韓 賓 ，王 宏 ，于楊惠文 ，周 濤 ，張 琦

（1.西安交通大學機械工程學院，西安 710049；2.西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710049）

隨著航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，航空航天領域?qū)ο冗M材料的輕量化、高性能、多功能及可設計性等需求不斷提升[1]。碳纖維增強復合材料（CFRP）具有密度小、比強度高、比模量大、抗沖擊性能好、可設計性強等優(yōu)點，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，碳纖維復合材料的應用能夠減輕航空航天器結構重量的30%，在提高航空航天器性能的同時，還能降低發(fā)射成本[2-4]。

目前常用的復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)成型工藝或操作復雜、成型效率低、制造成本高，或依賴于獨立的預浸過程，無法滿足航空工業(yè)對復雜型材大批量、低成本的工業(yè)化生產(chǎn)需要，一定程度限制了復合材料的大規(guī)模應用[7]。因此，亟需提出能夠高效、低成本、符合大批量生產(chǎn)的復合材料成型新工藝。

目前，部分學者針對復合材料板材熱沖壓成型技術開展了研究。Wakeman等[8]進行了碳纖維復合材料板材的熱沖壓試驗，分析了沖壓參數(shù)對成型效果的影響，研究結果表明復合材料預熱溫度和初始固結程度是影響成型效果的兩個主要因素。Alcock等[9]針對高強度復合材料板進行熱沖壓直接成型，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]研究了壓邊力對復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稱纖維剪切變形情況以及預防褶皺。

本文提出一種采用模具直接加熱纖維增強復合材料板的熱沖壓成型方法，通過直接加熱模具將復合材料板材與模具接觸區(qū)域加熱軟化，并隨著沖頭運動逐步成型。針對纖維編織復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制。

熱沖壓成型方法

碳纖維編織熱塑性復合材料板是由編織碳纖維增強體和樹脂基體復合而成。熱沖壓成型過程中，板料將會被加熱至成型溫度，基體樹脂會發(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)剪切變形來適應曲面曲率變化，與此同時受熱軟化的樹脂基體隨纖維布流動并及時填補纖維變形引入的材料空隙，從而獲得一個相對穩(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零件不同部位進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，按照設計的沖壓速率沖壓試件，冷卻固化后卸載。

碳纖維復合材料板力學性能測試

1 碳纖維復合材料板單向拉伸性能測試

本文針對雙層碳纖維編織增強PC/ABS樹脂基復合材料板，首先進行單向拉伸性能試驗測試。由于復合材料板內(nèi)增強纖維布為平紋編織，板料沿0°和90°方向力學性能相同，只需要測量一個方向即可。通過配置有溫度箱的INSTRON材料試驗機進行拉伸試驗得到各種試驗溫度下拉伸試樣的真實應力-真實應變曲線，見圖1。纖維本身性能對溫度不敏感，但樹脂處于熱成型溫度下會發(fā)生軟化，且纖維模量遠大于基體，因此不同溫度下樹脂的軟化程度對應力應變曲線并沒有明顯影響。

2 碳纖維復合材料板斜拉伸性能測試

在單向拉伸材料測試試驗基礎上，針對不同成型溫度下的復合材料板料進行斜拉伸試驗研究。圖2所示為斜拉伸試驗中板料內(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中幾何關系可以得出斜拉伸過程中纖維剪切角變化關系式：

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表示試件長度，本試驗中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應力-應變曲線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℃）下斜拉伸試驗的應力-應變曲線。拉伸至應變?yōu)?.4時，試件均未發(fā)生斷裂。對比單向拉伸試驗結果可知，試件在沿纖維θ=45°的延展性遠高于沿纖維方向，這是由于斜拉伸下板內(nèi)纖維以剪切變形為主導致。由于試驗溫度高于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發(fā)生剪切變形，因此試件的伸長率較高，且應力應變關系表現(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)照相機對130℃時試件標記線內(nèi)純剪切區(qū)域中心位置的剪切角及中心寬度進行追蹤拍攝（圖4），將得到的結果繪制成剪切角、中心寬度與拉伸位移的關系曲線，如圖5、6所示。

斜拉伸開始時，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，當纖維剪切達到一定程度后（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時剪切角達到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，說明已經(jīng)達到了板內(nèi)編織纖維的剪切鎖止角，即達到纖維剪切成型極限。此后纖維之間相互擠壓嚴重，阻止纖維編織交匯點的進一步旋轉(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針對試驗測量數(shù)據(jù)與公式（3）、（4）預測的純纖維布變形數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，復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自由地發(fā)生剪切變形，然而高彈態(tài)下的樹脂仍然對包裹其中的纖維產(chǎn)生約束作用，使斜拉伸試驗下剪切角及中心寬度變化幅度均小于純纖維剪切情況，說明高彈態(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

1 試驗件

試驗試件采用雙層3K平紋編織碳纖維布增強的PC/ABS樹脂基復合材料圓板，厚度0.55mm，外徑170mm，成型70mm×70mm方盒形件。試驗選取兩種典型的布置方式進行盒形件熱拉深，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個功率為80W的加熱棒交錯布置加熱，以保證板材受熱均勻性。

圖3 斜拉伸試驗應力-應變曲線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-拉伸位移關系曲線Fig.5 Shear angle-deep drawing distance curves

為兼顧成型過程中樹脂流動均勻性同時避免起皺和回彈，通過大量試驗，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模具及壓邊圈進行加熱，檢測到溫度到達130℃后移動沖頭，接觸板料完成沖壓成型。

圖6 中心寬度-拉伸位移關系曲線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較快，圓角部分流動相對緩慢，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?？梢姡w維方向?qū)行渭崂钪袕秃喜牧习辶献冃螜C制起關鍵性作用。

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)照相機對成型過程中纖維剪切變形起皺失效部位進行追蹤拍照并測量不同拉深深度時纖維剪切變形程度。由圖11可見，0°試件拉深至16mm時質(zhì)量良好，超過16mm后成型件將發(fā)生起皺失效，拉深深度16mm對應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。此時剪切角并未達到纖維布鎖止角54.7°，這是因為在拉深過程中坯料在圓角部分受力較復雜，除拉深力以外還承受橫向擠壓和厚度方向上的模具壓力，會加劇纖維間的擠壓，使纖維提前進入鎖緊狀態(tài)，剪切角在48.1°時就到達成型極限而發(fā)生起皺失效。

45°試件拉至13mm時質(zhì)量良好，在拉深深度進一步增加時開始出現(xiàn)起皺。深度13mm時，纖維剪切程度不嚴重，剪切角僅18.8°，拉深至16mm時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，被拉進凹模的速度變快。纖維布整體彎曲同時，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°時就已經(jīng)達到了45°試件的成型極限。

5 成型件內(nèi)部質(zhì)量檢測

對拉深深度為13mm的試件內(nèi)部質(zhì)量進行μ-CT掃描檢測。檢測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。這說明碳纖維復合材料板沿纖維0°和45°方向的彎曲成型性能都良好，對熱壓成型的適應性較好。

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情況較好，內(nèi)部空洞較少；而45°試件內(nèi)部由于樹脂流動較差出現(xiàn)了明顯空洞和分層缺陷，說明纖維層間界面結合程度差，導致成型件的成型質(zhì)量降低和結構性能大幅下降。

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

結論

（1）提出一種采用模具非等溫直接加熱纖維增強復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）斜拉伸試驗下復合材料板材內(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，且應力應變曲線隨溫度變化顯著。

（3）纖維方向?qū)行渭崂畛尚瓦^程中復合材料板料變形機制有重要影響：0°試件直邊部分樹脂材料流動較快，圓角部分流動較慢；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。針對纖維編織復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

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