碳纤维复合材料板材热冲压成形试验研究

文/张琦，高强，蔡进，赵升吨·西安交通大学机械工程学院

碳纤维复合材料板材热冲压成形试验研究

文/张琦，高强，蔡进，赵升吨·西安交通大学机械工程学院

碳纤维复合材料由碳纤维增强体和基体树脂复合而成，按照应用性质可分为功能复合材料和结构复合材料两种。其中，结构复合材料的增强材料为各种纤维或者颗粒等材料，在复合材料中起主要作用，提供刚度和强度的作用。基体可以是金属或者非金属等，在复合材料中起配合作用，支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷，保护纤维，防止磨损或腐蚀。碳纤维增强树脂基复合材料（以下简称碳纤维复合材料），属于结构复合材料，具有密度小、比强度高、比模量大、耐腐蚀、抗疲劳等优良特性，因此广泛的应用于航空航天、汽车制造、体育运动、建筑补强等领域。

图1 复合材料汽车零件

轻量化和节能是当今世界汽车工业发展的主题。其中，材质轻量化和结构轻量化是汽车轻量化设计的两种主要途径，应用碳纤维复合材料有助于实现节能减排，提高燃油效率。一般复合材料的比重不会超过2.0，约是钢比重的1/4，而比强度却比钢材提高4倍，因此备受汽车工业发展的关注。复合材料在应用结构上从局部零件到全面组件，并向高性能复合材料结构设计方向发展。复合材料在应用部位上，从非承力结构到次承力结构，并向主承力结构发展。复合材料作为汽车结构件可替代铁和铝，不仅可以减轻重量、节省能源，而且具有耐腐蚀的优势。早期的F1赛车车身和车架就开始使用碳纤维复合材料，如今碳纤维复合材料用量占F1车身体积最大可达85％，而质量比重不到30％，且气动性和结构强度明显增强。奥迪R8 Spyder车顶行李箱的两边及顶部均采用了碳纤维复合材料，BMW公司设计的Z-19，Z-22采用碳纤维复合材料作为车身结构，X5采用一体式碳纤维结构，引擎盖、车顶和后车尾门也使用同样的材质，使得整体车身重量大约减轻了200kg左右。除此之外，如图1、2、3所示，碳纤维复合材料可用于汽车轮毂、齿轮箱及其他一些汽车零件。碳纤维复合材料轮毂相比合金轮毂轻40％左右，相对传统齿轮箱碳纤维复合材料齿轮箱的质量大大减轻，刚度提高25％，且能够在高温腐蚀等恶劣环境下安全运行。

图2 碳纤维轮毂

图3 碳纤维齿轮箱

然而，由于目前的一些复合材料成形方法，如手糊成形、拉挤成形、模压成形、热压罐成形等，操作复杂、生产效率低、设备造价昂贵，不能满足大规模生产的工业化需求。不仅如此，碳纤维造价昂贵，我国的碳纤维材料长期依赖进口，国外对出口中国的碳纤维材料实施技术垄断，极大地限制了碳纤维复合材料在民用行业方面的应用。近些年，随着碳纤维材料国产化，制造工艺日渐成熟，成本也在不断下降，使得碳纤维复合材料应用于民用行业成为可能。而且，国外已经在一些新能源汽车和概念车中大量采用了碳纤维复合材料。为响应国家对制造业节能减排和结构轻量化的长期要求，进一步实现汽车轻量化，推进复合材料的应用，亟需提出一种能够高效、低成本、符合大批量生产的复合材料成形新方法。

热冲压成形

以碳纤维复合材料为代表的复合材料是21世纪最有前途的新型材料之一，针对复合材料成形的研究是当前复合材料应用的研究热点。鉴于碳纤维复合材料壳体件在传统工业，特别是汽车制造业领域的应用前景，近些年国内外一些研究者通过试验研究和理论分析等方法，探索纤维增强复合材料的热冲压成形性能和变形行为。但作为一种高效快捷的复合材料成形方法，国内外在复合材料板材热冲压成形领域的研究均处于初期阶段。Cabrera等人进行了聚丙烯复合材料板的热冲压成形研究，成形复合材料球面件和汽车模型，发现剪切变形是成形过程中的主要变形机制，该研究证实了对复合材料层压板热冲压成形复杂几何的可能性，温度和压力是复合材料板成形的主要影响因素，并且热冲压成形更加节省能源。M.Hou通过接触传热将玻纤增强聚丙烯预浸料在两块加热板间加热至180℃，然后迅速转移至冲压模具之间进行冲压并固化。整个操作过程可在2min内完成，M.Hou进行了热冲压试验研究，研究表明冲压温度、冲压速度、压边力对冲压试件起皱有直接影响，适当的冲压温度和冲压速度可提高试件表面质量，合理的压边力有助于消除曲皱。B.Zhu等制作出斜圆锥形的冲压模具进行混合玻纤增强聚丙烯复合材料的热冲压试验，并通过导电纤维传感器测量试件应变，研究发现模具形状与试件初始纤维分布共同作用影响材料的成形性能。

温度作为热冲压成形的一个重要因素也吸引了众多的研究目光。Lussier通过试验研究玻纤/聚丙烯混合编织物的热冲压过程中不同区域的温度变化。测量表明，冲压过程中板材与冲压模具接触区域温度迅速下降至模具表面温度，导致材料粘度增大，易出现皱曲或撕裂现象。Boucher DT通过热冲压试验研究冲压温度对试件弯曲性能的影响，结果表明为降低树脂粘度，使其完全浸渍纤维，冲压温度应高于树脂基体的结晶温度。

相对传统复合材料成形方法，上述热冲压成形效率明显提高，但是成形中均需要将复合材料板置于一个外部加热箱均匀加热到指定温度，工件不易定位，操作过程比较复杂，能耗大、且成形控制要求较高。为了进一步发挥冲压成形的优势，本文提出了一种通过非等温加热模具接触传热将复合材料板与模具接触区域加热软化，并随着冲头运动逐步成形的复合材料件成形新方法，该成形方法是指借助基体树脂在一定温度下软化的特点进行的，将复合材料加热软化，并冲压成形。成形过程中材料待变形区域被加热软化以提高材料的局部流动性，降低成形难度，如图4所示为非等温模具热冲压成形过程。通过热冲压可成形复合材料壳体件，具有一次成形、结构性能好、适合大批量生产的特点。首先，通过加热棒局部加热冲头和模具，使冲头和模具达到设定温度。然后试验机带动冲头靠近并接触工件，通过接触传热加热工件变形区域到设定温度，并逐步移动冲头冲压成形工件。最后，冷却卸载。非等温模具热冲压中，采用模具局部加热来确保工件的不同部位达到不同的成形温度。

弯曲和拉深是热冲压成形过程中的两种典型工艺，研究时常常将板材的弯曲和拉深性能作为评判成形性能的标准。本文针对复合材料板材热冲压成形过程中的弯曲和拉深工艺，进行典型V形弯曲件和球面形复合材料件成形过程试验研究，分析成形参数对热冲压过程的影响。

图4 非等温模具热冲压过程

图5 热弯曲试验装置

热弯曲试验

试验材料与装置

试验用于成形弯曲圆角半径为5mm的V形复合材料弯曲件，所用材料为单层双向碳纤维增强环氧树脂复合材料板（±45°），其厚度为0.8mm。试验装置如图5所示，由拉伸试验机、热弯曲模具和温度控制器组成。其中热弯曲模具与拉伸试验机相连接，由试验机驱动实现不同速度的冲压动作，温度控制器用于调节冲压温度，由嵌入模具的热电偶反馈模具温度变化，温度控制器发出控制指令控制加热棒加热模具。

试验结果分析

由于残余应力释放的缘故，V形复合材料弯曲件的弯曲角度与对应模具角度（90°）往往存在一定的误差，且回复角度的大小与成形参数有很大的关系。见图6，将V形件的弯曲角度变化值定义为回复角度αγ，由于弯曲角度最终大于90°，则可以得到回复角度与弯曲角度关系式如下：

αγ＝α－90°

回复角度表征开模后V形件弯曲角度变化量。不同成形参数下的V形件弯曲角度各不相同，试验发现提高成形温度、降低冲压速率和开模温度有助于减小回弹，提高弯曲精度。温度对于复合材料热成形具有重要的影响，改变成形温度和冲压速率都是通过改变成形过程中的基体树脂软化程度来影响板材的热冲压性能。当成形温度过低或者冲压速率过高时，试件表面会出现明显的裂纹。

图6 热弯曲成形试件

热拉深试验

试验材料与装置

试验用于成形直径为60mm的半球形复合材料拉深件，所用材料为单层双向碳纤维增强环氧树脂基复合材料板（±45°），厚度为0.8mm。采用加热棒快速加热，热电偶反馈温度变化。试验装置如图7所示，包括拉伸试验机、温度控制器和热拉深模具三部分。温度控制器对冲头、压边圈和拉深模的温度分别进行控制。冲头部分采用一个功率为80W的加热棒加热，压边圈部分采用4个功率为60W的加热棒加热，拉深模部分采用8个功率为60W的加热棒加热。压边圈和模具部分的加热棒交错布置，保证了复合材料板材的热平衡。

图7 热拉深试验装置

图8 试件变形过程

图9 拉深过程褶皱产生区域

试验结果分析

由热弯曲试验得出，冲压速率为10mm/min时，成形过程中板材加热状况良好，树脂软化，且成形效率较高。因此，选取10mm/min的冲压速率进行热拉深试验。如图8所示为半球形复合材料件拉深变形过程，碳纤维复合材料板材热拉深是一个材料不断被拉深的过程。试件中沿长度方向的纤维被拉深后进入半球型腔，与纤维方向成±45°夹角的区域被拉进的较小，使得圆形试件被拉深成近方形。该过程区别于金属材料冲压过程，金属材料在板平面内是各向同性的，拉深过程伴随着金属的局部均匀流动。而复合材料板是由树脂和纤维复合而成，树脂受热软化，纤维具有不可拉伸性，所以复合材料板拉深过程是纤维在树脂中重新分布，获得新曲面的过程。

复合材料板材热拉深过程中，纤维增强体之间发生剧烈剪切，使得试件表面产生皱曲。如图9所示，拉深使得沿经纬向的纤维被拉进半球形试件型腔，表面光滑。与纤维方向呈±45°夹角的区域则出现了明显的皱曲，皱曲现象的产生使得树脂由于纤维叠层而呈现表面凹凸不平，极大地影响着试件的工艺性和美观性。

结束语

复合材料板材热冲压成形，是一种高效快捷的壳体复合材料件成形方法，可以促进复合材料在汽车行业的应用。本文对碳纤维增强树脂基复合材料板材的热弯曲和热拉深过程进行的试验研究，研究结果表明热弯曲过程中提高成形温度、降低冲压速率和开模温度有助于减小回弹，提高弯曲精度。当成形温度过低或者冲压速率过高时，试件表面会出现明显的裂纹。复合材料板材热拉深是一个材料不断被拉深的过程，试件中沿长度方向的纤维被拉深进入半球型腔，而与纤维方向成±45°夹角的区域，纤维增强体之间发生剧烈剪切，试件表面容易产生皱曲。