朱萍玉，李永敬，孫孝鵬，李東煒

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引 言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（fiber reinforced plastic，F(xiàn)RP）是由增強(qiáng)纖維與基體材料經(jīng)過模壓等成型工藝而形成的新型復(fù)合材料，主要有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fiber reinforced plastic，CFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（glass fiber reinforced plastic，GFRP）和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（aramid fiber reinforced plastic，AFRP）等，因其優(yōu)越的物理與力學(xué)性能而在航空航天、汽車輕量化、風(fēng)力發(fā)電葉片、電磁屏蔽材料、體育器材和壓力容器方面廣受歡迎[1-2]。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件通常采用螺釘連接，如一架波音747客機(jī)需完成300多萬個連接孔的加工，制孔工序占總加工量的80%以上[3-4]。由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的各向異性，在鉆削過程中極易產(chǎn)生分層、撕裂、崩邊和毛刺等缺陷，成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)服役期的潛在危險，在飛機(jī)裝配中因與分層損傷相關(guān)而被拒的部件高達(dá)60%[5-7]。針對如何抑制缺陷的高效鉆削加工，國內(nèi)外學(xué)者在刀具設(shè)計、切削參數(shù)優(yōu)化方面開展了大量研究。Davim等[8]通過實(shí)驗(yàn)研究切削參數(shù)與CFRP鉆削分層之間的關(guān)系；Chen等[9]研究在不同切削力下復(fù)合材料的分層情況；Palanikumar等[10]借助實(shí)驗(yàn)得到的表層響應(yīng)模型對GFRP在不同切削參數(shù)情況進(jìn)行分層預(yù)測；Tsao等[11]研究了鉆頭形狀和工件支撐條件等分層的影響。相關(guān)研究中研究結(jié)論的得出均基于對制孔分層缺陷的有效檢測與科學(xué)評價。本文在簡要分析缺陷產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，對分層缺陷檢測和評價方法分別進(jìn)行闡述，并討論纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔缺陷在線監(jiān)測與評價的可行性和所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 制孔分層缺陷產(chǎn)生機(jī)理

分層是指層間應(yīng)力引起的復(fù)合材料鋪層之間的脫膠分離破壞現(xiàn)象，是制孔質(zhì)量的重要評價內(nèi)容[5-6，12]。研究表明，鉆削力是分層產(chǎn)生的主要原因，會導(dǎo)致剝離分層和推出分層，且集中在入出口處，如圖1[5，13-14]所示。

圖1 鉆削CFRP層合板時分層缺陷的類型［13-14］

在入口側(cè)，鉆頭中心的橫刃會對未切削部分材料產(chǎn)生一軸向向下的推力，同時主切削刃外側(cè)正前角部分對已切削部分材料有一垂直向上的作用力，兩者的共同作用導(dǎo)致未切削部分與已切削部分間產(chǎn)生一定的垂直應(yīng)力，從而導(dǎo)致分層的出現(xiàn)。在出口側(cè)，鉆頭前端未切削部分會逐漸變薄而導(dǎo)致承載能力下降，當(dāng)軸向推力引起的垂直應(yīng)力超過未切削部分與已切削部分間的層間結(jié)合強(qiáng)度時，會引起分層的出現(xiàn)。而且，大量的研究表明靠近出口處的層間分層缺陷較入口處更加嚴(yán)重[2，15-16]。

2 分層缺陷的檢測方法

分層缺陷發(fā)生在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)部層間，與金屬缺陷相比更為復(fù)雜，尤其當(dāng)分層較小或發(fā)生在更深的內(nèi)部時，難于觀察和識別[16-17]。目前，用來對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分層缺陷進(jìn)行檢測的方法有滲透液檢測[18]、光學(xué)檢測[8，10，19-21]、滲透 X 射線檢測[9，15，22-23]、常規(guī)超聲 C 掃描[6，15，24-26]、工業(yè) CT 檢測[6，27-28]和超聲顯微鏡檢測[16，29-30]等。盡管以上方法均可得到制孔內(nèi)部分層缺陷圖像，但檢測原理、檢測方式、處理方式和結(jié)果展示等各有側(cè)重，比較如表1所示。

表1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削分層缺陷檢測方法比較

2.1 滲透液檢測法

該檢測方法的滲透液由氯化金溶解在乙醚溶液配制而成，主要利用乙醚溶液的滲透力將氯化金滲透到孔壁內(nèi)的分層縫隙中并涂抹。待乙醚揮發(fā)后，氯化金被留在分層區(qū)域，然后逐次剝開每一鋪層，即可觀察孔邊周圍粘有金黃色氯化金的分層區(qū)。張厚江等[18]采用該方法檢測得到多向CFRP的層間分層情況，并分析各層橢圓形分層區(qū)域的長軸方向與分層程度在厚度方向的變化規(guī)律。這一檢測方法操作簡單，可得到較為真實(shí)可靠的層間分層情況。但對于單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，單層剝開困難，而且會對材料造成重大的損傷，故該方法不適用于單向纖維復(fù)合材料與實(shí)際產(chǎn)品的分層缺陷檢測，應(yīng)用較少。

2.2 光學(xué)顯微鏡檢測法

分層缺陷細(xì)微且不易觀察，可借助光學(xué)顯微鏡對材料表層的分層缺陷進(jìn)行放大檢測。如Davim等[8，19]和Palanikumar等[10]在30倍光學(xué)放大下分別觀察CRRP和GFRP的分層情況，以研究不同切削參數(shù)下分層損傷的程度和建立表面分層缺陷預(yù)測模型。另外，為了得到分層特征更加明顯的圖像，Tagliaferri等[20]在10倍放大觀察前用滲透液進(jìn)行著色，但因滲透液的擴(kuò)散作用，滲透后須在24h內(nèi)完成檢測。而Murphy等[21]則采用掃描電子顯微鏡（SEMs）在更高的倍數(shù)下觀察得到更加清晰的表層分層圖像。該檢測方法便捷經(jīng)濟(jì)，可在背光幫助下獲得更好的圖像效果，有著廣泛的應(yīng)用。但該檢測結(jié)果只能得到材料表層的分層情況，無法檢測得到制孔內(nèi)部的綜合分層或?qū)娱g分層缺陷。

2.3 X射線探傷檢測法

采用X射線透過纖維增強(qiáng)復(fù)合材料后，通過分析射線的衰減強(qiáng)度可得到內(nèi)部的分層情況，為傳統(tǒng)制孔分層缺陷檢測方法。Chen等[9]利用該方法研究CFRP的綜合分層缺陷與鉆削力之間的聯(lián)系；Durao等[15]采用該方法分析研究不同刀具與切削參數(shù)下CFRP的分層情況，其檢測與圖像處理后的結(jié)果如圖2所示。Johnson等[22]則通過該方法獲取制孔周圍的損傷情況并分析分層的產(chǎn)生、發(fā)展與抑制。另外，為提高損傷區(qū)域與未損傷區(qū)域之間的對比度，可在檢測前在孔內(nèi)滴入二碘甲烷或四溴乙烷等化學(xué)溶劑，保留擦干后再進(jìn)行射線探傷拍攝。如Silva[23]在檢測前滴入二碘甲烷從而得到對比度更高的分層檢測結(jié)果。該檢測方法比較適合厚度較小的層合板，對復(fù)合材料表面光潔度沒有嚴(yán)格要求，且得到的檢測結(jié)果直觀和分辨率高。但其處理步驟相對繁瑣，對人體有害，防護(hù)成本較高，而且得到的結(jié)果為沿復(fù)合材料厚度方向各層間分層的綜合情況，無法得到每一層間的分層情況。

圖2 射線分層缺陷檢測結(jié)果［15］

2.4 常規(guī)超聲C掃描檢測

超聲檢測是目前應(yīng)用最廣泛的一種無損檢測技術(shù)，通過分析經(jīng)過介質(zhì)和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)部的回波得到內(nèi)部的分層缺陷，其中以用耦合劑的接觸式和水浸式檢測占主導(dǎo)地位。但由于接觸式檢測效率低和無法保存檢測圖像，主要采用水浸式進(jìn)行分層缺陷檢測。宋瑤等[24]采用超聲水浸式反射板法檢測得到CFRP層合板內(nèi)部的小分層缺陷。Tsao等[6，25]同時采用水浸式超聲C掃描和工業(yè)CT檢測證明核心鋸鉆相對于傳統(tǒng)鉆頭能有效減少分層，檢測結(jié)果如圖3所示。Durao等[15]和Cai等[26]都采用該方法進(jìn)行分層評估。該方法適合厚度較大的層合板，且檢測成本低、速度快、現(xiàn)場使用較方便。但因其使用頻率較低，檢測分辨率不高，而且不能直接應(yīng)用于表面粗糙的復(fù)合材料（如CFRP等），需在液體中進(jìn)行超聲傳播。與X射線檢測一樣，得到的結(jié)果依然為分層缺陷的綜合情況，不能表示層間分層情況。

圖3 C掃描與CT檢測結(jié)果對比［6］

2.5 工業(yè)CT檢測

工業(yè)CT檢測分層缺陷是通過控制射線探測器圍繞制孔旋轉(zhuǎn)180°，采集不同角度的制孔截面X或γ射線衰減信息，然后將信息輸入計算機(jī)進(jìn)行斷層成像重建，從而得到不同深度的層間分層圖像。如Tsao等[6]和Hocheng等[27]采用西門子醫(yī)學(xué)X射線計算機(jī)斷層掃描儀Somatom AR檢測得到CFRP的分層圖像，并與超聲C掃描的檢測結(jié)果對比，如圖3所示。Kourra等[28]通過該檢測方式分析CFRP每層層間分層缺陷的圓度與分布，并重建得到制孔的內(nèi)壁缺陷描述模型，如圖4所示，其凸出特征為制孔孔壁缺陷。該方法得到的檢測結(jié)果直觀和分辨率高，且可得到不同深度的層間分層缺陷，能更好地評估缺陷與分析分層缺陷產(chǎn)生的機(jī)理。但當(dāng)分層缺陷或裂縫細(xì)小時，射線的信號變化不大以至于比較難以檢測，而且其設(shè)備成本很高，經(jīng)濟(jì)性較低。

圖4 制孔內(nèi)壁缺陷描述模型［28］

2.6 超聲顯微鏡檢測

超聲顯微鏡采用時間門電路技術(shù)，通過設(shè)置定量的時間差檢測得到纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)部不同深度的超聲C掃描圖像[29]。魏瑩瑩等[16]和張厚江等[30]采用高頻超聲掃描顯微鏡進(jìn)行CFRP層間分層缺陷檢測，不同層間的分層缺陷檢測結(jié)果如圖5所示。由于CFRP的表面紋路對超聲波有很強(qiáng)的散射作用，張厚江等提出在檢測前對CFRP表面打磨后可以獲得更好的檢測結(jié)果。該方法相對傳統(tǒng)的超聲檢測，采用的超聲頻率更高，從而檢測的靈敏度和檢測分辨率更高，最高可達(dá)顯微級別。但高頻超聲波在復(fù)合材料內(nèi)部的能量衰減嚴(yán)重，極大限制了可檢測的深度。魏瑩瑩等[16]在8層CFRP分層缺陷檢測的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超聲到達(dá)第6層時穿透力開始不足，導(dǎo)致分辨率下降，只能得到前5層高分辨率圖像。與同樣可檢測層間缺陷的工業(yè)CT檢測方法相比，該檢測方法的成本更低，靈敏度高，為以后分層缺陷檢測研究發(fā)展的重要方向。

圖5 多層分層缺陷的SAM檢測結(jié)果［16］

表2 不同的分層評價因子

3 分層缺陷定量評價

通過不同方法獲得的制孔分層缺陷，主要以圖像形式表達(dá)，成為對分層缺陷定量評價的原始依據(jù)，至今沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。不同的學(xué)者采用各種評價因子，以對分層缺陷進(jìn)行科學(xué)合理的評價。幾種典型的分層評估因子方法如表2所示。

3.1 一維直徑分層因子Fd

Chen等[9]最早提出采用最大分層直徑與孔的公稱直徑的比值作為分層缺陷的評估因子Fd，其表達(dá)式為

式中：Dmax——最大分層直徑；

D0——孔的公稱直徑。

該評估因子測量簡單，為目前最常用的一種方法[31]。但該評估方法沒有考慮分層面積的影響，在最大分層直徑相近，且分層面積差異較大的情況下不適用。如圖6所示，兩圖的最大分層直徑相等而Fd相同，但圖6（a）只在單方向發(fā)生嚴(yán)重的分層剝離，相對右圖的分層面積小很多，分層程度明顯小于圖6（b）。

圖6 Fd相等時的不適宜情況［32］

3.2 二維面積分層因子Fa

Faraz等[33]考慮分層面積的影響，將分層的實(shí)際面積與孔的公稱面積的比值作為分層評價的標(biāo)準(zhǔn)Fa，其表達(dá)式為

式中：Ad——實(shí)際分層面積；

Anom——孔的公稱面積。

圖7 Fa相等時的不適宜情況［34］

該方法相對Fd可更好地評估分層的程度，但同樣存在不足。因?yàn)樵摲椒]有考慮裂痕長度的影響，在實(shí)際分層面積相近而最大分層直徑相差較大的情況下評估效果不好。如圖7（a）和圖7（b）因具有相同的分層面積，評估因子Fa相等，但圖7（a）在各個方向的裂痕長度相近，而圖7（b）在某一方向的裂痕長度明顯較大，分層缺陷更為嚴(yán)重。

3.3 調(diào)整分層因子Fda

Davim等[5，35-36]同時考慮最大分層直徑和分層面積的影響，基于圖像處理技術(shù)提出調(diào)整分層因子Fda，其表達(dá)式為

式中：Amax——最大分層直徑對應(yīng)面積；

Dmax——最大分層直徑；

α、β——兩部分的權(quán)重，其中β為實(shí)際分層面積Ad與（Amax-A0）的比值，α=1-β。

因此，式（3）可改寫成：

從式（4）可知，分層面積Ad的兩種極端情況，如圖 8（a）和圖 8（c）所示，F(xiàn)da分別為Fd和Fd2，所以該值始終在Fd～Fd2的范圍內(nèi)。該方法因同時考慮最大分層直徑和實(shí)際分層面積的影響，評估效果比單獨(dú)使用Fd和Fa要好。但該方法也存在沒考慮的情況，如圖8（b）相對圖8（a）具有更多長度相同的細(xì)小裂痕，但因?yàn)榧?xì)小裂痕對面積的貢獻(xiàn)小，所以兩圖具有相近的分層因子Fda。 但在實(shí)際中，圖 8（b）相對圖 8（a）潛在危險大很多，應(yīng)該判斷為更大的分層缺陷。

圖8 Fda相等時的不適宜情況［34］

3.4 等價分層因子Fed

從式（4）可以看出，F(xiàn)da始終比Fd大，有擴(kuò)大分層因子的趨勢。而且在兩種極端情況下Fda分別等于Fd和Fd2，不能直觀得到與Fd之間的聯(lián)系。因此，Tsao等[25]提出等價分層因子Fed，將實(shí)際分層面積等價為相應(yīng)的直徑，其表達(dá)式為

上式中：

式中：De——等價直徑；

D0——孔的公稱直徑；

Ad——實(shí)際分層面積；

A0——孔的公稱面積。

該方法主要考慮實(shí)際分層面積的影響，取值的范圍為0～Fd，但該方法沒有考慮最大分層直徑和細(xì)小裂痕數(shù)量的影響。在圖9中，兩圖具有相同的分層面積而分層因子Fd相等，但圖9（a）在各個方向的面積分布均勻，而圖9（b）在各個方向的分布不規(guī)則，長度較大的小裂痕損傷數(shù)量更多，損傷的程度應(yīng)大于圖 9（a）。

圖9 Fed相等時的不適宜情況［34］

3.5 分層因子FDR

Nagarajan等[37]基于π定理提出分層因子FDR，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對分層區(qū)域的嚴(yán)重程度進(jìn)行評估后，得到實(shí)際損傷里嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)域（AH）、中級損傷區(qū)域（AM）和低損傷區(qū)域（AL）3類損傷的評估值，其表達(dá)式為

式中：D0——孔的公稱直徑；

A0——孔的公稱面積。

該評估因子充分考慮所有損傷區(qū)域的評估情況，可得到優(yōu)于其他分層因子的結(jié)果。但該方法需要更多的樣本訓(xùn)練以完善檢測模型，評估的過程較為復(fù)雜。目前Nagarajan等[37]只在鉆速為1400r/min的情況證明該因子的優(yōu)越性，因此需要更多的樣本實(shí)驗(yàn)來證明該分層因子的優(yōu)越性。

3.6 圓度分層因子f

Durao等[15]認(rèn)為應(yīng)考慮損傷區(qū)域的形狀，并將損傷區(qū)域的圓相似度f作為評估的方式，其表達(dá)式為

式中：Ae——孔周圍分層區(qū)域的面積；

p——該面積區(qū)域的周長。

當(dāng)分層區(qū)域?yàn)閳A形、方形和菱形時，f分別為1、0.79和0.63。但經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法無法直接表示分層與鉆削力之間的聯(lián)系。因此，該方法并不是一種獨(dú)立有效的評價方式，但可作為其他分層因子的度量因素之一，具有一定的參考意義。

3.7 三維分層因子FV

以上分層因子都是基于二維檢測結(jié)果的評估，針對工業(yè)CT和超聲顯微鏡等檢測方式，魏瑩瑩等[16]提出一種基于三維分層體積的評估方法FV，其表達(dá)式為

該分層因子將二維分層因子擴(kuò)展到多層材料的情況，能夠更全面、準(zhǔn)確地對多層材料分層材料內(nèi)的分層缺陷進(jìn)行評估。這里提出i層分層因子采用二維面積分層因子Fa，可擴(kuò)展至使用其他的二維分層因子，如Fd、Fda和Fed等。

4 結(jié)束語

上述方法均為制孔后分層缺陷的檢測與評估，而實(shí)時在線檢測可在檢測的同時指導(dǎo)切削參數(shù)的改進(jìn)，更有助于提高制孔的質(zhì)量與效率。目前，軸向力的增大將導(dǎo)致鉆孔分層缺陷加劇是較為公認(rèn)的結(jié)論[38-40]。因此，鉆削過程的實(shí)時檢測可通過鉆削過程的軸向力和力波進(jìn)行分析判斷[7，41-42]。但更為深入的研究發(fā)現(xiàn)，采用不同頂角的鉆尖對GFRP[43-44]和CFRP[45-46]進(jìn)行高速鉆削時，即使采用高進(jìn)給速率，也會導(dǎo)致小頂角鉆尖的鉆頭鉆削分層缺陷輕。故此，引發(fā)分層缺陷的影響因素以及與之明確的量化關(guān)系仍有待進(jìn)一步研究明確。而且近年來碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鋁、鈦等具有不同強(qiáng)度的金屬材料疊加使用，更增加了無缺陷鉆孔實(shí)時監(jiān)測的難度。因此，如何有效實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削過程的實(shí)時檢測與評價依然是該領(lǐng)域研究的一個難點(diǎn)與熱點(diǎn)，而分層缺陷的檢測與量化評估更是進(jìn)行實(shí)時在線缺陷檢測與評價研究的基礎(chǔ)。

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