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1、論壇FORUM碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料*盒形件熱沖壓成型研究11121韓賓，王宏，于楊惠文，周濤，張琦（1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安710049；2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049）[摘要]碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料型材傳統(tǒng)成型工藝存在操作復(fù)雜、成型效率低、成本高、不適合大批量生產(chǎn)等問題，限制其在航空航天領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。為改善成型工藝，提出一種采用模具直接加熱纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板的熱沖壓成型方法，通過板料拉伸試驗(yàn)和盒形件熱拉深成型試驗(yàn)，研究纖維鋪向工藝參數(shù)以及分析成型過程中試件纖維變形，得出極限拉深深度及成
2、型極限剪切角。針對(duì)纖維編織復(fù)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。關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料；熱沖壓；盒形件；纖維鋪向；剪切角DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2017.16.040隨著航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，低成本、符合大批量生產(chǎn)的復(fù)合材料航空航天領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)材料的輕量化、成型新工藝。高性能、多功能及可設(shè)計(jì)性等需求目前，部分學(xué)者針對(duì)復(fù)合材料[1]不斷提升。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材熱沖壓成型技術(shù)開展了研究。[8]（CFRP）具有密度小、比強(qiáng)度高、比模Wakeman等進(jìn)行了碳纖維復(fù)
3、合材量大、抗沖擊性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等料板材的熱沖壓試驗(yàn)，分析了沖壓參優(yōu)點(diǎn)，符合航空航天工業(yè)輕量化和高數(shù)對(duì)成型效果的影響，研究結(jié)果表性能的發(fā)展理念。與傳統(tǒng)鋼、鋁材相明復(fù)合材料預(yù)熱溫度和初始固結(jié)程比，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用能夠減輕度是影響成型效果的兩個(gè)主要因素。[9]航空航天器結(jié)構(gòu)重量的30%，在提高Alcock等針對(duì)高強(qiáng)度復(fù)合材料板航空航天器性能的同時(shí)，還能降低發(fā)進(jìn)行熱沖壓直接成型，研究表明溫度[2-4]射成本。和壓力是成型的主要影響因素，并且[10]目前常用的復(fù)合材料成型工藝熱沖壓成型更加節(jié)省能源。Ji等韓賓固體力學(xué)博士、講師,從事輕質(zhì)多孔包
4、括手糊鋪層、樹脂傳遞模塑成型研究了壓邊力對(duì)復(fù)合材料熱沖壓成功能材料輕量化設(shè)計(jì)、復(fù)合材料變形理（RTM）、拉擠成型、模壓成型、熱壓罐型的影響，發(fā)現(xiàn)增加壓邊力有助于改論及成型研究。[5-6]成型、模塑成型等。然而，這些傳善球形制件的不對(duì)稱纖維剪切變形統(tǒng)成型工藝或操作復(fù)雜、成型效率情況以及預(yù)防褶皺。低、制造成本高，或依賴于獨(dú)立的預(yù)本文提出一種采用模具直接加浸過程，無法滿足航空工業(yè)對(duì)復(fù)雜型熱纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板的熱沖壓成*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)材大批量、低成本的工業(yè)化生產(chǎn)需型方法，通過直接加熱模具將復(fù)合材目（51375369）；中國博士后科
5、學(xué)基金項(xiàng)目要，一定程度限制了復(fù)合材料的大規(guī)料板材與模具接觸區(qū)域加熱軟化，并（2016M600782）；陜西省博士后科學(xué)基金項(xiàng)目[7]（2016BSHYDZZ18）。模應(yīng)用。因此，亟需提出能夠高效、隨著沖頭運(yùn)動(dòng)逐步成型。針對(duì)纖維40航空制造技術(shù)·2017年第16期MouldingTechnologyforComposites復(fù)合材料成型技術(shù)編織復(fù)合材料板材熱沖壓成型中的下拉伸試樣的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變由公式（3）、（4）可以看出，碳纖拉深工藝，研究坯料纖維方向與模具曲線，見圖1。纖維本身性能對(duì)溫度維編織復(fù)合材料斜拉伸過程中，纖維直邊分別成0°和
6、45°的盒形件拉不敏感，但樹脂處于熱成型溫度下會(huì)剪切角和中心寬度均是拉伸位移的深成型過程，并分析不同纖維鋪向下發(fā)生軟化，且纖維模量遠(yuǎn)大于基體，函數(shù)。的變形機(jī)制。因此不同溫度下樹脂的軟化程度對(duì)圖3為不同溫度（110~150℃）應(yīng)力應(yīng)變曲線并沒有明顯影響。下斜拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。熱沖壓成型方法2碳纖維復(fù)合材料板斜拉伸性能拉伸至應(yīng)變?yōu)?.4時(shí)，試件均未發(fā)生碳纖維編織熱塑性復(fù)合材料板測(cè)試斷裂。對(duì)比單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，是由編織碳纖維增強(qiáng)體和樹脂基體在單向拉伸材料測(cè)試試驗(yàn)基礎(chǔ)試件在沿纖維θ=45°的延展性遠(yuǎn)高復(fù)合而成。熱沖壓成型過程中，板料上，
7、針對(duì)不同成型溫度下的復(fù)合材料于沿纖維方向，這是由于斜拉伸下板將會(huì)被加熱至成型溫度，基體樹脂會(huì)板料進(jìn)行斜拉伸試驗(yàn)研究。圖2所內(nèi)纖維以剪切變形為主導(dǎo)致。由于發(fā)生一定程度的軟化，使得樹脂與纖示為斜拉伸試驗(yàn)中板料內(nèi)部編織纖試驗(yàn)溫度高于PC/ABS樹脂的轉(zhuǎn)化維之間約束下降。在外力作用下纖維布的變形幾何原理。本文試件纖溫度，樹脂軟化程度足以使編織纖維維束間通過相互擠壓和面內(nèi)剪切變維方向與拉伸方向夾角為θ=45°。在其中自由移動(dòng)發(fā)生剪切變形，因此形來適應(yīng)曲面曲率變化，與此同時(shí)受由圖2中幾何關(guān)系可以得出斜試件的伸長率較高，且應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系熱軟化的樹脂基體隨纖
8、維布流動(dòng)并拉伸過程中纖維剪切角變化關(guān)系式：表現(xiàn)出顯著的非線性特征。不同溫及時(shí)填補(bǔ)纖維變形引入的材料空隙，γ=π?2θ（1）度下樹脂軟化程度對(duì)板料內(nèi)部纖維2從而獲得一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀
