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。

                                        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(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，完全顛覆了“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4顯示了由CHM(θ=0°)和THM(θ=5°)獲得的典型加工孔表面的擬合結(jié)果。擬合的3D模型中，黑色代表偏差范圍≥0.11mm或≤-0.11mm。顯然，CHM加工孔中發(fā)現(xiàn)了大量缺陷，而THM加工孔中幾乎沒有。在CHM和THM中擬合模式的直徑分別為11.93mm和12.02mm。在本實(shí)驗(yàn)中，加工孔的理想直徑為12.00mm。THM的加工孔尺寸精度誤差比CHM小71.3%。CHM加工孔內(nèi)表面的大量毛刺被認(rèn)為是原因之一。

                                            圖5  CHM和THM加工孔CT橫截面圖

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7  THM加工孔CT展開圖(a)和SEM圖（b）

在圖6和圖7中，通過CT掃描后用專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。通過SEM掃描驗(yàn)證缺陷位置。