纖維增強(qiáng)金屬層板成形性能的評(píng)估方法

國(guó)內(nèi)非織造材料纖維增強(qiáng)金屬板（mbs）是用金屬薄板和纖維樹脂預(yù)浸劑均勻地附著于金屬薄板和纖維之間的層壓。從本質(zhì)上講，它是一種混合材料。GLARE層板是目前發(fā)展最為成熟、應(yīng)用最廣泛的FMLs，其具有復(fù)合層板的共性，即強(qiáng)度高、密度低、抗疲勞性能好、韌性好和耐腐蝕等特點(diǎn)目前，傳統(tǒng)的成形方法主要有自成形技術(shù)、滾彎成形技術(shù)和噴丸成形等板材充液成形是利用液體介質(zhì)代替剛性凹模，依靠液體介質(zhì)壓力使板材成形的一種工藝。由于其摩擦保持和流體潤(rùn)滑效果可以使復(fù)合層板緊貼在一起成形，減少氣體的進(jìn)入，保證零件的質(zhì)量。因此，本文利用充液成形技術(shù)深入探究了纖維增強(qiáng)金屬層板樹脂半固化狀態(tài)下粘性內(nèi)聚力的特點(diǎn)，優(yōu)化成形參數(shù)，成形出深型腔零件。1內(nèi)聚力性能試驗(yàn)，為了獲得樹脂半固化狀態(tài)下纖維增強(qiáng)金屬層板層間內(nèi)聚力作用對(duì)變形的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了試樣形狀、尺寸及測(cè)試方法。1.1預(yù)浸料尺寸測(cè)試試樣由3層鋁板和2層預(yù)浸料組成。其中鋁板材料為2024-T3，厚度為2mm，矩形試樣尺寸為120mm×25mm。采用WP-9011/6508玻璃纖維織物預(yù)浸料，其性能參數(shù)如表1所示，中間層預(yù)浸料尺寸為25mm×25mm×0.2mm。鋪層完成后試樣形狀如圖1所示。1.2拉伸夾具裝夾過(guò)程為實(shí)現(xiàn)層板在厚度方向施加一定的壓力，設(shè)計(jì)并加工一個(gè)夾具，夾具的結(jié)構(gòu)如圖2所示。試驗(yàn)過(guò)程中將制備好的試樣放置于上、下壓板間，確保施加在試樣上的載荷恒定。施加厚向載荷后將其裝夾在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)拉伸夾具上，如圖3所示。通過(guò)夾頭上行，帶動(dòng)層間發(fā)生“逐漸產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)———開始相對(duì)運(yùn)動(dòng)”的過(guò)程。試樣件裝夾完成后微調(diào)至載荷為0kN，調(diào)零后可排除夾具重量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，從而保證傳感器力值為Al-2與預(yù)浸料-1、預(yù)浸料-2的層間相互作用力。層間內(nèi)聚力力學(xué)性能測(cè)試旨在探究不同的厚向載荷及相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)粘性內(nèi)聚力的影響，設(shè)置施加的壓強(qiáng)分別為1、2、3、4、5、6、7和8MPa，層間相對(duì)變形速度分別為5、10、15、20、25、30、35、40和45mm·min2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1層間內(nèi)聚力迅速減弱到完全失效的過(guò)渡階段以層間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度V=30mm·min第1階段:該階段為層間內(nèi)聚力作用的主要階段。由于層間內(nèi)聚力作用及鋁板的彈性形變，載荷急劇增加，但層間未發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng);第2階段:該階段是層間內(nèi)聚力迅速減小到完全失效的過(guò)渡階段。該階段層間開始緩慢的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度逐漸增加，但一直小于設(shè)備拉伸速度。A點(diǎn)為發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的初始點(diǎn)，即層間內(nèi)聚力開始失效點(diǎn);B點(diǎn)為相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等于設(shè)備拉伸速度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即層間內(nèi)聚力完全失效點(diǎn);第3階段:載荷線性減小，層間穩(wěn)定相對(duì)滑動(dòng)，滑動(dòng)速度等于設(shè)備拉伸速度。成形過(guò)程中，作用在半固化的纖維增強(qiáng)金屬層板上的載荷大于A點(diǎn)載荷方能發(fā)生層間不協(xié)調(diào)變形;B點(diǎn)是衡量層間內(nèi)聚力作用的重要點(diǎn)，因此本文重點(diǎn)研究厚向載荷及變形速度對(duì)A點(diǎn)和B點(diǎn)載荷的影響，以優(yōu)化半固化層板的成形工藝。2.2層板壓力對(duì)載荷的影響通過(guò)壓縮裝置設(shè)置施加在試樣疊層區(qū)域的壓強(qiáng)分別為1、2、3、4、5、6、7和8MPa，設(shè)備拉伸速度為15mm·min從圖5和圖6中可以看出，隨著作用在纖維增強(qiáng)金屬層板上的壓力逐漸增大，A點(diǎn)載荷整體呈上升趨勢(shì)，個(gè)別值較為突出，這與層板制備過(guò)程中鋁板的表面處理、鋪貼質(zhì)量等有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi);B點(diǎn)載荷亦隨著壓強(qiáng)的增大而增大，且增大速度逐漸減小。因此，較小的厚向載荷下，復(fù)合層板層間產(chǎn)生相對(duì)變形需要較小的外力，達(dá)到該值后需要更小的力值即可產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng);反之，較大的厚向載荷，層間粘性內(nèi)聚力大，變形更難。2.3加載速度對(duì)應(yīng)力松弛效果的影響通過(guò)改變拉伸夾頭的速度令層間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度分別為5、10、15、20、25、30、35、40和45mm·min這是因?yàn)閺?fù)合層板中的樹脂具有粘彈性，因此在較低的加載速度下，由于外力作用的時(shí)間加長(zhǎng)，應(yīng)力松弛過(guò)程充分進(jìn)行，從而顯示出較大的變形和較低的強(qiáng)度;反之，加載速度升高，顯示出較高的強(qiáng)度。從上述分析可以看出，較小的厚向載荷(壓強(qiáng))及較慢的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度下層間不協(xié)調(diào)變形需要較小的載荷，有利于半固化纖維增強(qiáng)金屬層板發(fā)生較大的變形。因此，在充液成形中采用較慢的成形速度，并優(yōu)化充液曲線使其初始階段液室壓力較小更有助于層間發(fā)生有益的不協(xié)調(diào)變形，提高成形極限。3工藝優(yōu)化方法零件的形狀及主要尺寸如圖8所示，凸緣直徑為Φ160mm，內(nèi)腔長(zhǎng)130mm、寬105mm、高21.5mm，進(jìn)料入口圓角半徑5mm。采用2+1結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)金屬層板，2024-T3的鋁合金厚度為0.3mm，預(yù)浸料采用0.2mm的編織纖維預(yù)浸料。零件的成形方法采用半固化充液成形技術(shù)，即層板鋪貼完成后先成形再固化。坯料的大小及形狀對(duì)成形零件的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，合理的坯料大小和形狀有助于改善成形件各部位的受力狀態(tài)，提高成形極限。受設(shè)備密封圈位置及形狀的影響，坯料的形狀優(yōu)先選用圓形，其尺寸需大于密封圈的外徑尺寸Φ170mm。板料尺寸過(guò)大，法蘭面積增大，成形進(jìn)料困難，零件容易破裂;板料尺寸過(guò)小，法蘭邊容易起皺，且易損壞密封圈，難以密封。最后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試制的方法確定選用直徑為Φ180mm的圓形板料，開展針對(duì)纖維增強(qiáng)金屬層板的半固化充液成形技術(shù)工藝優(yōu)化方法的探究。壓邊力及液室壓力加載曲線是充液成形工藝優(yōu)化的兩個(gè)重要參數(shù)。壓邊力過(guò)大，板料與壓邊圈、凹模之間的摩擦阻力增大，板料難以流動(dòng)，凹模圓角處拉應(yīng)力增大，從而板料變薄嚴(yán)重;壓邊力過(guò)小，進(jìn)料快，法蘭區(qū)起皺嚴(yán)重。同時(shí)，液室壓力的加載曲線影響著層板厚度方向的壓力及其加載速度。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試制的方式得出，當(dāng)液室壓力直線加載、最大液室壓力為7MPa、最大壓邊力為220kN時(shí)，零件深度可達(dá)21.5mm，但并未完全貼模。通過(guò)初步試制看出，半固化的纖維增強(qiáng)金屬層板比固化后的具有較大的變形量，但其變形量仍遠(yuǎn)小于金屬板。線性加載難以成形出該零件，結(jié)合上述的層間內(nèi)聚力實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選用階梯分段式加載方法。初步加載采用較小的液室壓力和壓邊力，增加其進(jìn)料量，后續(xù)加載采用較大的液室壓力和壓邊力，使其完全貼模。最終確定液室壓力最大為9MPa，壓邊力最大值為320kN，加載方式均采用動(dòng)態(tài)加載，優(yōu)化加載曲線如圖9所示，對(duì)應(yīng)的成形結(jié)果如圖10所示。從圖9和圖10可以看出，采用線性液室加載路徑Load-1和Load-2時(shí)，成形加載速度越快，越容易破裂;貼膜度(成形深度)隨著加載速度的減小而增大。這是因?yàn)榧虞d速度快，外力作用時(shí)間短，使層板發(fā)生變形需要較高的力值，過(guò)高的力值超出了纖維抗拉強(qiáng)度，因而發(fā)生破裂。相反，較慢的成形加載速度，外力作用的時(shí)間加長(zhǎng)，使應(yīng)力松弛過(guò)程得到充分，故而成形深度變大，貼膜度更高。液室加載路徑Load-3采用階梯式增長(zhǎng)曲線。前期液室壓力緩慢加載至6.2MPa并保持一段時(shí)間，這一階段加載緩慢，層間應(yīng)力松弛過(guò)程得到充分進(jìn)行，從而可以實(shí)現(xiàn)在較低的力值下產(chǎn)生較大的變形，同時(shí)壓邊力較小，層板變形容易，主要為進(jìn)料階段;而后液室壓力繼續(xù)增加至9MPa并保持一段時(shí)間，壓邊力增大，該階段可使層板繼續(xù)變形至完全貼膜，得到的零件質(zhì)量良好，如圖10c和圖10d所示。對(duì)零件的3個(gè)典型截面進(jìn)行壁厚測(cè)量，零件深腔區(qū)采用帶表外卡規(guī)，精度0.05mm，法蘭區(qū)采用游標(biāo)卡尺測(cè)量，精度0.02mm，每個(gè)截面從A到B均勻取13個(gè)點(diǎn)，其測(cè)量結(jié)果如圖11所示。3個(gè)截面平底區(qū)域的壁厚均勻，均為0.80mm，變形量很小;3個(gè)截面弧面區(qū)域的壁厚分布差別較大，這與弧面的曲率有關(guān)，曲率大的曲面(截面A4厚向載荷的影響(1)在較小的厚向載荷下，復(fù)合層板層間產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形需要更小的外力，達(dá)到該值后需要更小的力值即可產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng);反