引  言

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

圖1  基于CHM和THM的加工孔的3D掃描圖

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

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)。

 圖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）

圖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。

 圖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）

 圖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。

 圖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）

 圖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),。