引  言

碳纖維增強復合材料（CFRP：Carbon Fiber Reinforced Plastics）因其高比強度、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)和其他領域。然而CFRP屬于典型難加工材料，尤其是制孔加工，CFRP構件為了與其他零部件裝配通常要對其進行大量的制孔，傳統(tǒng)制孔加工技術難以滿足要求，這成為CFRP推廣應用的瓶頸。

為了研發(fā)高效高質量、低成本的CFRP制孔技術，南方科技大學吳勇波講席教授團隊的汪強博士后研究員等人利用島津公司的inspeXio SMX-225CT FPD HR微焦點X射線CT系統(tǒng)，觀察新技術斜螺旋銑削法（THM）和傳統(tǒng)螺旋銑削法（CHM）所獲得CFRP制孔加工質量。通過inspeXio SMX-225CT FPD HR微焦點X射線CT系統(tǒng)對兩種不同方法CFRP制孔加工樣品進行掃描成像,再使用VG軟件對其數(shù)據(jù)進行比較分析，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。這驗證了斜螺旋銑削法這一新技術相比傳統(tǒng)螺旋銑削法更有利于CFRP高質量制孔加工。

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X射線CT系統(tǒng)外觀圖

圖1是通過微焦點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inspeXio SMX-225CT FPD HR CT設備中直接掃描，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X射線CT系統(tǒng)（圖2）。特點是檢出器動態(tài)范圍大，相當于1400萬像素的輸入分辨率，加之進一步改良過的高輸出微焦點X射線發(fā)生器，*顛覆了“無法在高電壓輸出設備上獲得輕質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)和檢查的實驗。

 圖3  基于CHM和THM加工孔的3D掃描圖

（圖片版權歸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，孔表面在90°<α<180°時特別粗糙；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

（圖片版權歸Int J Adv ManufTechnol所有）

 圖5  CHM和THM加工孔CT橫截面圖
（圖片版權歸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，隨著加工進行，孔出口直徑逐漸擴大到所需直徑，從而完成第二階段的孔出口加工。在這個過程中，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，從而實現(xiàn)孔出口的高質量加工。

 圖6  CHM和THM加工孔CT橫截面圖
（圖片版權歸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表面展開，可以清晰的觀察CHM(θ=0°)和THM(θ=5°)的孔內表面形貌。這一分析手段有利于觀察分析被測物體內部結構，是本公司產(chǎn)品的優(yōu)勢之一。在CHM中，當90°<α<180°時，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掃描驗證缺陷位置。

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