖維、短纖維、纖維布、纖維氈等幾大類[2]。連續(xù)纖維增強(qiáng)是長纖維強(qiáng)化的一種，連續(xù)纖維在復(fù)合材料中充分發(fā)揮了其增強(qiáng)作用，極大提高了制件強(qiáng)度[3]。樹脂基體按照其性質(zhì)則可以分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂[4]。其中，熱固性樹脂基復(fù)合材料存在如預(yù)浸料存儲成本高、成型周期長、難以回收等缺點(diǎn)[5]，而連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的韌性優(yōu)于熱固性復(fù)合材料，同時(shí)具有加工成型周期短、制造成本低，特別是其可回收利用的優(yōu)點(diǎn)[6]，使其成為了國內(nèi)外學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。

目前，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的復(fù)雜制件的成型方式有纏繞成型、拉擠成型、真空模塑成型和模壓成型等。熱沖壓工藝具有一次成形、適合大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)[7]，將其用于連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料半制成品(如板材)的二次成形具有高效率、低成本、易于機(jī)械自動化的優(yōu)勢。

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料一般為層狀的各向異性材料，在沖壓過程中復(fù)合材料板材的成形行為與金屬板材的差別較大[8]，目前對復(fù)合材料沖壓成形的研究還處于初級階段。張衡等[9]對碳纖維編織復(fù)合材料熱沖壓成形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)仿真模擬，提出了一種熱塑性樹脂基體與碳纖維織物的疊層模型，表征了成形溫度、壓邊力和纖維取向?qū)?fù)合材料成形缺陷的影響。李林秀[10]以碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合材料為研究對象，探究了熱沖壓成形過程中成形溫度、速度等工藝參數(shù)對材料性能的影響及規(guī)律，進(jìn)一步建立了產(chǎn)品褶皺缺陷預(yù)測模型，并驗(yàn)證了模型的有效性。李宏福等[11]利用熱沖壓成形技術(shù)制備了尼龍6／碳纖維復(fù)合材料矩形盒體，探索了其最佳預(yù)熱溫度及模具溫度。M. Hou[12]就模具形狀、原始坯料尺寸等對連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺復(fù)合材料熱沖壓成形過程中剪切屈曲的影響進(jìn)行了研究，作者所在團(tuán)隊(duì)之后又采用針床模具成形了具有復(fù)雜曲面的連續(xù)纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料制件，驗(yàn)證了針床模具用于成形此類材料的可行性[13]。Sun Guangyong等[14]在不同溫度下熱沖壓制備聚丙烯／碳纖維平織復(fù)合層壓板，通過顯微鏡和掃描電子顯微鏡對其介觀性能進(jìn)行了表征，探究了成形溫度對材料介觀和宏觀性能的影響。E. Guzman-Maldonado等[15]對復(fù)合材料的熱沖壓成形進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，復(fù)合材料的力學(xué)性能很大程度上取決于成形溫度。M. Okayasu等[16]用碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料板材熱沖壓成形帽形制件，探究了熱沖壓溫度和保溫時(shí)間對制件成形質(zhì)量的影響。

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料熱沖壓成形過程中，樹脂流動對其成形性具有重要的影響。筆者依據(jù)連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料(PP／CGF)單向?qū)雍习宓陌肭蛐螣釠_壓成形實(shí)驗(yàn)，結(jié)合顯微觀察的手段，就復(fù)合材料單向?qū)雍习鍩釠_壓成形中的重要工藝參數(shù)——預(yù)熱溫度和沖壓速度對所需沖壓力、制件厚度分布、制件宏觀形貌和微觀形貌的影響進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對于連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料單向?qū)雍习暹M(jìn)行半球形熱沖壓成形的工藝參數(shù)選擇和質(zhì)量控制具有一定的參考價(jià)值，對于連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的大規(guī)模使用具有積極的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

PP／CGF層合板：3層[0°／90°／0°]，厚度約為0.88 mm，密度為(1.5±0.03) g／cm3，纖維體積分?jǐn)?shù)為60%，浙江勝鋼新材料有限公司；

環(huán)氧樹脂AB膠：BY0101，廣東金相檢測技術(shù)有限公司；

氧化鋁拋光液：A90611，廣東金相檢測技術(shù)有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

萬能試驗(yàn)機(jī)：CMT5205型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司；

溫控儀：REX–C100型，浙江源煌電氣科技有限公司；

金剛石砂輪機(jī)：S1M–FF03–100A型，江蘇東成機(jī)電工具有限公司；

研磨拋光機(jī)：MP–2B型，萊州蔚儀試驗(yàn)器械制造有限公司；

光學(xué)顯微鏡：Scope A1型，ZEISS光學(xué)(中國)有限公司。

1.3 試樣制備

(1)熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)。

熱沖壓成形設(shè)備為萬能試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示。熱沖壓成形模具主要包括凸模、壓邊圈、凹模和起支承導(dǎo)向作用的支撐板，模具材料為45鋼，如圖2所示。凸模為直徑60 mm的半球形；壓邊圈直徑180 mm，凹模深度60 mm，模具單邊間隙3 mm。為降低模具與裝夾部件接觸造成的熱量損失，模具下模座與模具支承板間安裝有隔熱石棉板。

圖1 熱沖壓成形設(shè)備

圖2 熱沖壓成形模具示意圖

模具加熱方式采用單頭加熱管。在模具凸模、壓邊圈和凹模分別加工5，8，16個(gè)圓孔以放置加熱管。分別安裝熱電偶進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過溫控儀控制加熱管對溫度進(jìn)行恒定控制。

(2)制件制備。

將層合板剪成直徑77 mm的圓形坯料，清理模具并在其表面均勻涂抹脫模劑，在溫控儀上設(shè)置預(yù)熱溫度以及在萬能試驗(yàn)機(jī)上設(shè)置沖壓行程與沖壓速度。到達(dá)設(shè)定溫度后保溫5 min，隨后凸模以一定速度下行至設(shè)定位置，待冷卻后開模取件。

實(shí) 驗(yàn) 中 沖 壓 速 度 選 取 為50，100，150，200，250 mm／min，沖壓深度為30 mm，沖壓實(shí)驗(yàn)的預(yù)熱溫度為180，200，220℃。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

(1)厚度測量。

在制件球形區(qū)半徑方向均勻取7個(gè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，并用卡鉗表測量各點(diǎn)厚度，如圖3所示。其中點(diǎn)1為制件極點(diǎn)區(qū)域，點(diǎn)4為制件腰部區(qū)域，點(diǎn)7為制件邊沿區(qū)域。

圖3 制件厚度測位點(diǎn)

(2)顯微觀測。

用金剛石砂輪機(jī)在制件球形區(qū)半徑方向按順序進(jìn)行取樣，使用切片夾固定試樣，在硅膠軟膜中用環(huán)氧樹脂AB膠進(jìn)行冷鑲嵌。固化完成后，對試樣進(jìn)行打磨及拋光處理。在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察和拍照，并對照片按取樣順序進(jìn)行拼合，對制件1／4截面微觀形貌進(jìn)行觀測。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同預(yù)熱溫度下沖壓速度對所需沖壓力的影響

圖4為不同預(yù)熱溫度、沖壓速度的沖壓力曲線。

圖4 不同預(yù)熱溫度、沖壓速度的沖壓力曲線

由圖4可以看出，制件在熱沖壓成形過程中，體現(xiàn)出明顯的沖壓力隨著沖壓速度增大而增大的現(xiàn)象。當(dāng)沖壓行程超過10 mm時(shí)，沖壓力曲線的斜率明顯增大。在不同的預(yù)熱溫度下，沖壓力曲線總體變化的趨勢相似。但是，在預(yù)熱溫度180℃下，沖壓速度超過100 mm／min時(shí)，沖壓力的變化趨于穩(wěn)定，并未出現(xiàn)跨越式的增大；預(yù)熱溫度200℃時(shí)，沖壓速度超過150 mm／min，沖壓力的變化趨于穩(wěn)定；預(yù)熱溫度220℃時(shí)，沖壓速度超過200 mm／min，沖壓力的變化趨于穩(wěn)定。

圖5為不同預(yù)熱溫度下制件最大沖壓力隨沖壓速度變化曲線。

圖5 不同預(yù)熱溫度下制件最大沖壓力隨沖壓速度變化曲線

由圖5可以看出，在同一沖壓速度下，隨著預(yù)熱溫度的提高，復(fù)合材料中樹脂的黏度降低，成形相同深度制件時(shí)所需的最大沖壓力也隨之降低。在相同預(yù)熱溫度下，沖壓速度越大，成形30 mm深度制件的最大沖壓力越大。當(dāng)沖壓速度從50 mm／min提高至250 mm／min的過程中，180，200，220℃預(yù)熱溫度條件下所需的最大沖壓力分別提高了60.1%，116.0%和159.9%。

2.2 不同預(yù)熱溫度下沖壓速度對制件厚度的影響

圖6為不同預(yù)熱溫度和不同沖壓速度下制件厚度變化曲線。

由圖6可以看出，在相同預(yù)熱溫度下，隨著沖壓速度的增大，制件的厚度有一定程度的增大。制件的最厚處為測量點(diǎn)6，即制件的邊緣區(qū)域；制件的最薄處為測量點(diǎn)1，即制件的極點(diǎn)區(qū)域。制件在半徑方向的厚度分布上總體呈現(xiàn)出薄–厚–薄的特點(diǎn)，較高沖壓速度所得制件在厚度分布上呈現(xiàn)出相對更好的均勻性。

圖6 不同預(yù)熱溫度和沖壓速度下制件厚度變化曲線

圖7為不同預(yù)熱溫度及不同沖壓速度下制件不同區(qū)域厚度變化曲線。

由圖7可以看出，制件各厚度測點(diǎn)與沖壓速度依賴關(guān)系最明顯的區(qū)域?yàn)闃O點(diǎn)位置，呈正相關(guān)。制件腰部與邊沿區(qū)域的厚度與沖壓速度沒有體現(xiàn)出較為明顯的影響關(guān)系，其原因可能是制件腰部與邊沿樹脂的流動轉(zhuǎn)移較為復(fù)雜，且該區(qū)域并未與模具接觸。

圖7 不同預(yù)熱溫度下不同制件區(qū)域厚度隨沖壓速度變化曲線

圖8為制件在不同預(yù)熱溫度和不同沖壓速度下最厚與最薄處厚度差。

由圖8可以看出，在相同的沖壓速度下，預(yù)熱溫度為200℃時(shí)，制件的厚度差最小。在相同的預(yù)熱溫度下，當(dāng)沖壓速度小于200 mm／min時(shí)，隨著沖壓速度的增大，制件的厚度差值逐漸減小。當(dāng)預(yù)熱溫度為180℃及200℃時(shí)，隨著沖壓速度的增加，制件的厚度差值逐漸減小，制件在厚度上體現(xiàn)了更好的均勻性；在預(yù)熱溫度220℃條件下，當(dāng)沖壓速度小于200 mm／min時(shí)，隨著沖壓速度的增加，制件的厚度差值逐漸減小；當(dāng)沖壓速度大于200 mm／min時(shí)，隨著沖壓速度的增加，制件的厚度差值增大，但只增大了0.0125 mm。

圖8 不同預(yù)熱溫度、沖壓速度下制件最厚與最薄處厚度差

2.3 不同預(yù)熱溫度下沖壓速度對制件宏觀形貌的影響

連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料層合板半球形沖壓成形制件的主要缺陷為拉裂、起皺、脫層與纖維裸露等。在半球形制件沖壓過程中沖壓速度、預(yù)熱溫度與制件的缺陷、表面質(zhì)量有密切聯(lián)系。

圖9為不同預(yù)熱溫度、沖壓速度下的制件宏觀形貌。由圖9所示，預(yù)熱溫度為180℃時(shí)，制件從腰部附近向邊沿方向出現(xiàn)一定的起皺現(xiàn)象，隨著沖壓速度的提高，尤其當(dāng)沖壓速度超過150 mm／min時(shí)，制件腰部至邊沿區(qū)域之間的起皺現(xiàn)象變得非常明顯。預(yù)熱溫度為200℃時(shí)，制件中的纖維存在輕微的分布不均，但沒有明顯的起皺現(xiàn)象發(fā)生，隨著沖壓速度的增大，制件開始出現(xiàn)成形缺陷，當(dāng)沖壓速度為250 mm／min時(shí)，制件腰部至邊沿區(qū)域之間也出現(xiàn)明顯的起皺現(xiàn)象。預(yù)熱溫度為220℃時(shí)，當(dāng)沖壓速度位于150，200 mm／min時(shí)，制件的表面質(zhì)量良好，尤其是制件極點(diǎn)區(qū)域的表面質(zhì)量得到進(jìn)一步改善，但是沖壓速度為50，100 mm／min時(shí)，制件的腰部至邊沿附近區(qū)域起皺明顯，隨著沖壓速度的提高，起皺現(xiàn)象得到改善，但是沖壓速度為250 mm／min時(shí)，也出現(xiàn)了一定的起皺缺陷。由此可以看出，提高預(yù)熱溫度可改善制件的表面質(zhì)量，但沖壓速度需在一定的范圍內(nèi)，否則會造成制件的成形缺陷，尤其在制件的腰部至邊沿附近區(qū)域。本實(shí)驗(yàn)條件下，結(jié)合制件的厚度均勻性，預(yù)熱溫度推薦為200℃左右，沖壓速度推薦為150 mm／min。

圖9 不同預(yù)熱溫度、沖壓速度下的制件宏觀形貌

圖10為制件與模具接觸情況示意圖。由圖10可知，制件產(chǎn)生成形缺陷的位置為制件腰部區(qū)域和邊沿區(qū)域之間，這與圖9相對應(yīng)。該區(qū)域外層受到凹模圓角的擠壓力，內(nèi)層未與模具接觸。在凸模產(chǎn)生的牽引力的作用下，該區(qū)域復(fù)合材料對樹脂的保持能力下降，制件的內(nèi)外層均易于出現(xiàn)成形缺陷。對于復(fù)合材料熱沖壓工藝，沖壓過程中，制件與模具充分接觸，可提高復(fù)合材料對樹脂的保持能力，改善成形質(zhì)量。

圖10 制件與模具接觸情況示意圖

2.4 沖壓速度對制件微觀形貌的影響

制件在高溫沖壓過程中，制件內(nèi)部的樹脂流動對其成形質(zhì)量造成較大影響。為得到對制件較為全面的質(zhì)量評價(jià)，選取在200℃的預(yù)熱溫度條件下，以100 mm／min和50 mm／min的速度沖壓成形，采用光學(xué)顯微鏡對制件1／4截面微觀形貌進(jìn)行了觀察，借助圖像處理軟件對拍攝結(jié)果進(jìn)行了拼合，結(jié)果如圖11所示。圖11中，不同沖壓速度的制件按照沖壓后厚度的變化可以劃分為三個(gè)區(qū)域，厚度不變區(qū)A、增厚區(qū)B以及減薄區(qū)C。厚度不變區(qū)位于腰部至極點(diǎn)之間，增厚區(qū)位于腰部至邊沿附近之間，減薄區(qū)位于制件邊沿。減薄區(qū)由于壓邊圈的擠壓導(dǎo)致該區(qū)域樹脂流失。增厚區(qū)未與模具接觸，制件沖壓過程中，制件腰部區(qū)域及邊沿區(qū)域的樹脂流向該區(qū)域，增厚區(qū)為制件易發(fā)生缺陷的區(qū)域。由圖11看出，沖壓速度由100 mm／min提升至150 mm／min，增厚區(qū)變大，由此可以推斷繼續(xù)提高沖壓速度，增厚區(qū)將進(jìn)一步變大，而這會使制件更易于產(chǎn)生成形缺陷。另外，在沖壓速度150 mm／min下，制件增厚區(qū)的厚度均勻性相對沖壓速度100 mm／min較好，表明沖壓速度為150 mm／min時(shí)，制件可以獲得較好的成形質(zhì)量。

圖11 不同速度制件1／4截面微觀形貌

3 結(jié)論

通過半球形熱沖壓實(shí)驗(yàn)研究了連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯單向?qū)雍习宓臒釠_壓成形性能，主要得到如下結(jié)論：

(1)應(yīng)用熱沖壓工藝能夠得到高質(zhì)量的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料單向?qū)雍习鍥_壓成形制件，制件的最大沖壓力隨著預(yù)熱溫度的升高而降低，隨沖壓速度的增大而增大。

(2)制件在半徑方向的厚度分布上總體呈現(xiàn)出薄–厚–薄的特點(diǎn)。在相同的沖壓速度下，預(yù)熱200℃時(shí)，所得制件的厚度差最小。在相同的預(yù)熱溫度下，當(dāng)沖壓速度小于200 mm／min時(shí)，隨著沖壓速度的增大，所得制件的厚度差值逐漸減小。

(3)本實(shí)驗(yàn)條件下，預(yù)熱溫度200℃左右，沖壓速度150 mm／min左右時(shí)，可得到較好成形質(zhì)量的厚度較為均勻的制件。成形過程中，未與模具接觸的制件腰部至邊沿區(qū)域的復(fù)合材料對樹脂的保持能力下降，往往伴隨著成形缺陷。