本發(fā)明屬于先進復(fù)合材料的成形技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種纖維-金屬超混雜復(fù)合層板機械噴丸成形及強化方法。

背景技術(shù)：

纖維-金屬超混雜復(fù)合材料是一種由金屬薄板和纖維復(fù)合材料交替鋪層后，在一定的溫度和壓力下固化而成的層間混雜復(fù)合材料。其綜合了傳統(tǒng)纖維復(fù)合材料和金屬材料的特點，具有高的比強度和比剛度，優(yōu)良的疲勞性能以及高的損傷容限，這些優(yōu)勢使得該類材料已在航空航天工業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用，并在軌道交通、汽車及其它工業(yè)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛質(zhì)。

纖維-金屬超混雜復(fù)合材料構(gòu)件的成形一般具有兩個思路，即在熱壓固化前或固化的同時，成形出目標形狀；或針對已熱壓罐制備的Glare平板，開展其后續(xù)成形。

根據(jù)第一種思路，代爾夫特理工大學(xué)提出了所謂的自成形技術(shù)(Self-forming technique)，并將其廣泛應(yīng)用于飛機機身、機翼壁板用超混雜復(fù)合材料構(gòu)件的成形。自成形技術(shù)是將纖維-金屬超混雜復(fù)合材料在具有目標形狀尺寸的模具中鋪貼、熱壓罐固化，以在材料制備的同時即獲得有曲率的形狀。然而，自成形僅能制造曲率較小的單曲率構(gòu)件，無法成形更復(fù)雜的雙曲率或多曲率構(gòu)件；同時，該工藝需在材料熱壓罐固化的同時進行成形，其成形加工的靈活性小，模具成本高。不僅如此，自成形工藝的回彈問題顯著，需進行經(jīng)驗性的反復(fù)修模，增大模具制造成本。中國專利CN201410056071.3公開了一種名稱為“Glare構(gòu)件的制備成形方法”發(fā)明專利，但該專利無法在熱壓罐中進行制備，所獲得的纖維-金屬超混雜復(fù)合材料會存在顯著缺陷，無法達到航空航天構(gòu)件的制造要求。

除了自成形技術(shù)，較多研究也集中于纖維-金屬超混雜復(fù)合材料在完成熱壓罐制備后的后續(xù)成形方法；但由于纖維的破壞應(yīng)變小，導(dǎo)致材料的成形極限遠小于相應(yīng)的金屬材料，并易于產(chǎn)生層間破壞，成形難度大。對于單曲率構(gòu)件，一般采用滾彎成形；而對于雙曲率構(gòu)件，目前主要采用拉伸成形。但由于纖維-金屬超混雜復(fù)合材料的破壞應(yīng)變很小，滾彎和拉伸成形時的工藝窗口小，構(gòu)件形狀受到很大限制。

噴丸是利用高速噴射的彈丸流撞擊金屬構(gòu)件表面，使其產(chǎn)生變形、表面強化及表面清理的技術(shù)，是一種多次表面沖擊形式的冷處理過程。根據(jù)噴丸的目的，主要可分為噴丸成形和噴丸強化兩種。其中，噴丸成形是在彈丸高速撞擊金屬薄板表面的過程中，使受噴表面發(fā)生塑性變形，形成殘余應(yīng)力，并逐步使構(gòu)件達到其目標曲率要求的成形方法。其作為一種無模成形工藝，具有準備周期短、成本低、加工長度不受設(shè)備規(guī)格限制、工藝過程穩(wěn)定及再現(xiàn)性好、加工件抗疲勞壽命長和抗應(yīng)力腐蝕性能等優(yōu)點。

中國專利CN 201520006846公開了一種名稱為“一種雙金屬復(fù)合管的噴丸成形裝置”發(fā)明專利，該專利主要由高速螺旋噴丸器及移動裝置組成。該專利成形形狀單一，無法制備多層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜零件，用途局限大，更重要的是，僅適用于單純金屬層板的噴丸成形，并不適用于纖維-金屬超混雜復(fù)合材料的成形，且也未實現(xiàn)工程化應(yīng)用。

目前的噴丸成形及強化技術(shù)均局限于金屬材料，未有針對復(fù)合材料的工程實例；同時，纖維-金屬超混雜復(fù)合材料的噴丸成形與傳統(tǒng)金屬材料存在顯著的差異。首先，噴丸成形的機理是利用高速彈丸流撞擊金屬板材表面，使受撞擊的表層材料產(chǎn)生塑性變形及殘余應(yīng)力，引起內(nèi)層材料發(fā)生變形。纖維-金屬超混雜復(fù)合材料作為層狀復(fù)合材料，在固化過程已形成復(fù)雜的應(yīng)力場，噴丸成形后，其應(yīng)力存在再平衡過程，且以剪應(yīng)力存在于纖維層/金屬層界面，易于導(dǎo)致分層失效。其次，纖維-金屬超混雜復(fù)合材料的金屬層和纖維層僅為0.2mm-0.5mm，采用現(xiàn)有金屬材料的噴丸方法與工藝直接會導(dǎo)致纖維損傷與界面失效，無法滿足其成形要求。此外，纖維層的存在一方面會在彈丸擊打復(fù)合材料表面時，通過改變金屬層的局部塑形變形行為影響應(yīng)力的產(chǎn)生特征，同時還會在復(fù)合材料整體變形時，對材料的協(xié)同變形規(guī)律造成影響，如何通過噴丸方法和工藝的控制，實現(xiàn)纖維-金屬超混雜復(fù)合材料構(gòu)件的制造具有極大的難度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述存在的問題，本發(fā)明旨在提供一種纖維-金屬超混雜復(fù)合層板機械噴丸成形及強化方法，該方法是目前針對纖維-金屬超混雜復(fù)合材料提出的唯一柔性無模成形方法，其成本低、靈活度高的優(yōu)點為該類復(fù)合材料雙曲率、多曲率構(gòu)件的成形提供了有效的解決方法，可滿足航空、航天工業(yè)對該類復(fù)合材料大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的迫切需求；也為其它層狀復(fù)合材料的塑性成形提供了較好的思路。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種纖維-金屬超混雜復(fù)合層板機械噴丸成形及強化方法，包括以下步驟：

1）裁剪：將纖維-金屬超混雜復(fù)合材料裁剪至目標尺寸；在轉(zhuǎn)速10000r/min以上，刀具直徑2mm條件下的銑切，并采用粘接固定方式將復(fù)合層板固定于工作臺；

2）噴丸固定：采用上述粘接固定方式，將該復(fù)合材料固定于支撐裝置表面；

3）噴丸成形及強化：選擇合理的彈丸及噴丸工藝，對纖維-金屬超混雜復(fù)合材料進行成形和強化；

選擇直徑小于0.425mm的陶瓷噴丸，使用噴丸強度低于0.25A的噴丸工藝對復(fù)合材料表面進行60%-100%覆蓋率下的噴丸成形，控制噴丸表層的殘余壓應(yīng)力低于200MPa；

4）失效及曲率檢測：分別通過超聲波C掃和檢具對所成形的構(gòu)件進行損傷和曲率檢測分析；

5）校形：未達到目標尺寸要求的構(gòu)件進行手動噴丸校形。

作為優(yōu)選，所述纖維-金屬超混雜復(fù)合層板是纖維材料與金屬交替鋪層后固化的層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。

作為優(yōu)選，所述層狀機構(gòu)特征為2/1結(jié)構(gòu)、3/2結(jié)構(gòu)、4/3結(jié)構(gòu)、5/4結(jié)構(gòu)。

作為優(yōu)選，所述步驟（1）的裁剪方法為轉(zhuǎn)速10000r/min以上，刀具直徑2mm以下的銑切，并采用粘接固定方式將復(fù)合層板固定于工作臺，以保障加工質(zhì)量并防止復(fù)合層板的分層失效。

本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的改進之處在于，

1、本發(fā)明提供了一種針對于纖維-金屬超混雜復(fù)合材料的柔性無模成形方法，顯著降低了其它塑性成形在模具加工、反復(fù)修模上等方面的生產(chǎn)成本；其加工靈活性強，構(gòu)件尺寸不受設(shè)備規(guī)格限制，有效解決了大型飛機機翼等大尺寸構(gòu)件（長度20米以上）的成形難題。

2、本發(fā)明基于纖維-金屬超混雜復(fù)合材料固有殘余應(yīng)力與噴丸應(yīng)力的平衡作用形成變形，克服了自成形技術(shù)、滾彎成形技術(shù)僅能成形單曲率構(gòu)件的缺點，為纖維金屬超混雜復(fù)合材料的復(fù)雜雙曲率、多曲率構(gòu)件的成形制造提供了有效的解決方法。

3、本發(fā)明結(jié)合纖維-金屬超混雜復(fù)合材料在機械加工、失效行為及損傷檢測等方面的專有特征，提出了一套適于該類材料的裁剪、固定、檢測的方法，檢測方面，一般金屬材料噴丸后是不用無損檢測的，但這個材料是復(fù)合材料，損傷不是肉眼可見的，必須加上損傷的檢測。本發(fā)明結(jié)合纖維-金屬超混雜復(fù)合材料在機械加工、失效行為及損傷檢測等方面的專有特征，較傳統(tǒng)金屬材料，在噴丸成形的步驟中，提出了適于該類復(fù)合材料專有的裁剪、固定及噴丸工藝，并增加了無損檢測，形成了一套適于該類材料的裁剪、固定、成形、檢測方法，對該類材料的其它成形加工提供了重要指導(dǎo)。

4、本發(fā)明通過噴丸工藝的設(shè)計，合理控制噴丸成形后的應(yīng)力狀態(tài)，在避免分層失效的同時，將因材料熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的金屬層拉應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致裂紋閉合效應(yīng)的產(chǎn)生；結(jié)合該類材料在噴丸過程中造成的顯著加工硬化，共同實現(xiàn)材料靜強度及疲勞性能的顯著改善。

5、本發(fā)明可實施性強，成形精度高，無回彈現(xiàn)象，具有重要的工程應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的噴丸成形工藝路線圖。

圖2為本發(fā)明用于噴丸固定的支撐裝置。

圖3為本發(fā)明所述的3/2結(jié)構(gòu)0°/90°鋪層層板示意圖。

圖2中，1-支撐面間隙、2-鋁合金支撐面、3-粘接處；

圖3中，4-金屬層、5-0°纖維層、6-90°纖維層。

具體實施方式

為了使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的描述。

實施例1：參照附圖1所示的一種纖維-金屬超混雜復(fù)合層板機械噴丸成形及強化方法，包括以下步驟：

第一步，選取厚度為1.5mm的3/2結(jié)構(gòu)，如圖3所示，纖維鋪層方向為0°/90°的玻璃纖維-鋁合金超混雜復(fù)合材料，其中最上面為金屬層4、中間為0°纖維層5，底部為90°纖維層6，具體材料組分為S4高強玻璃纖維、環(huán)氧樹脂、2024鋁合金；

第二步，通過數(shù)控銑切加工方式，將該材料裁剪至6000mm×1000mm，具體銑切工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速14000r/min，進給速度2m/min，背吃刀量0.1mm，刀具直徑1mm，油冷；

第三步，采用粘接固定方式，將玻璃纖維-鋁合金超混雜復(fù)合材料固定于支撐裝置表面；支撐裝置包括鋁合金支撐面2以及粘接處3，在所述鋁合金支撐面2上還設(shè)有若干支撐面間隙1；如圖2所示，該支撐裝置一般為鋁合金結(jié)構(gòu)，為節(jié)約材料成本并利于噴丸后零件的脫粘，支撐裝置中可設(shè)有間隙，但為了防止該復(fù)合層板在噴丸過程中的變形，間隙面積應(yīng)小于支撐面積；

傳統(tǒng)金屬材料一般用直徑大于0.6mm以上鑄鋼丸進行成形，成形的強度也很高；而該纖維-金屬超混雜復(fù)合層板僅能使用陶瓷彈丸，彈丸的直徑和強度都有嚴格的上限，以避免材料的失效和損傷；

本發(fā)明中噴丸成形和強化是同時進行，在噴丸前即對噴丸參數(shù)進行設(shè)計，在成形的同時形成表面低于200MPa的壓應(yīng)力，以達到強化目的；

第四步，選擇AZB425陶瓷彈丸，在0.155A的噴丸強度下對材料進行單面噴丸成形，使材料獲得60%噴丸覆蓋率。具體工藝參數(shù)為：噴丸壓力0.2MPa，流量5Kg/min，距離500mm，噴射角度45°，機床速度368.3mm/min。最終獲得玻璃纖維-鋁合金超混雜復(fù)合材料雙曲率構(gòu)件；

第五步，通過超聲波C掃對噴丸后的玻璃纖維-鋁合金超混雜復(fù)合材料進行失效情況檢查，并采用三坐標測量儀測試構(gòu)件的曲率；采用手動噴丸對構(gòu)件進行校形。

實施例2

第一步，選取厚度為2.6mm的5/4結(jié)構(gòu)，纖維鋪層方向為0°/0°的碳纖維-鈦合金超混雜復(fù)合材料，具體材料組分為T700碳纖維、聚酰亞胺樹脂、TC4鋁合金；

第二步，通過數(shù)控銑切加工方式，將該材料裁剪至600mm×600mm。具體工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速10000r/min，進給速度1m/min，背吃刀量0.1mm，刀具直徑2mm，水冷；

第三步，采用粘接固定方式，將碳纖維-鈦合金超混雜復(fù)合材料固定于支撐裝置表面；

第四步，選擇AZB600陶瓷彈丸，在0.25A的噴丸強度下對材料進行單面噴丸成形，使材料獲得80%噴丸覆蓋率。具體工藝參數(shù)為：噴丸壓力0.22MPa，流量10Kg/min，距離600mm，噴射角度90°，機床速度505.5mm/min。最終獲得玻璃纖維-鋁合金超混雜復(fù)合材料球面構(gòu)件；

第五步，通過超聲波C掃對噴丸后的玻璃纖維-鋁合金超混雜復(fù)合材料進行失效情況檢查，并采用三坐標測量儀測試構(gòu)件的曲率；一般不需要進行校形處理。

實施例3

第一步，選取厚度為1.0mm的2/1結(jié)構(gòu)，纖維鋪層方向為0°/90°/0°的碳纖維-鋁合金混雜復(fù)合材料，具體材料組分為T300碳纖維、聚丙烯樹脂、7075鋁合金；

第二步，通過數(shù)控銑切加工方式，將該材料裁剪至3000mm×900mm，具體銑切工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速16000r/min，進給速度2m/min，背吃刀量0.05mm，刀具直徑05mm，油冷；

第三步，采用粘接固定方式，將碳纖維-鈦合金超混雜復(fù)合材料固定于支撐裝置表面；

第四步，選擇AZB210陶瓷彈丸，在0.105A的噴丸強度下對材料進行雙面噴丸成形及強化，使材料獲得100%噴丸覆蓋率。具體工藝參數(shù)為：噴丸壓力0.35MPa，流量6Kg/min，距離500mm，噴射角度45°，機床速度1471mm/min。最終獲得玻璃纖維-鋁合金超混雜復(fù)合材料單曲率構(gòu)件；

第五步，通過超聲波C掃對噴丸后的玻璃纖維-鋁合金超混雜復(fù)合材料進行失效情況檢查，并采用三坐標測量儀測試構(gòu)件的曲率；一般不需要進行校形處理。

表格1：為本發(fā)明纖維-金屬超混雜復(fù)合材料噴丸前后性能對照表格

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。

檢測方面，一般金屬材料噴丸后是不用無損檢測的，但這個材料是復(fù)合材料，損傷不是肉眼可見的，必須加上損傷的檢測?？蛇@樣補充：本發(fā)明結(jié)合纖維-金屬超混雜復(fù)合材料在機械加工、失效行為及損傷檢測等方面的專有特征，較傳統(tǒng)金屬材料，在噴丸成形的步驟中，提出了適于該類復(fù)合材料專有的裁剪、固定及噴丸工藝，并增加了無損檢測，形成了一套適于該類材料的裁剪、固定、成形、檢測方法，對該類材料的其它成形加工提供了重要指導(dǎo)。