纤维增强金属层板成形性能的评估方法

纤维增强金属层板成形性能的评估方法

国内非织造材料纤维增强金属板（mbs）是用金属薄板和纤维树脂预浸剂均匀地附着于金属薄板和纤维之间的层压。从本质上讲，它是一种混合材料。GLARE层板是目前发展最为成熟、应用最广泛的FMLs，其具有复合层板的共性，即强度高、密度低、抗疲劳性能好、韧性好和耐腐蚀等特点目前，传统的成形方法主要有自成形技术、滚弯成形技术和喷丸成形等板材充液成形是利用液体介质代替刚性凹模，依靠液体介质压力使板材成形的一种工艺。由于其摩擦保持和流体润滑效果可以使复合层板紧贴在一起成形，减少气体的进入，保证零件的质量。因此，本文利用充液成形技术深入探究了纤维增强金属层板树脂半固化状态下粘性内聚力的特点，优化成形参数，成形出深型腔零件。1内聚力性能试验，为了获得树脂半固化状态下纤维增强金属层板层间内聚力作用对变形的影响规律，设计并优化了试样形状、尺寸及测试方法。1.1预浸料尺寸测试试样由3层铝板和2层预浸料组成。其中铝板材料为2024-T3，厚度为2mm，矩形试样尺寸为120mm×25mm。采用WP-9011/6508玻璃纤维织物预浸料，其性能参数如表1所示，中间层预浸料尺寸为25mm×25mm×0.2mm。铺层完成后试样形状如图1所示。1.2拉伸夹具装夹过程为实现层板在厚度方向施加一定的压力，设计并加工一个夹具，夹具的结构如图2所示。试验过程中将制备好的试样放置于上、下压板间，确保施加在试样上的载荷恒定。施加厚向载荷后将其装夹在万能试验机拉伸夹具上，如图3所示。通过夹头上行，带动层间发生“逐渐产生相对运动———开始相对运动”的过程。试样件装夹完成后微调至载荷为0kN，调零后可排除夹具重量对试验结果的影响，从而保证传感器力值为Al-2与预浸料-1、预浸料-2的层间相互作用力。层间内聚力力学性能测试旨在探究不同的厚向载荷及相对运动速度对粘性内聚力的影响，设置施加的压强分别为1、2、3、4、5、6、7和8MPa，层间相对变形速度分别为5、10、15、20、25、30、35、40和45mm·min2试验结果的分析2.1层间内聚力迅速减弱到完全失效的过渡阶段以层间相对运动速度V=30mm·min第1阶段:该阶段为层间内聚力作用的主要阶段。由于层间内聚力作用及铝板的弹性形变，载荷急剧增加，但层间未发生相对运动;第2阶段:该阶段是层间内聚力迅速减小到完全失效的过渡阶段。该阶段层间开始缓慢的相对运动，且相对运动速度逐渐增加，但一直小于设备拉伸速度。A点为发生相对运动的初始点，即层间内聚力开始失效点;B点为相对运动速度等于设备拉伸速度的转折点，即层间内聚力完全失效点;第3阶段:载荷线性减小，层间稳定相对滑动，滑动速度等于设备拉伸速度。成形过程中，作用在半固化的纤维增强金属层板上的载荷大于A点载荷方能发生层间不协调变形;B点是衡量层间内聚力作用的重要点，因此本文重点研究厚向载荷及变形速度对A点和B点载荷的影响，以优化半固化层板的成形工艺。2.2层板压力对载荷的影响通过压缩装置设置施加在试样叠层区域的压强分别为1、2、3、4、5、6、7和8MPa，设备拉伸速度为15mm·min从图5和图6中可以看出，随着作用在纤维增强金属层板上的压力逐渐增大，A点载荷整体呈上升趋势，个别值较为突出，这与层板制备过程中铝板的表面处理、铺贴质量等有关，在实验误差允许范围内;B点载荷亦随着压强的增大而增大，且增大速度逐渐减小。因此，较小的厚向载荷下，复合层板层间产生相对变形需要较小的外力，达到该值后需要更小的力值即可产生相对运动;反之，较大的厚向载荷，层间粘性内聚力大，变形更难。2.3加载速度对应力松弛效果的影响通过改变拉伸夹头的速度令层间相对运动速度分别为5、10、15、20、25、30、35、40和45mm·min这是因为复合层板中的树脂具有粘弹性，因此在较低的加载速度下，由于外力作用的时间加长，应力松弛过程充分进行，从而显示出较大的变形和较低的强度;反之，加载速度升高，显示出较高的强度。从上述分析可以看出，较小的厚向载荷(压强)及较慢的相对运动速度下层间不协调变形需要较小的载荷，有利于半固化纤维增强金属层板发生较大的变形。因此，在充液成形中采用较慢的成形速度，并优化充液曲线使其初始阶段液室压力较小更有助于层间发生有益的不协调变形，提高成形极限。3工艺优化方法零件的形状及主要尺寸如图8所示，凸缘直径为Φ160mm，内腔长130mm、宽105mm、高21.5mm，进料入口圆角半径5mm。采用2+1结构的纤维增强金属层板，2024-T3的铝合金厚度为0.3mm，预浸料采用0.2mm的编织纤维预浸料。零件的成形方法采用半固化充液成形技术，即层板铺贴完成后先成形再固化。坯料的大小及形状对成形零件的质量起着至关重要的作用，合理的坯料大小和形状有助于改善成形件各部位的受力状态，提高成形极限。受设备密封圈位置及形状的影响，坯料的形状优先选用圆形，其尺寸需大于密封圈的外径尺寸Φ170mm。板料尺寸过大，法兰面积增大，成形进料困难，零件容易破裂;板料尺寸过小，法兰边容易起皱，且易损坏密封圈，难以密封。最后，通过现场试制的方法确定选用直径为Φ180mm的圆形板料，开展针对纤维增强金属层板的半固化充液成形技术工艺优化方法的探究。压边力及液室压力加载曲线是充液成形工艺优化的两个重要参数。压边力过大，板料与压边圈、凹模之间的摩擦阻力增大，板料难以流动，凹模圆角处拉应力增大，从而板料变薄严重;压边力过小，进料快，法兰区起皱严重。同时，液室压力的加载曲线影响着层板厚度方向的压力及其加载速度。通过现场试制的方式得出，当液室压力直线加载、最大液室压力为7MPa、最大压边力为220kN时，零件深度可达21.5mm，但并未完全贴模。通过初步试制看出，半固化的纤维增强金属层板比固化后的具有较大的变形量，但其变形量仍远小于金属板。线性加载难以成形出该零件，结合上述的层间内聚力实验结果，选用阶梯分段式加载方法。初步加载采用较小的液室压力和压边力，增加其进料量，后续加载采用较大的液室压力和压边力，使其完全贴模。最终确定液室压力最大为9MPa，压边力最大值为320kN，加载方式均采用动态加载，优化加载曲线如图9所示，对应的成形结果如图10所示。从图9和图10可以看出，采用线性液室加载路径Load-1和Load-2时，成形加载速度越快，越容易破裂;贴膜度(成形深度)随着加载速度的减小而增大。这是因为加载速度快，外力作用时间短，使层板发生变形需要较高的力值，过高的力值超出了纤维抗拉强度，因而发生破裂。相反，较慢的成形加载速度，外力作用的时间加长，使应力松弛过程得到充分，故而成形深度变大，贴膜度更高。液室加载路径Load-3采用阶梯式增长曲线。前期液室压力缓慢加载至6.2MPa并保持一段时间，这一阶段加载缓慢，层间应力松弛过程得到充分进行，从而可以实现在较低的力值下产生较大的变形，同时压边力较小，层板变形容易，主要为进料阶段;而后液室压力继续增加至9MPa并保持一段时间，压边力增大，该阶段可使层板继续变形至完全贴膜，得到的零件质量良好，如图10c和图10d所示。对零件的3个典型截面进行壁厚测量，零件深腔区采用带表外卡规，精度0.05mm，法兰区采用游标卡尺测量，精度0.02mm，每个截面从A到B均匀取13个点，其测量结果如图11所示。3个截面平底区域的壁厚均匀，均为0.80mm，变形量很小;3个截面弧面区域的壁厚分布差别较大，这与弧面的曲率有关，曲率大的曲面(截面A4厚向载荷的影响(1)在较小的厚向载荷下，复合层板层间产生不协调变形需要更小的外力，达到该值后需要更小的力值即可产生相对运动;反