一种纤维‑金属超混杂复合层板机械喷丸成形及强化方法与流程

本发明属于先进复合材料的成形技术领域，尤其涉及一种纤维-金属超混杂复合层板机械喷丸成形及强化方法。

背景技术：

纤维-金属超混杂复合材料是一种由金属薄板和纤维复合材料交替铺层后，在一定的温度和压力下固化而成的层间混杂复合材料。其综合了传统纤维复合材料和金属材料的特点，具有高的比强度和比刚度，优良的疲劳性能以及高的损伤容限，这些优势使得该类材料已在航空航天工业中获得了广泛的应用，并在轨道交通、汽车及其它工业领域具有很大的应用潜质。

纤维-金属超混杂复合材料构件的成形一般具有两个思路，即在热压固化前或固化的同时，成形出目标形状；或针对已热压罐制备的Glare平板，开展其后续成形。

根据第一种思路，代尔夫特理工大学提出了所谓的自成形技术(Self-forming technique)，并将其广泛应用于飞机机身、机翼壁板用超混杂复合材料构件的成形。自成形技术是将纤维-金属超混杂复合材料在具有目标形状尺寸的模具中铺贴、热压罐固化，以在材料制备的同时即获得有曲率的形状。然而，自成形仅能制造曲率较小的单曲率构件，无法成形更复杂的双曲率或多曲率构件；同时，该工艺需在材料热压罐固化的同时进行成形，其成形加工的灵活性小，模具成本高。不仅如此，自成形工艺的回弹问题显著，需进行经验性的反复修模，增大模具制造成本。中国专利CN201410056071.3公开了一种名称为“Glare构件的制备成形方法”发明专利，但该专利无法在热压罐中进行制备，所获得的纤维-金属超混杂复合材料会存在显著缺陷，无法达到航空航天构件的制造要求。

除了自成形技术，较多研究也集中于纤维-金属超混杂复合材料在完成热压罐制备后的后续成形方法；但由于纤维的破坏应变小，导致材料的成形极限远小于相应的金属材料，并易于产生层间破坏，成形难度大。对于单曲率构件，一般采用滚弯成形；而对于双曲率构件，目前主要采用拉伸成形。但由于纤维-金属超混杂复合材料的破坏应变很小，滚弯和拉伸成形时的工艺窗口小，构件形状受到很大限制。

喷丸是利用高速喷射的弹丸流撞击金属构件表面，使其产生变形、表面强化及表面清理的技术，是一种多次表面冲击形式的冷处理过程。根据喷丸的目的，主要可分为喷丸成形和喷丸强化两种。其中，喷丸成形是在弹丸高速撞击金属薄板表面的过程中，使受喷表面发生塑性变形，形成残余应力，并逐步使构件达到其目标曲率要求的成形方法。其作为一种无模成形工艺，具有准备周期短、成本低、加工长度不受设备规格限制、工艺过程稳定及再现性好、加工件抗疲劳寿命长和抗应力腐蚀性能等优点。

中国专利CN 201520006846公开了一种名称为“一种双金属复合管的喷丸成形装置”发明专利，该专利主要由高速螺旋喷丸器及移动装置组成。该专利成形形状单一，无法制备多层结构的复杂零件，用途局限大，更重要的是，仅适用于单纯金属层板的喷丸成形，并不适用于纤维-金属超混杂复合材料的成形，且也未实现工程化应用。

目前的喷丸成形及强化技术均局限于金属材料，未有针对复合材料的工程实例；同时，纤维-金属超混杂复合材料的喷丸成形与传统金属材料存在显著的差异。首先，喷丸成形的机理是利用高速弹丸流撞击金属板材表面，使受撞击的表层材料产生塑性变形及残余应力，引起内层材料发生变形。纤维-金属超混杂复合材料作为层状复合材料，在固化过程已形成复杂的应力场，喷丸成形后，其应力存在再平衡过程，且以剪应力存在于纤维层/金属层界面，易于导致分层失效。其次，纤维-金属超混杂复合材料的金属层和纤维层仅为0.2mm-0.5mm，采用现有金属材料的喷丸方法与工艺直接会导致纤维损伤与界面失效，无法满足其成形要求。此外，纤维层的存在一方面会在弹丸击打复合材料表面时，通过改变金属层的局部塑形变形行为影响应力的产生特征，同时还会在复合材料整体变形时，对材料的协同变形规律造成影响，如何通过喷丸方法和工艺的控制，实现纤维-金属超混杂复合材料构件的制造具有极大的难度。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种纤维-金属超混杂复合层板机械喷丸成形及强化方法，该方法是目前针对纤维-金属超混杂复合材料提出的唯一柔性无模成形方法，其成本低、灵活度高的优点为该类复合材料双曲率、多曲率构件的成形提供了有效的解决方法，可满足航空、航天工业对该类复合材料大尺寸复杂构件的迫切需求；也为其它层状复合材料的塑性成形提供了较好的思路。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种纤维-金属超混杂复合层板机械喷丸成形及强化方法，包括以下步骤：

1）裁剪：将纤维-金属超混杂复合材料裁剪至目标尺寸；在转速10000r/min以上，刀具直径2mm条件下的铣切，并采用粘接固定方式将复合层板固定于工作台；

2）喷丸固定：采用上述粘接固定方式，将该复合材料固定于支撑装置表面；

3）喷丸成形及强化：选择合理的弹丸及喷丸工艺，对纤维-金属超混杂复合材料进行成形和强化；

选择直径小于0.425mm的陶瓷喷丸，使用喷丸强度低于0.25A的喷丸工艺对复合材料表面进行60%-100%覆盖率下的喷丸成形，控制喷丸表层的残余压应力低于200MPa；

4）失效及曲率检测：分别通过超声波C扫和检具对所成形的构件进行损伤和曲率检测分析；

5）校形：未达到目标尺寸要求的构件进行手动喷丸校形。

作为优选，所述纤维-金属超混杂复合层板是纤维材料与金属交替铺层后固化的层状结构的复合材料。

作为优选，所述层状机构特征为2/1结构、3/2结构、4/3结构、5/4结构。

作为优选，所述步骤（1）的裁剪方法为转速10000r/min以上，刀具直径2mm以下的铣切，并采用粘接固定方式将复合层板固定于工作台，以保障加工质量并防止复合层板的分层失效。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的改进之处在于，

1、本发明提供了一种针对于纤维-金属超混杂复合材料的柔性无模成形方法，显著降低了其它塑性成形在模具加工、反复修模上等方面的生产成本；其加工灵活性强，构件尺寸不受设备规格限制，有效解决了大型飞机机翼等大尺寸构件（长度20米以上）的成形难题。

2、本发明基于纤维-金属超混杂复合材料固有残余应力与喷丸应力的平衡作用形成变形，克服了自成形技术、滚弯成形技术仅能成形单曲率构件的缺点，为纤维金属超混杂复合材料的复杂双曲率、多曲率构件的成形制造提供了有效的解决方法。

3、本发明结合纤维-金属超混杂复合材料在机械加工、失效行为及损伤检测等方面的专有特征，提出了一套适于该类材料的裁剪、固定、检测的方法，检测方面，一般金属材料喷丸后是不用无损检测的，但这个材料是复合材料，损伤不是肉眼可见的，必须加上损伤的检测。本发明结合纤维-金属超混杂复合材料在机械加工、失效行为及损伤检测等方面的专有特征，较传统金属材料，在喷丸成形的步骤中，提出了适于该类复合材料专有的裁剪、固定及喷丸工艺，并增加了无损检测，形成了一套适于该类材料的裁剪、固定、成形、检测方法，对该类材料的其它成形加工提供了重要指导。

4、本发明通过喷丸工艺的设计，合理控制喷丸成形后的应力状态，在避免分层失效的同时，将因材料热膨胀系数差异导致的金属层拉应力状态改变为压应力状态，导致裂纹闭合效应的产生；结合该类材料在喷丸过程中造成的显著加工硬化，共同实现材料静强度及疲劳性能的显著改善。

5、本发明可实施性强，成形精度高，无回弹现象，具有重要的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的喷丸成形工艺路线图。

图2为本发明用于喷丸固定的支撑装置。

图3为本发明所述的3/2结构0°/90°铺层层板示意图。

图2中，1-支撑面间隙、2-铝合金支撑面、3-粘接处；

图3中，4-金属层、5-0°纤维层、6-90°纤维层。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

实施例1：参照附图1所示的一种纤维-金属超混杂复合层板机械喷丸成形及强化方法，包括以下步骤：

第一步，选取厚度为1.5mm的3/2结构，如图3所示，纤维铺层方向为0°/90°的玻璃纤维-铝合金超混杂复合材料，其中最上面为金属层4、中间为0°纤维层5，底部为90°纤维层6，具体材料组分为S4高强玻璃纤维、环氧树脂、2024铝合金；

第二步，通过数控铣切加工方式，将该材料裁剪至6000mm×1000mm，具体铣切工艺参数为：转速14000r/min，进给速度2m/min，背吃刀量0.1mm，刀具直径1mm，油冷；

第三步，采用粘接固定方式，将玻璃纤维-铝合金超混杂复合材料固定于支撑装置表面；支撑装置包括铝合金支撑面2以及粘接处3，在所述铝合金支撑面2上还设有若干支撑面间隙1；如图2所示，该支撑装置一般为铝合金结构，为节约材料成本并利于喷丸后零件的脱粘，支撑装置中可设有间隙，但为了防止该复合层板在喷丸过程中的变形，间隙面积应小于支撑面积；

传统金属材料一般用直径大于0.6mm以上铸钢丸进行成形，成形的强度也很高；而该纤维-金属超混杂复合层板仅能使用陶瓷弹丸，弹丸的直径和强度都有严格的上限，以避免材料的失效和损伤；

本发明中喷丸成形和强化是同时进行，在喷丸前即对喷丸参数进行设计，在成形的同时形成表面低于200MPa的压应力，以达到强化目的；

第四步，选择AZB425陶瓷弹丸，在0.155A的喷丸强度下对材料进行单面喷丸成形，使材料获得60%喷丸覆盖率。具体工艺参数为：喷丸压力0.2MPa，流量5Kg/min，距离500mm，喷射角度45°，机床速度368.3mm/min。最终获得玻璃纤维-铝合金超混杂复合材料双曲率构件；

第五步，通过超声波C扫对喷丸后的玻璃纤维-铝合金超混杂复合材料进行失效情况检查，并采用三坐标测量仪测试构件的曲率；采用手动喷丸对构件进行校形。

实施例2

第一步，选取厚度为2.6mm的5/4结构，纤维铺层方向为0°/0°的碳纤维-钛合金超混杂复合材料，具体材料组分为T700碳纤维、聚酰亚胺树脂、TC4铝合金；

第二步，通过数控铣切加工方式，将该材料裁剪至600mm×600mm。具体工艺参数为：转速10000r/min，进给速度1m/min，背吃刀量0.1mm，刀具直径2mm，水冷；

第三步，采用粘接固定方式，将碳纤维-钛合金超混杂复合材料固定于支撑装置表面；

第四步，选择AZB600陶瓷弹丸，在0.25A的喷丸强度下对材料进行单面喷丸成形，使材料获得80%喷丸覆盖率。具体工艺参数为：喷丸压力0.22MPa，流量10Kg/min，距离600mm，喷射角度90°，机床速度505.5mm/min。最终获得玻璃纤维-铝合金超混杂复合材料球面构件；

第五步，通过超声波C扫对喷丸后的玻璃纤维-铝合金超混杂复合材料进行失效情况检查，并采用三坐标测量仪测试构件的曲率；一般不需要进行校形处理。

实施例3

第一步，选取厚度为1.0mm的2/1结构，纤维铺层方向为0°/90°/0°的碳纤维-铝合金混杂复合材料，具体材料组分为T300碳纤维、聚丙烯树脂、7075铝合金；

第二步，通过数控铣切加工方式，将该材料裁剪至3000mm×900mm，具体铣切工艺参数为：转速16000r/min，进给速度2m/min，背吃刀量0.05mm，刀具直径05mm，油冷；

第三步，采用粘接固定方式，将碳纤维-钛合金超混杂复合材料固定于支撑装置表面；

第四步，选择AZB210陶瓷弹丸，在0.105A的喷丸强度下对材料进行双面喷丸成形及强化，使材料获得100%喷丸覆盖率。具体工艺参数为：喷丸压力0.35MPa，流量6Kg/min，距离500mm，喷射角度45°，机床速度1471mm/min。最终获得玻璃纤维-铝合金超混杂复合材料单曲率构件；

第五步，通过超声波C扫对喷丸后的玻璃纤维-铝合金超混杂复合材料进行失效情况检查，并采用三坐标测量仪测试构件的曲率；一般不需要进行校形处理。

表格1：为本发明纤维-金属超混杂复合材料喷丸前后性能对照表格

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

检测方面，一般金属材料喷丸后是不用无损检测的，但这个材料是复合材料，损伤不是肉眼可见的，必须加上损伤的检测。可这样补充：本发明结合纤维-金属超混杂复合材料在机械加工、失效行为及损伤检测等方面的专有特征，较传统金属材料，在喷丸成形的步骤中，提出了适于该类复合材料专有的裁剪、固定及喷丸工艺，并增加了无损检测，形成了一套适于该类材料的裁剪、固定、成形、检测方法，对该类材料的其它成形加工提供了重要指导。