岛津微焦点CT系统助力碳纤维增强复合材料（CFRP）制孔加工新技术

引  言

碳纤维增强复合材料（CFRP：Carbon Fiber Reinforced Plastics）因其高比强度、高比刚性和良好的耐腐蚀性而广泛用于航空航天、国防工业和其他领域。然而CFRP属于典型难加工材料，尤其是制孔加工，CFRP构件为了与其他零部件装配通常要对其进行大量的制孔，传统制孔加工技术难以满足要求，这成为CFRP推广应用的瓶颈。

为了研发高效高质量、低成本的CFRP制孔技术，南方科技大学吴勇波讲席教授团队的汪强博士后研究员等人利用岛津公司的inspeXio SMX-225CT FPD HR微焦点X射线CT系统，观察新技术斜螺旋铣削法（THM）和传统螺旋铣削法（CHM）所获得CFRP制孔加工质量。通过inspeXio SMX-225CT FPD HR微焦点X射线CT系统对两种不同方法CFRP制孔加工样品进行扫描成像,再使用VG软件对其数据进行比较分析，发现利用CHM获得孔的表面出现明显毛刺，而使用THM获得孔的表面非常光滑。这验证了斜螺旋铣削法这一新技术相比传统螺旋铣削法更有利于CFRP高质量制孔加工。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s00170-018-2995-5

图1  基于CHM和THM的加工孔的3D扫描图

图2  inspeXio SMX-225CT FPD HR微焦点X射线CT系统外观图

图1是通过微焦点CT扫描后的三维立体图像。无需特殊前处理，直接把样品放进inspeXio SMX-225CT FPD HR CT设备中直接扫描，测试速度快，短短几分钟就可以得出清晰的图像。岛津公司inspeXio SMX-225CT FPD HR是一款高性能微焦点X射线CT系统（图2）。特点是检出器动态范围大，相当于1400万像素的输入分辨率，加之进一步改良过的高输出微焦点X射线发生器，完全颠覆了“无法在高电压输出设备上获得轻质材料的高清晰高对比度的图像”这一常识，能够获得大视野范围、高分辨率、高对比度的断面图像。无论是在研发的复合材料（GFRP、CFRTP）,还是大型铝合金压铸件产品，这款仪器能够完成各种样品所需要的研究、开发和检查的实验。

图3  基于CHM和THM加工孔的3D扫描图

（图片版权归Int J Adv Manuf Technol所有）

图3分别显示了CHM(θ=0°)和THM(θ=5°)加工孔的CT放大扫描结果。图像表明，CHM孔口处存在大量的毛刺，而在THM孔入口处很少出现毛刺现象，从而抑制了THM孔口的撕裂。使用CHM加工时，孔表面在90°<α<180°时特别粗糙；与之形成对比的是，THM中所有孔表面都是光滑的。

图4  拟合CHM和THM加工孔的扫描3D图

（图片版权归Int J Adv ManufTechnol所有）

图5  CHM和THM加工孔CT横截面图
（图片版权归Int J Adv ManufTechnol所有）

通过CT扫描CHM（θ= 0°）和THM（θ= 5°）获得的加工孔横截面（图5）。在CHM加工孔的入口和出口表面都发现了分层，这与THM加工的没有观察到分层的孔形成鲜明的对比。THM加工孔表面要比CHM好得多，这归功于在THM加工中，孔的出口加工是分阶段形成：在第一阶段，会生成直径小于所需直径的孔出口，随着加工进行，孔出口直径逐渐扩大到所需直径，从而完成第二阶段的孔出口加工。在这个过程中，第一阶段形成的孔出口分层可以在第二阶段孔加工中消除，从而实现孔出口的高质量加工。

图6  CHM和THM加工孔CT横截面图
（图片版权归Int J Adv Manuf Technol所有）

图7  THM加工孔CT展开图(a)和SEM图（b）
（图片版权归Int J Adv Manuf Technol所有）

在图6和图7中，通过CT扫描后用专用图像处理软件把孔内表面展开，可以清晰的观察CHM(θ=0°)和THM(θ=5°)的孔内表面形貌。这一分析手段有利于观察分析被测物体内部结构，是本公司产品的优势之一。在CHM中，当90°<α<180°时，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角度的钻孔表面都是光滑的。最后通过SEM扫描验证缺陷位置。

SMX-225CT FPD HR微焦点X射线CT系统扫描结果协助研究者验证了THM加工方法在CFRP制孔加工中显著优于CHM，为后续研究提供了准确的数据。