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島津微焦點(diǎn)CT系統(tǒng)助力碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)制孔加工新技術(shù)

閱讀:295        發(fā)布時(shí)間:2020-5-13

 

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics)因其高比強(qiáng)度、高比剛性和良好的耐腐蝕性而廣泛用于航空航天、國防工業(yè)和其他領(lǐng)域。然而CFRP屬于典型難加工材料,尤其是制孔加工,CFRP構(gòu)件為了與其他零部件裝配通常要對其進(jìn)行大量的制孔,傳統(tǒng)制孔加工技術(shù)難以滿足要求,這成為CFRP推廣應(yīng)用的瓶頸。

 

為了研發(fā)高效高質(zhì)量、低成本的CFRP制孔技術(shù),南方科技大學(xué)吳勇波講席教授團(tuán)隊(duì)的汪強(qiáng)博士后研究員等人利用島津公司的inspeXio SMX-225CT FPD HR微焦點(diǎn)X射線CT系統(tǒng),觀察新技術(shù)斜螺旋銑削法(THM)和傳統(tǒng)螺旋銑削法(CHM)所獲得CFRP制孔加工質(zhì)量。通過inspeXio SMX-225CT FPD HR微焦點(diǎn)X射線CT系統(tǒng)對兩種不同方法CFRP制孔加工樣品進(jìn)行掃描成像,再使用VG軟件對其數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)利用CHM獲得孔的表面出現(xiàn)明顯毛刺,而使用THM獲得孔的表面非常光滑。這驗(yàn)證了斜螺旋銑削法這一新技術(shù)相比傳統(tǒng)螺旋銑削法更有利于CFRP高質(zhì)量制孔加工。

 

 

論文鏈接:https://doi.org/10.1007/s00170-018-2995-5

1  基于CHM和THM的加工孔的3D掃描圖

 2  inspeXio SMX-225CT FPD HR微焦點(diǎn)X射線CT系統(tǒng)外觀圖

 

1是通過微焦點(diǎn)CT掃描后的三維立體圖像。無需特殊前處理,直接把樣品放進(jìn)inspeXio SMX-225CT FPD HR CT設(shè)備中直接掃描,測試速度快,短短幾分鐘就可以得出清晰的圖像。島津公司inspeXio SMX-225CT FPD HR是一款高性能微焦點(diǎn)X射線CT系統(tǒng)(圖2)。特點(diǎn)是檢出器動(dòng)態(tài)范圍大,相當(dāng)于1400萬像素的輸入分辨率,加之進(jìn)一步改良過的高輸出微焦點(diǎn)X射線發(fā)生器,*顛覆了“無法在高電壓輸出設(shè)備上獲得輕質(zhì)材料的高清晰高對比度的圖像”這一常識,能夠獲得大視野范圍、高分辨率、高對比度的斷面圖像。無論是在研發(fā)的復(fù)合材料(GFRP、CFRTP),還是大型鋁合金壓鑄件產(chǎn)品,這款儀器能夠完成各種樣品所需要的研究、開發(fā)和檢查的實(shí)驗(yàn)。

 

 3  基于CHM和THM加工孔的3D掃描圖

(圖片版權(quán)歸Int J Adv Manuf Technol所有)

 

3分別顯示了CHM(θ=0°)和THM(θ=5°)加工孔的CT放大掃描結(jié)果。圖像表明,CHM孔口處存在大量的毛刺,而在THM孔入口處很少出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象,從而抑制了THM孔口的撕裂。使用CHM加工時(shí),孔表面在90°<α<180°時(shí)特別粗糙;與之形成對比的是,THM中所有孔表面都是光滑的。

 

 4  擬合CHM和THM加工孔的掃描3D圖

(圖片版權(quán)歸Int J Adv ManufTechnol所有)

 

 5  CHM和THM加工孔CT橫截面圖
(圖片版權(quán)歸Int J Adv ManufTechnol所有)

 

通過CT掃描CHM(θ= 0°)和THM(θ= 5°)獲得的加工孔橫截面(圖5)。在CHM加工孔的入口和出口表面都發(fā)現(xiàn)了分層,這與THM加工的沒有觀察到分層的孔形成鮮明的對比。THM加工孔表面要比CHM好得多,這歸功于在THM加工中,孔的出口加工是分階段形成:在第一階段,會(huì)生成直徑小于所需直徑的孔出口,隨著加工進(jìn)行,孔出口直徑逐漸擴(kuò)大到所需直徑,從而完成第二階段的孔出口加工。在這個(gè)過程中,第一階段形成的孔出口分層可以在第二階段孔加工中消除,從而實(shí)現(xiàn)孔出口的高質(zhì)量加工。

 

 6  CHM和THM加工孔CT橫截面圖
(圖片版權(quán)歸Int J Adv Manuf Technol所有)

 

 7  THM加工孔CT展開圖(a)和SEM圖(b)
(圖片版權(quán)歸Int J Adv Manuf Technol所有)

 

在圖6和圖7中,通過CT掃描后用圖像處理軟件把孔內(nèi)表面展開,可以清晰的觀察CHM(θ=0°)和THM(θ=5°)的孔內(nèi)表面形貌。這一分析手段有利于觀察分析被測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu),是本公司產(chǎn)品的優(yōu)勢之一。在CHM中,當(dāng)90°<α<180°時(shí),可以看到粗糙的表面缺陷位于α=135°附近。但是在THM中,所有α角度的鉆孔表面都是光滑的。后通過SEM掃描驗(yàn)證缺陷位置。

 

SMX-225CT FPD HR微焦點(diǎn)X射線CT系統(tǒng)掃描結(jié)果協(xié)助研究者驗(yàn)證了THM加工方法在CFRP制孔加工中顯著優(yōu)于CHM,為后續(xù)研究提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

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