纤维金属层板曲面零件成形技术研究

*

技术研究

刘建光，张嘉振，岳广全，葛增如

（中国商飞北京民用飞机技术研究中心民用飞机结构与复合材料北京市重点实验室，北京 102211）

[摘要] 由于具有良好的综合性能，纤维金属层板在航空、航天等领域应用越来越多。但是，成形技术是限制纤维金属层板应用的主要困难之一。对纤维金属层板塑性成形技术进行了综述，分析了纤维金属层板成形性影响因素

和成形过程的主要缺陷形式，介绍了国内外纤维金属层板曲面零件的成形技术进展以及近期提出的几种纤维金属层板成形新技术。最后，分析了纤维金属层板塑性成形存在的问题及瓶颈技术。关键词： 纤维金属层板；曲面零件；成型；回弹；分层DOI:10.16080/j.issn1671–833x.2019.16.046

纤维金属层板（FMLs）是一种的优化设计。由于具有优良的综合由高强度金属薄板与纤维预浸料相性能，FMLs逐渐在航空、航天领域互交替铺层，经一定固化工艺成型后得到应用，降低了飞行器结构的重得到的超混杂结构材料。按照采用量，提高了疲劳寿命。波音公司将第的金属薄板和纤维增强树脂组合不二代FMLs玻璃纤维–铝合金层板同，纤维金属层板主要可分为芳纶纤（GLARE层板）用于777飞机货舱维–铝合金层板、玻璃纤维–铝合金地板，与铝合金货舱地板相比，减重层板、碳纤维–铝合金层板以及碳纤23%。空客公司将GLARE层板用于维–钛合金层板，近年来还提出了采A380飞机上机身蒙皮、垂直和水平用密度更低的镁合金的纤维金属层尾翼前缘等部位，与传统的铝合金材板[1]。从树脂角度，传统的纤维金属料相比，结构减重可高达25%~30%，层板主要采用热固性树脂，随着热塑疲劳寿命提高了10~20倍[3]。性复合材料的不断成熟，热塑性复尽管FMLs具有很多优点，但是刘建光

合材料将逐渐用于制备纤维金属层其成形问题却是限制其大规模应用博士，高级工程师，主要从事轻质

合金成形工艺研究。先后主持完成了板。与单一金属板材相比，FMLs具的主要困难之一。FMLs曲面零件国家自然科学基金、中国博士后基金、

有轻质、高强、良好的导电性、优良的成形方法可以分为两种[4–6]，一种方

哈尔滨市科技创新人才基金等10个

抗冲击和损伤容限性能、良好的阻燃法是铺贴成形技术，在模具上铺叠项目。在国内外期刊上发表学术论文

性能及耐腐蚀性能等优点[2]。而且复合材料预浸料和金属板后放入热60余篇，其中SCI、EI收录50余篇。

申请或授权发明专利6项，授权实用还可通过对层板中金属层和复合材压罐内固化，在一次工艺中完成曲新型专利1项；参编专著或译著4部，

料层的铺层厚度、铺层数量及铺层面零件的制备；另一种方法是塑性

获科技成果奖2项。

方向的变化来最大限度地实现结构成形技术，首先制备FMLs平板，然

后采用塑性成形方法成形出曲面零件。第一种方法由于复合材料层树中国商飞公司科技创新专项（Y14GS05）。*基金项目：

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航空制造技术·2019年第62卷第16期

脂不发生变形，可制备曲率半径较小、型面复杂的零件。但是，该方法相对于塑性成形技术耗费较大、且周期较长，并且复杂形状零件固化成形不易保证产品质量一致性。塑性成形是成形层板最高效的方法，但是由于FMLs各层之间性能差异较大，且纤维的变形能力有限，使得采用常规金属成形方法难于成形复杂形状FMLs零件。目前，国外对于FMLs的塑性成形技术已开展了较多的研究，并最终实现了FMLs在航空航天上的广泛应用。而国内对于FMLs层板塑性成形的相关研究尚处于起步阶段[7–8]。

本文对FMLs成形研究进展进行了综述，分析了影响其成形性的主要因素及最新成形技术进展，为下一步研究FMLs层板成形方法，以推动其在民用飞机上大规模应用提供参考。

FMLs曲面零件的主要

成形缺陷

已开展的研究表明，FMLs成形过程的失效模式主要有3种，如图1[6，9]所示。（1）表层金属板破坏。FMLs变形过程中金属层变形达到断裂极限时，容易出现开裂。例如弯曲变形，层板的外层为拉应力，当弯曲半径小于最小弯曲半径时，可能出现表层开裂，如图1（a）所示。同时，弯曲过程中内层面板也可能出现起皱缺陷，如图1（b）所示。

（2）纤维树脂层破坏。其原因是由于金属板材与纤维树脂层力学性能差异较大，例如玻璃纤维的极限变形仅为4.5%，树脂的变形能力也较差。纤维金属层板变形过程中，容易出现树脂基体或玻璃纤维的断裂，如图1（c）和（d）所示。但是，纤维树脂层断裂不会导致层板整体的失效。（3）金属与纤维增强树脂分层。

Metal Forming

金属成形

金属与纤维树脂分层是FMLs成形过程经常出现的缺陷形式，这与金属与纤维增强树脂层之间的界面剪切强度有关，当界面的剪切应力增加，将出现层与层之间的开胶或脱层，如图1（e）所示。

FMLs成形性影响因素研究

（a）铝合金面板开裂

概括来说，FMLs成形性影响因素主要包括以下3方面：（1）金属板材的成形性能。金属层板材的成形性很大程度上影响着FMLs的成形性，这与单一层板材成形是一致的。金属层板（b）铝合金面板起皱

材成形性越好，相应的FMLs成形性越好。由2024铝合金组成的FMLs成形性优于7075铝合金组成的FMLs。例如，FMLs板材弯曲过程，金属层的最小弯曲半径和金属板壁厚是影响FMLs最小弯曲半径的主要因素之一，FMLs壁厚越厚，最小（c）树脂基体断裂

弯曲半径越大[10]。表1[10]给出了部分GLARE层板的最小弯曲半径。（2）复合材料层力学性能。

由于纤维和树脂变形能力有限，FMLs成形过程中，复合材料层仅发生弹性变形，复合材料层纤维的极限断裂应变和弹性特性是影响FMLs成形性的主要因素。FMLs塑性成（d）纤维断裂

形过程中复合材料层常见的缺陷有纤维断裂和树脂开裂，热塑性树脂/金属层板较热固性树脂/金属层板具有更好的成形性，如何提高复合材料层变形能力也是提高FMLs成形性的重要途经。此外，纤维的铺层方向也是影响FMLs成形性的重要因素之一。例如，FMLs层板弯曲过程，不同的铺层顺序和弯曲方向，成形后的零件回弹量不同[11–13]。图2[12]所示为不同铺层方向U形件弯曲回弹后试验件对比，可以看出，铺层结构对回弹量影响很大。（3）成形工艺参数。（e）分层

在成形工艺方面，成形温度、成图1 GLARE层板主要失效模式

形速度、压边力、凸模圆角半径、预热

Fig.1 Main defects of GLARE

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论坛FORUM表1 GLARE 2 和GLARE 3最小弯曲半径

Table 1 GLARE 2 and GLARE 3 minimum bending radius FMLs结构GLARE 2 2/1–0.3壁厚/mm 0.83弯曲方向LLTLLTLLTLLTLLTLLT最小弯曲半径/mm 0.92.03.210.03.08.01.31.35.08.05.49.0温度、冲头压力等工艺参数都是影响FMLs成形性的重要因素[13–16]。如图3所示为成形温度对回弹的影响，随着成形温度的提高，FMLs弯曲后回弹量减低。

FMLs曲面零件成形技术

研究进展

1 弯曲成形

FMLs成形始于单曲率零件，弯曲成形是单曲率FMLs零件的主要成形方法，其中应用最多的是辊弯成形工艺。以Delft大学为代表的国外相关研究机构对GLARE层板辊弯成形过程的纤维铺层设计、回弹控制都进行了系统研究，并结合有限元模拟技术获得了大量的理论和试验结果。1993年，波音公司及空中客车公司开始研究将GLARE层板应用于主机舱蒙皮，辊弯成形技术开始实现了在GLARE层板上的工业应用。但是，研究发现，采用辊弯成形方法仅可以成形简单曲率的GLARE层板零件，对于周向纤维方向分布的零件，弯曲后的回弹非常大，而且更重要的是，采用辊弯方法无法成形双曲率的零件[9]。除了辊弯成形方法外，压弯成形工艺也是成形GLARE层板结构单曲率零件的常用方法，采用弯曲成形GLARE层板时，冲头半径、冲压速度和载荷均会影响GLARE层板弯曲后的回弹[14]。而且，该种成形方法的工艺窗口非常窄，当弯曲半径小于3mm时，常出现分层或开裂。而对于大曲率半径的GLARE层板零件，弯曲后的回弹较大，且难于预测和控制。图4[9]所示为采用GLARE层板成形的长桁。

2 冲压成形

冲压成形是最简单有效的板材成形方法。已经开展的FMLs冲压成形过程试验和数值模拟，针对纤维铺层、预热温度、压边力、冲头半径等影响开展了研究。Liu等[17]研究了2/1结构GLARE层板冲压成形过

GLARE 2 3/2–0.21.16GLARE 2 3/2–0.31.37GLARE 3 2/1–0.30.88GLARE 3 3/2–0.21.14GLARE 3 3/2–0.31.44A1A2A3A4A5A6A7A8

0°/0°/0°0°/0°/90°0°/90°/0°0°/90°/90°90°/0°/0°90°/0°/90°90°/90°/0°90°/90°/90°

图2 不同铺层结构FMLs弯曲–回弹后试样

Fig.2 Springback of FMLs based on the different layups

图3 成形温度对回弹影响

Fig.3 Effect of forming temperature on springback

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Metal Forming

金属成形

程纤维铺层的影响规律，结果表明：纤维单向铺层和多向铺层对半球零件壁厚减薄和表面质量具有显著影响，多向铺层可实现零件更好的成形。Mosse等[15]在铝合金/自增强聚丙烯层压板冲压成形前进行预热，得到了无缺陷的杯形件。进一步研究表明，工具预热温度在成形过程中起主要作用，并且温度不宜过高，否则会影响层板内树脂基体导致起皱。此外，还研究了压边力、冲头速度和圆角半径对弯曲半径和尺寸误差的影响[16]。Hahn等[18]研究了单向碳纤维增强的热塑性树脂基纤维金属层板热冲压过程，建立了U形件热冲压过程的载荷计算模型。Rajabi等[19]也针对玻璃纤维增强的聚丙烯/铝合金层板拉深过程成形温度和压边力的影响开展试验和数值模拟研究，提高成形温度可降低成形力，成形温度和压边力对起皱具有耦合影响。

3 液压成形

液压成形是一种采用流体介质作为传力介质或背向压力的一种软模成形方法。Saadatfard等[20]研究了铝合金/玻璃纤维层板充液拉深过程预胀压力、液室压力和拉深比的影响，并最终获得了可成形无缺陷层板零件的优化工艺参数。图5（a）所示为液压成形试验件，但是内部是否存在分层等缺陷，还需要进行无损检测分析。

为了克服液压成形后的试验件分层问题，Lang等[21]提出在完成液压成形后，进行热塑性树脂和金属层的固化，避免了金属层与纤维树脂层的分层缺陷，图5（b）为成形的试验件。

4 激光成形

激光板材成形是一种依靠激光束对板材的不均匀加热，在变形区引起超过材料屈服强度的内应力，使工件产生变形的一种成形方法。具有生产周期短、柔性大等特点。激光成形工艺在制造FMLs结构中的优势在于能够实现结构应用中的无损伤元件。激光成形工艺是较早应用于FMLs曲面零件成形的工艺。Carey等[22]研究了GLARE 层板的激光成形工艺，对于GLARE层板进行了低功率激光成形，并研究了纤维铺层方向、成形工艺以及复合材料的热效应等因素对成形工艺的影响。英国利物浦大学的Edwardson等[23]也

对GLARE层板的激光成形工艺开展了研究，结果表明：由于温度梯度机制，层板受到塑性压缩而弯曲。当层板层数较多时，不会有热量传递到下层层板中，从而达到最小弯曲半径的结果。随着温度的升高，各层之间会相互滑动，从而导致界面结合（金属和聚合物）失效。如果金属层板和纤维层之间的粘合失败，则会发生分层。为了避免分层，样品在制造后进行后固化。图6[23]为采用激光成形方法成形的单曲率GLARE层板零件。但是，激光成形中如果参数控制不合理，则可能出现表层开裂、表层凸起、界面脱层等缺陷，如图7[23]所示。

图6 激光成形圆柱面GLARE层板零件Fig.6 GLARE cylindric part formed by

laser forming

图4 GLARE层板弯曲成形的长桁 Fig.4 GLARE stringer formed by bending

（a）液压成形试验件（b）液压成形–固化试验件

图5 液压成形试验件

Fig.5 FMLs hydroforming

图7 激光成形中出现的缺陷Fig.7 Main defects in laser forming

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论坛FORUM5 喷丸成形

进行，制备复杂曲面形状的铝合金纤喷丸成形是一种通过金属球对维金属层板零件。该方法较先成形层压板表面的冲击作用使层压板弯金属板材后固化复合材料的曲面零曲的工艺。德国亚琛工业大学的件传统制备方法相比缩减了工序，提Russig等[24]采用喷丸成形方法成高了零件制备精度。同时，采用该方形GLARE层板零件，得到了工艺窗法制备的复杂曲面零件具有层间残口。研究结果发现采用喷丸成形方余应力小、回弹小等优点。但是，该法成形GLARE层板，工艺窗口较方法相对于传统的塑性成形方法时窄，采用小直径的粒子、较低的压力间较长。及较高的硬度比较有利于成形。同（2）高能率成形方法。

时还发现，只有GLARE 3层板可采用高能率成形方法成形纤维以采用喷丸成形方法成形出双曲率金属层板也是近年提出的一种思路，零件，如图8[24]所示，这得益于该种包括电液成形和电磁成形。崔俊佳材料的双向纤维分布。其他材料如等[27]提出一种基于电液成形的层合GLARE 1和GLARE 2只能成形出板的成形装置和方法，该方法利用电单曲率零件，无法成形出双曲率形液成形时高变形率的特性，预期可减状零件。

小成形过程中层间的剪切力，从而减FMLs成形新思路小层间开裂并且能提高层合板的横

向刚度，同时还有望解决预热冲压时为了解决纤维金属层板塑性成回弹量大的问题，并且比冲压成形具形过程层间开裂和回弹变形大的问有更高的形位精度。同样原理，孙光题，近年来不断提出了新的成形方永等[28]提出了纤维金属层板的另一法。下面对近期提出的几种新方法种高能率成形方法——电磁成形法。进行介绍。Glushchenkov等[29]开展了3/2结构（1）蠕变–固化复合成形方法。FLMs电磁成形试验研究，并将试验由于铝合金蠕变时效成形温度结果与采用橡皮垫静态成形试件结与热固性复合材料的固化温度相近，果进行了对比，电磁成形零件应变较二者可考虑在同一过程中进行。基小，有利于提高成形性，但是也增大于此原理，陶杰[25]和湛利华[26]等分了起皱的风险。别提出一种纤维金属层板构件的蠕（3）自阻加热成形法。变–固化复合成形方法，实现了铝合作者提出了一种热塑性纤维铝金纤维金属层板的制备成形一体化。合金层板零件自阻加热成形方法，该该方法提出将铝合金的蠕变时效过方法利用铝合金电流自阻加热快的程和热固性复合材料固化过程同时优点，使得热塑性纤维铝合金层板沿

R=800mml=700mm

R=5000mmw=550mm

图8 喷丸成形双曲率GLARE层板零件

Fig.8 GLARE parts formed by shot peen forming

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航空制造技术·2019年第62卷第16期

厚度方向温度呈非均匀分布，在软化

层间界面使得铝合金层板与纤维增强热塑性复合材料界面形成一层熔融状态热塑性树脂薄膜的同时，纤维增强树脂层内部仍能保持一定的强度，避免了成形过程层板厚度的大幅减薄。成形过程中当铝合金层与纤维树脂层间产生剪应力时，该层热塑性树脂熔融薄膜发生剪切变形，释放了剪应力，最终可得到无层间开裂缺陷的热塑性纤维层板零件。同时，由于铝合金温度升高后强度降低，塑性变形能力提高，弹性模量降低，有利于降低成形后层板零件的回弹，提高零件尺寸精度[30]。

FMLs曲面零件成形关键

技术问题

FMLs曲面零件成形的主要难点在于如何控制金属层与纤维层的协调变形，防止层间开裂的发生，并且由于纤维层变形能力较差，如何降低纤维层的变形也是实现曲面零件成形的关键。而且FMLs的回弹受到铺层形式的影响较单一层板更加复杂，这些因素都是制约FMLs曲面零件成形的难点。在分析国内外FMLs曲面零件成形技术研究取得的成果基础上，提出几个亟待解决的关键技术问题。

（1）单曲率零件成形尺寸精度控制。

针对单曲率FMLs零件，根据国内外开展的研究可以看出，已经基本形成较为成熟的工艺方法，即采用辊弯或压弯的方法。但是，如何控制零件尺寸精度仍然是单曲率零件成形的关键问题，即建立精确的回弹补偿方法。传统金属板材成形过程的回弹补偿算法较为成熟，但是FMLs由于采用了层状结构，纤维增强的树脂层与金属层性能差异较大，并且FMLs结构特征及纤维排布都会影响回弹量，因此建立回弹补偿算法要充分考虑层间性能差异，具

Metal Forming

金属成形

有一定难度。如何克服纤维树脂与金属层间开裂，（2）FMLs双曲率零件成形工艺。并充分提高纤维金属层板成形性。双曲率零件是FMLs成形的难题，尽管国外已经尝试采用了多种参 考 文 献工艺成形双曲率FMLs零件，但大部

[1] TAMER S, EGEMEN A, MUSTAFA

分效果不佳。因此，亟待提出一种O B, et al. A review: fibre metal laminates, 新的适合FMLs成形的工艺，克服成background, bonding types and applied test 形中出现开裂、分层等缺陷。methods [J]. Materials and Design, 2011, 32:

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金属/纤维树脂层界面，纤维/树脂基体界面。由于纤维和金属二者之间的韧性、硬度、弯曲强度等力学性

能差别较大，在变形过程中层板发生

金属层与纤维树脂层的脱层现象，造成层板的破坏。研究FMLs层板成形过程中界面结构（金属/粘结剂界面、纤维/粘结剂界面）的演化规律，获得FMLs层板发生脱层的极限成形工艺参数，可有效避免FMLs层板在成形过程中因脱层导致的层板失效问题。（4）FMLs层板成形数值分析方法。FMLs层板中纤维增强的树脂材料与金属性能差异较大，建立有限元分析模型时必须考虑各层的变形行为，同时还必须建立层间界面模型。建立精确的有限元分析模型需要解决以下几个问题：纤维变形及损伤行为描述；树脂的变形及损伤行为描述；纤维与树脂界面行为描述；金属板与树脂界面行为描述；金属损伤行为描述。

结论

（1）单曲率FMLs零件成形方法基本成熟，但是双曲率甚至复杂形状FMLs零件成形依然是难题。（2）随着热塑性复合材料应用越来越多，热塑性FMLs层板由于其良好的韧性，更好的抗疲劳、裂纹扩展能力及抗冲击性能，将得到更为广泛的应用。这也为应用塑性成形方法成形FMLs层板提供了便利。（3）近期提出的新方法主要围绕

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LIU Jianguang, ZHANG Jiazhen, YUE Guangguan, GE Zengru

(Beijing Key Laboratory of Civil Aircraft Structures and Composite Materials, Beijing Aeronautical Science & Technology

Research Institute of COMAC, Beijing 102211, China)[ABSTRACT] Due to good comprehensive performance, fiber metal laminates (FMLs) have been applied more and more in the fields of aviation and aerospace. However, forming technology has become one of the main difficulties limiting the applications of FMLs. In this paper, the forming technologies of FMLs are reviewed. The effect factors on the formability of FMLs and main defects are analyzed. Then the research progress of the forming technology of curved parts at home and abroad as well as several new recently proposed forming technologies of FMLs are introduced. Finally, the existing problems and bottleneck technologies of FMLs plastic forming are analyzed.Keywords: Fiber metal laminate; Curved part; Forming; Springback; Debonding󰀁

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航空制造技术·2019年第62卷第16期