文/張琦，高強(qiáng)，蔡進(jìn)，趙升噸·西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

碳纖維復(fù)合材料板材熱沖壓成形試驗(yàn)研究

文/張琦，高強(qiáng)，蔡進(jìn)，趙升噸·西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

碳纖維復(fù)合材料由碳纖維增強(qiáng)體和基體樹(shù)脂復(fù)合而成，按照應(yīng)用性質(zhì)可分為功能復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)復(fù)合材料兩種。其中，結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料為各種纖維或者顆粒等材料，在復(fù)合材料中起主要作用，提供剛度和強(qiáng)度的作用?；w可以是金屬或者非金屬等，在復(fù)合材料中起配合作用，支持和固定纖維材料，傳遞纖維間的載荷，保護(hù)纖維，防止磨損或腐蝕。碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱碳纖維復(fù)合材料），屬于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、比模量大、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)良特性，因此廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車制造、體育運(yùn)動(dòng)、建筑補(bǔ)強(qiáng)等領(lǐng)域。

圖1 復(fù)合材料汽車零件

輕量化和節(jié)能是當(dāng)今世界汽車工業(yè)發(fā)展的主題。其中，材質(zhì)輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化是汽車輕量化設(shè)計(jì)的兩種主要途徑，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料有助于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高燃油效率。一般復(fù)合材料的比重不會(huì)超過(guò)2.0，約是鋼比重的1/4，而比強(qiáng)度卻比鋼材提高4倍，因此備受汽車工業(yè)發(fā)展的關(guān)注。復(fù)合材料在應(yīng)用結(jié)構(gòu)上從局部零件到全面組件，并向高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向發(fā)展。復(fù)合材料在應(yīng)用部位上，從非承力結(jié)構(gòu)到次承力結(jié)構(gòu)，并向主承力結(jié)構(gòu)發(fā)展。復(fù)合材料作為汽車結(jié)構(gòu)件可替代鐵和鋁，不僅可以減輕重量、節(jié)省能源，而且具有耐腐蝕的優(yōu)勢(shì)。早期的F1賽車車身和車架就開(kāi)始使用碳纖維復(fù)合材料，如今碳纖維復(fù)合材料用量占F1車身體積最大可達(dá)85％，而質(zhì)量比重不到30％，且氣動(dòng)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。奧迪R8 Spyder車頂行李箱的兩邊及頂部均采用了碳纖維復(fù)合材料，BMW公司設(shè)計(jì)的Z-19，Z-22采用碳纖維復(fù)合材料作為車身結(jié)構(gòu)，X5采用一體式碳纖維結(jié)構(gòu)，引擎蓋、車頂和后車尾門也使用同樣的材質(zhì)，使得整體車身重量大約減輕了200kg左右。除此之外，如圖1、2、3所示，碳纖維復(fù)合材料可用于汽車輪轂、齒輪箱及其他一些汽車零件。碳纖維復(fù)合材料輪轂相比合金輪轂輕40％左右，相對(duì)傳統(tǒng)齒輪箱碳纖維復(fù)合材料齒輪箱的質(zhì)量大大減輕，剛度提高25％，且能夠在高溫腐蝕等惡劣環(huán)境下安全運(yùn)行。

圖2 碳纖維輪轂

圖3 碳纖維齒輪箱

然而，由于目前的一些復(fù)合材料成形方法，如手糊成形、拉擠成形、模壓成形、熱壓罐成形等，操作復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、設(shè)備造價(jià)昂貴，不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)化需求。不僅如此，碳纖維造價(jià)昂貴，我國(guó)的碳纖維材料長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，國(guó)外對(duì)出口中國(guó)的碳纖維材料實(shí)施技術(shù)壟斷，極大地限制了碳纖維復(fù)合材料在民用行業(yè)方面的應(yīng)用。近些年，隨著碳纖維材料國(guó)產(chǎn)化，制造工藝日漸成熟，成本也在不斷下降，使得碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于民用行業(yè)成為可能。而且，國(guó)外已經(jīng)在一些新能源汽車和概念車中大量采用了碳纖維復(fù)合材料。為響應(yīng)國(guó)家對(duì)制造業(yè)節(jié)能減排和結(jié)構(gòu)輕量化的長(zhǎng)期要求，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，推進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用，亟需提出一種能夠高效、低成本、符合大批量生產(chǎn)的復(fù)合材料成形新方法。

熱沖壓成形

以碳纖維復(fù)合材料為代表的復(fù)合材料是21世紀(jì)最有前途的新型材料之一，針對(duì)復(fù)合材料成形的研究是當(dāng)前復(fù)合材料應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。鑒于碳纖維復(fù)合材料殼體件在傳統(tǒng)工業(yè)，特別是汽車制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，近些年國(guó)內(nèi)外一些研究者通過(guò)試驗(yàn)研究和理論分析等方法，探索纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的熱沖壓成形性能和變形行為。但作為一種高效快捷的復(fù)合材料成形方法，國(guó)內(nèi)外在復(fù)合材料板材熱沖壓成形領(lǐng)域的研究均處于初期階段。Cabrera等人進(jìn)行了聚丙烯復(fù)合材料板的熱沖壓成形研究，成形復(fù)合材料球面件和汽車模型，發(fā)現(xiàn)剪切變形是成形過(guò)程中的主要變形機(jī)制，該研究證實(shí)了對(duì)復(fù)合材料層壓板熱沖壓成形復(fù)雜幾何的可能性，溫度和壓力是復(fù)合材料板成形的主要影響因素，并且熱沖壓成形更加節(jié)省能源。M.Hou通過(guò)接觸傳熱將玻纖增強(qiáng)聚丙烯預(yù)浸料在兩塊加熱板間加熱至180℃，然后迅速轉(zhuǎn)移至沖壓模具之間進(jìn)行沖壓并固化。整個(gè)操作過(guò)程可在2min內(nèi)完成，M.Hou進(jìn)行了熱沖壓試驗(yàn)研究，研究表明沖壓溫度、沖壓速度、壓邊力對(duì)沖壓試件起皺有直接影響，適當(dāng)?shù)臎_壓溫度和沖壓速度可提高試件表面質(zhì)量，合理的壓邊力有助于消除曲皺。B.Zhu等制作出斜圓錐形的沖壓模具進(jìn)行混合玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的熱沖壓試驗(yàn)，并通過(guò)導(dǎo)電纖維傳感器測(cè)量試件應(yīng)變，研究發(fā)現(xiàn)模具形狀與試件初始纖維分布共同作用影響材料的成形性能。

溫度作為熱沖壓成形的一個(gè)重要因素也吸引了眾多的研究目光。Lussier通過(guò)試驗(yàn)研究玻纖/聚丙烯混合編織物的熱沖壓過(guò)程中不同區(qū)域的溫度變化。測(cè)量表明，沖壓過(guò)程中板材與沖壓模具接觸區(qū)域溫度迅速下降至模具表面溫度，導(dǎo)致材料粘度增大，易出現(xiàn)皺曲或撕裂現(xiàn)象。Boucher DT通過(guò)熱沖壓試驗(yàn)研究沖壓溫度對(duì)試件彎曲性能的影響，結(jié)果表明為降低樹(shù)脂粘度，使其完全浸漬纖維，沖壓溫度應(yīng)高于樹(shù)脂基體的結(jié)晶溫度。

相對(duì)傳統(tǒng)復(fù)合材料成形方法，上述熱沖壓成形效率明顯提高，但是成形中均需要將復(fù)合材料板置于一個(gè)外部加熱箱均勻加熱到指定溫度，工件不易定位，操作過(guò)程比較復(fù)雜，能耗大、且成形控制要求較高。為了進(jìn)一步發(fā)揮沖壓成形的優(yōu)勢(shì)，本文提出了一種通過(guò)非等溫加熱模具接觸傳熱將復(fù)合材料板與模具接觸區(qū)域加熱軟化，并隨著沖頭運(yùn)動(dòng)逐步成形的復(fù)合材料件成形新方法，該成形方法是指借助基體樹(shù)脂在一定溫度下軟化的特點(diǎn)進(jìn)行的，將復(fù)合材料加熱軟化，并沖壓成形。成形過(guò)程中材料待變形區(qū)域被加熱軟化以提高材料的局部流動(dòng)性，降低成形難度，如圖4所示為非等溫模具熱沖壓成形過(guò)程。通過(guò)熱沖壓可成形復(fù)合材料殼體件，具有一次成形、結(jié)構(gòu)性能好、適合大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。首先，通過(guò)加熱棒局部加熱沖頭和模具，使沖頭和模具達(dá)到設(shè)定溫度。然后試驗(yàn)機(jī)帶動(dòng)沖頭靠近并接觸工件，通過(guò)接觸傳熱加熱工件變形區(qū)域到設(shè)定溫度，并逐步移動(dòng)沖頭沖壓成形工件。最后，冷卻卸載。非等溫模具熱沖壓中，采用模具局部加熱來(lái)確保工件的不同部位達(dá)到不同的成形溫度。

彎曲和拉深是熱沖壓成形過(guò)程中的兩種典型工藝，研究時(shí)常常將板材的彎曲和拉深性能作為評(píng)判成形性能的標(biāo)準(zhǔn)。本文針對(duì)復(fù)合材料板材熱沖壓成形過(guò)程中的彎曲和拉深工藝，進(jìn)行典型V形彎曲件和球面形復(fù)合材料件成形過(guò)程試驗(yàn)研究，分析成形參數(shù)對(duì)熱沖壓過(guò)程的影響。

圖4 非等溫模具熱沖壓過(guò)程

圖5 熱彎曲試驗(yàn)裝置

熱彎曲試驗(yàn)

試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)用于成形彎曲圓角半徑為5mm的V形復(fù)合材料彎曲件，所用材料為單層雙向碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料板（±45°），其厚度為0.8mm。試驗(yàn)裝置如圖5所示，由拉伸試驗(yàn)機(jī)、熱彎曲模具和溫度控制器組成。其中熱彎曲模具與拉伸試驗(yàn)機(jī)相連接，由試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同速度的沖壓動(dòng)作，溫度控制器用于調(diào)節(jié)沖壓溫度，由嵌入模具的熱電偶反饋模具溫度變化，溫度控制器發(fā)出控制指令控制加熱棒加熱模具。

試驗(yàn)結(jié)果分析

由于殘余應(yīng)力釋放的緣故，V形復(fù)合材料彎曲件的彎曲角度與對(duì)應(yīng)模具角度（90°）往往存在一定的誤差，且回復(fù)角度的大小與成形參數(shù)有很大的關(guān)系。見(jiàn)圖6，將V形件的彎曲角度變化值定義為回復(fù)角度αγ，由于彎曲角度最終大于90°，則可以得到回復(fù)角度與彎曲角度關(guān)系式如下：

αγ＝α－90°

回復(fù)角度表征開(kāi)模后V形件彎曲角度變化量。不同成形參數(shù)下的V形件彎曲角度各不相同，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)提高成形溫度、降低沖壓速率和開(kāi)模溫度有助于減小回彈，提高彎曲精度。溫度對(duì)于復(fù)合材料熱成形具有重要的影響，改變成形溫度和沖壓速率都是通過(guò)改變成形過(guò)程中的基體樹(shù)脂軟化程度來(lái)影響板材的熱沖壓性能。當(dāng)成形溫度過(guò)低或者沖壓速率過(guò)高時(shí)，試件表面會(huì)出現(xiàn)明顯的裂紋。

圖6 熱彎曲成形試件

熱拉深試驗(yàn)

試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)用于成形直徑為60mm的半球形復(fù)合材料拉深件，所用材料為單層雙向碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料板（±45°），厚度為0.8mm。采用加熱棒快速加熱，熱電偶反饋溫度變化。試驗(yàn)裝置如圖7所示，包括拉伸試驗(yàn)機(jī)、溫度控制器和熱拉深模具三部分。溫度控制器對(duì)沖頭、壓邊圈和拉深模的溫度分別進(jìn)行控制。沖頭部分采用一個(gè)功率為80W的加熱棒加熱，壓邊圈部分采用4個(gè)功率為60W的加熱棒加熱，拉深模部分采用8個(gè)功率為60W的加熱棒加熱。壓邊圈和模具部分的加熱棒交錯(cuò)布置，保證了復(fù)合材料板材的熱平衡。

圖7 熱拉深試驗(yàn)裝置

圖8 試件變形過(guò)程

圖9 拉深過(guò)程褶皺產(chǎn)生區(qū)域

試驗(yàn)結(jié)果分析

由熱彎曲試驗(yàn)得出，沖壓速率為10mm/min時(shí)，成形過(guò)程中板材加熱狀況良好，樹(shù)脂軟化，且成形效率較高。因此，選取10mm/min的沖壓速率進(jìn)行熱拉深試驗(yàn)。如圖8所示為半球形復(fù)合材料件拉深變形過(guò)程，碳纖維復(fù)合材料板材熱拉深是一個(gè)材料不斷被拉深的過(guò)程。試件中沿長(zhǎng)度方向的纖維被拉深后進(jìn)入半球型腔，與纖維方向成±45°夾角的區(qū)域被拉進(jìn)的較小，使得圓形試件被拉深成近方形。該過(guò)程區(qū)別于金屬材料沖壓過(guò)程，金屬材料在板平面內(nèi)是各向同性的，拉深過(guò)程伴隨著金屬的局部均勻流動(dòng)。而復(fù)合材料板是由樹(shù)脂和纖維復(fù)合而成，樹(shù)脂受熱軟化，纖維具有不可拉伸性，所以復(fù)合材料板拉深過(guò)程是纖維在樹(shù)脂中重新分布，獲得新曲面的過(guò)程。

復(fù)合材料板材熱拉深過(guò)程中，纖維增強(qiáng)體之間發(fā)生劇烈剪切，使得試件表面產(chǎn)生皺曲。如圖9所示，拉深使得沿經(jīng)緯向的纖維被拉進(jìn)半球形試件型腔，表面光滑。與纖維方向呈±45°夾角的區(qū)域則出現(xiàn)了明顯的皺曲，皺曲現(xiàn)象的產(chǎn)生使得樹(shù)脂由于纖維疊層而呈現(xiàn)表面凹凸不平，極大地影響著試件的工藝性和美觀性。

結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合材料板材熱沖壓成形，是一種高效快捷的殼體復(fù)合材料件成形方法，可以促進(jìn)復(fù)合材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用。本文對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料板材的熱彎曲和熱拉深過(guò)程進(jìn)行的試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明熱彎曲過(guò)程中提高成形溫度、降低沖壓速率和開(kāi)模溫度有助于減小回彈，提高彎曲精度。當(dāng)成形溫度過(guò)低或者沖壓速率過(guò)高時(shí)，試件表面會(huì)出現(xiàn)明顯的裂紋。復(fù)合材料板材熱拉深是一個(gè)材料不斷被拉深的過(guò)程，試件中沿長(zhǎng)度方向的纖維被拉深進(jìn)入半球型腔，而與纖維方向成±45°夾角的區(qū)域，纖維增強(qiáng)體之間發(fā)生劇烈剪切，試件表面容易產(chǎn)生皺曲。