文 | 小蘇的世界觀

編輯 |小蘇的世界觀

纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料是高端行業(yè)中廣泛使用的復(fù)合材料，主要是由于其優(yōu)異的比機(jī)械性能，尺寸和化學(xué)穩(wěn)定性，良好的損傷容限和易于成型的可制造性。

與金屬結(jié)構(gòu)相比，它們的應(yīng)用可以顯著減輕重量并節(jié)省成本，因此，它們被廣泛用于汽車、運(yùn)動、微電子和航空航天領(lǐng)域。

玻璃鋼通常被制造成準(zhǔn)備成型;然而，制造具有復(fù)雜形狀和嚴(yán)格公差的幾何特征通常需要進(jìn)一步加工。

雖然大多數(shù)孔是組裝需要的，并且玻璃鋼零件通過宏觀尺寸的孔連接，玻璃鋼中的微型孔也是人們關(guān)注的焦點。

FRP中的微孔用于微電子系統(tǒng)中的小型化聚合物復(fù)合材料，例如印刷電路板，聚合物生物醫(yī)學(xué)過濾器，微穿孔復(fù)合板吸收器，復(fù)合發(fā)動機(jī)短艙以改善空氣動力學(xué)特性。

光纖傳感器放置在FRP中，用于監(jiān)測和診斷機(jī)械，熱力學(xué)和空氣動力學(xué)條件，玻璃鋼中的微穿孔板以改善聲學(xué)吸收和噪聲控制，以及微型機(jī)器人飛行組件，例如彎曲執(zhí)行器和鉸鏈鎖定組件。

機(jī)械加工和非傳統(tǒng)技術(shù)可以在玻璃鋼上制造微孔。雖然非常規(guī)技術(shù)，如激光鉆孔，磨料水射流加工，電火花加工，和電化學(xué)放電加工無磨損。

不會導(dǎo)致可能使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)明顯變形的大工作力和扭矩，這些技術(shù)的材料去除率低，通常難以應(yīng)用，并且具有顯著的局限性和挑戰(zhàn)。

例如，在LD技術(shù)中，適當(dāng)?shù)腻F角和熱影響區(qū)難以控制磨料粒度和錐角限制了AWJM的適用性技術(shù)。

由于復(fù)合材料的各向異性引起的橢圓孔形成是LD和EDM技術(shù)的一大挑戰(zhàn)，CFRP復(fù)合材料的導(dǎo)電性通常需要通過應(yīng)用導(dǎo)電填料來提高，從而降低復(fù)合材料的合成強(qiáng)度，電火花加工中頻繁更換電極會增加操作時間，降低加工效率。

在機(jī)械微鉆孔中，刀具與復(fù)合材料直接接觸，因此，刀具磨損和加工力引起的幾何損傷和潛在的刀具斷裂使得纖維復(fù)合材料的機(jī)械微鉆孔具有挑戰(zhàn)性。

然而，可觸及的孔質(zhì)量非常好，材料去除率良好，并且該技術(shù)的適用性比其他先進(jìn)技術(shù)更獨(dú)立于復(fù)合材料性能。

考慮到某些關(guān)鍵字具有具有相同含義的另一種形式，原始關(guān)鍵字被它們替換，并重復(fù)搜索，然后，掃描檢索到的論文的標(biāo)題并確定其是否合適。

在第一個過濾步驟之后，對每篇標(biāo)題過濾論文的每個參考文獻(xiàn)的標(biāo)題進(jìn)行掃描并重復(fù)多次，直到仍然找到相關(guān)標(biāo)題。

由于出現(xiàn)了一些重復(fù)的標(biāo)題，這些已從我們的數(shù)據(jù)庫中刪除。最后，對每篇論文的摘要和結(jié)論進(jìn)行了仔細(xì)篩選，將不相關(guān)的論文排除在本綜述項目的數(shù)據(jù)庫之外。

該數(shù)據(jù)收集過程由通訊作者進(jìn)行，并由兩名獨(dú)立合著者進(jìn)行檢查。

在機(jī)械微鉆孔中，未切割的切屑厚度很小，通常與切削刃半徑相當(dāng)，因此，犁地將主導(dǎo)排屑機(jī)制。

因此，將宏觀工具和技術(shù)縮小到微觀尺度不會導(dǎo)致工藝特性成比例的減少。這被稱為尺寸效應(yīng)。

低進(jìn)給量通常用于微鉆削，因為細(xì)長而弱的微鉆頭經(jīng)常因高進(jìn)給和加速刀具磨損導(dǎo)致的較大切削力而斷裂。

然而，低進(jìn)給會導(dǎo)致未切割的切屑厚度很小，可能接近最小切屑厚度，并導(dǎo)致犁削和彈性恢復(fù)，而不是排屑。

在切削刃的每次通過時都不會形成切屑，這使得理解和控制過程變得更加困難。

盡管在過去的幾十年中開發(fā)了多種機(jī)械鉆孔技術(shù)來有效地加工FRP中的常規(guī)尺寸孔，但這些技術(shù)并不能直接適應(yīng)微觀尺度。

研究人員表明，與傳統(tǒng)鉆孔相比，螺旋銑削，傾斜螺旋銑削和擺動銑削技術(shù)在FRP中產(chǎn)生的加工引起的幾何損傷更少。

然而，這些多軸先進(jìn)技術(shù)需要更復(fù)雜的工具運(yùn)動，由于機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人的精度限制，很難在微觀尺度上準(zhǔn)確實現(xiàn)，以及微型磨機(jī)的細(xì)長和弱剛度。

使用導(dǎo)向孔的傳統(tǒng)尺寸鉆削技術(shù)也是有利的，因為第二次鉆孔操作的軸向切削力明顯較低，因此預(yù)計孔質(zhì)量會更好。

然而，在微觀尺度上，考慮到導(dǎo)向孔鉆的直徑小于最終鉆頭的直徑，通常不可能選擇比公稱孔直徑更小的直徑工具。

盡管從鉆孔引起的幾何缺陷形成的角度來看，先進(jìn)的切削刀具幾何形狀在 FRP 中具有優(yōu)勢，但這些刀具通常不提供微型尺寸。

因此，具有傳統(tǒng)幾何形狀的麻花鉆的缺點使FRP的微鉆孔更具挑戰(zhàn)性。

鑿刃與刀具直徑之比大于宏觀鉆孔，因此，鉆頭的鑿刃在鉆孔過程中占主導(dǎo)地位。

眾所周知，鑿刃處的切削機(jī)構(gòu)不利，主要是由于有效切削速度接近于零，前角為負(fù)。

因此，鑿刃的顯著優(yōu)勢將不成比例地增加軸向切削力，從而增加鉆孔引起的推出分層的可能性。

由于特定的鉆槽空間很小，從孔中取出切屑也是有問題的。用于微鉆孔的細(xì)長刀具的另一個缺點是刀具跳動很大。

這通常會導(dǎo)致孔形狀不合適、刀具快速磨損和刀具破損以及確保適當(dāng)切削速度所需的極高主軸轉(zhuǎn)速。

與傳統(tǒng)尺寸的FRP鉆孔類似，典型的鉆孔引起的微觀幾何損傷是分層，毛刺，基體開裂和涂抹，纖維拉出和斷裂，纖維/基體脫粘，熱降解，模糊和剝落，基質(zhì)燃燒和地下?lián)p壞。

然而，它們的測量和鑒定更加復(fù)雜，需要更昂貴的設(shè)備和繁瑣的技術(shù)，主要是由于損傷的微觀尺寸。

例如，商用數(shù)碼相機(jī)通常更適合測量常規(guī)尺寸孔周圍的毛刺，在微觀尺度上，需要數(shù)碼顯微鏡。

應(yīng)用支撐板可降低分層形成的可能性，因此，在文獻(xiàn)中進(jìn)行了廣泛的研究。在微觀尺度中，只能使用固體支撐元件，而空心支撐板在微型尺寸中難以實現(xiàn)。

用于微鉆孔操作的夾緊FRP復(fù)合材料的機(jī)理也很困難，主要是由于聚合物復(fù)合材料相對靈活。

考慮到FRP的難以切割的性質(zhì)和微鉆孔的挑戰(zhàn)，在批量生產(chǎn)之前通常需要進(jìn)行初步實驗和優(yōu)化。下一節(jié)將介紹玻璃鋼微鉆孔方面的最新專業(yè)知識。

微鉆孔工藝的基本原理與傳統(tǒng)的宏觀鉆孔工藝相似，因為刀具幾何形狀和材料去除工藝參數(shù)相似。

然而，在微鉆孔過程中，刀具尺寸在微觀范圍內(nèi)減小，從而產(chǎn)生了在宏觀鉆孔過程中不那么顯著的不同特性。

最重要的是刀具刃口半徑效應(yīng)，它改變了微鉆孔過程中切屑形成過程和特定切削力對未變形切屑厚度的趨勢。

比切削力定義為切屑橫截面每單位面積的切削力。在宏觀切削工藝中，比切削力的趨勢是線性的，因為材料的剪切比犁地多。

刀具邊緣半徑被忽略，因為未變形的切屑厚度與刀具邊緣半徑相比太大。

另一方面，未變形的切屑厚度與刀具邊緣半徑相當(dāng)，在微鉆孔中不容忽視。工件材料是犁地而不是剪切的，這增加了加工硬化和比切削力。

直到未變形的切屑厚度大于切削刃半徑，未變形的切屑厚度與刀具刃口半徑之比大于 1，并且比切削力變化不顯著。

當(dāng)比值 r 時，比切削力顯著增加β小于 6。比切削力對未變形切屑厚度的非線性趨勢稱為尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。

刀具直徑和長度的刀具長寬比也是影響微鉆孔工藝的重要因素。

在宏觀鉆削過程中，推力和不平衡徑向力產(chǎn)生的刀具屈曲和偏轉(zhuǎn)的影響往往被忽略在低轉(zhuǎn)速下。bvty寶威

然而，刀具偏轉(zhuǎn)和屈曲的影響在微鉆孔過程中是顯著的，因為由于高深徑比或縱橫比，比刀具剛度會降低。在微鉆孔中，刀具偏轉(zhuǎn)效應(yīng)在高刀具轉(zhuǎn)速下被放大。

除了尺寸效應(yīng)和長寬比外，工件的微觀結(jié)構(gòu)也會影響微鉆孔過程，因為復(fù)合材料纖維增強(qiáng)材料的公稱直徑與刀具邊緣半徑相當(dāng)。

在微鉆孔過程中，工件材料不能被認(rèn)為是各向同性和均勻的，正如宏觀鉆孔過程中所考慮的那樣。

可以觀察到FRP工件的切削力與均質(zhì)聚合物的切削力明顯變化。這種差異主要是由于與纖維切割角度相關(guān)的排屑機(jī)制不同。

可以看出，根據(jù)鉆孔時間的不同，整個鉆點要么位于一層中，要么分布在兩層中。

但是，切削元件的寬度足夠小，因此在鉆孔過程中該元件可能僅位于一層中，并且切削力在性質(zhì)上波動。

因此，其交替纖維和基質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)纖維和基質(zhì)被認(rèn)為是單獨(dú)的相，而不是等效的均質(zhì)材料。

因此，不考慮降尺度效應(yīng)的常規(guī)尺寸鉆孔力分析過程不能直接用于預(yù)測玻璃鋼復(fù)合材料微鉆孔中切削力的趨勢。

此外，在微鉆過程中，與宏觀鉆孔的切削力相比，切削力值也相對較低。低值切削力信號的測量對于確定刀具斷裂力最為重要。

報道的CFRP復(fù)合材料的切削力模型主要是微鉆孔過程中的統(tǒng)計模型。這些模型是使用線性回歸分析獲得的，將推力與進(jìn)給、速度和鉆頭幾何參數(shù)等輸入變量相關(guān)聯(lián)。

除實驗統(tǒng)計方法外，還提出了基于線彈性斷裂力學(xué)、復(fù)合力學(xué)或能量法理論的分析方法來預(yù)測復(fù)合材料層中的推力。

單根纖維被視為橫梁，切割力根據(jù)0°至90°的纖維取向范圍和90°至180°的范圍分別確定。

機(jī)械建模方法結(jié)合了全面的切削力學(xué)和刀具幾何形狀，將工藝輸入與輸出參數(shù)相關(guān)聯(lián)，并通過切屑面積和通過少量實驗校準(zhǔn)的切削力之間的經(jīng)驗關(guān)系來表征復(fù)雜的材料行為bvty寶威VIP。

假設(shè)這些力與切削刃的未變形切屑區(qū)域成正比。比例常數(shù)稱為比切削力或特定切削能量。具體切削力由校準(zhǔn)過程確定，該過程需要不同切削條件下的實驗切削力數(shù)據(jù)。

為了觀察和量化微鉆孔造成的損壞，需要應(yīng)用檢測技術(shù)。鉆孔的特點是入口和出口分層、孔尺寸、圓柱度和孔缺陷。

如纖維拉出或基體拖尾。雖然存在用于宏觀孔檢測的方法，但這需要對微孔應(yīng)用進(jìn)行一些開發(fā)，例如鉆孔缺陷，其中當(dāng)前的方法無法輕松擴(kuò)展。

雖然一些檢測技術(shù)，例如微鉆入口和出口的分層，可以高度自動化以提供分層因子，這對于大量微孔很有用，但檢測的未來可能在于其他領(lǐng)域。

評估切削質(zhì)量的一種不太完善的技術(shù)是分析切屑，正如Ashworth等人所完成的那樣，以確定熱量的影響，從中可以觀察到通過HAZ降解的材料，這是微孔生成的重要因素。

未來的另一種檢測技術(shù)可能是捕獲和自動化部分或全部微孔的顯微X射線計算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)，以滿足結(jié)構(gòu)需求。

雖然完成體素尺寸為2.5μm的宏觀加工，但在原位實驗下，使用X射線同步加速器源可以實現(xiàn)更高的分辨率，體素尺寸低至1.1μm的CFRP材料。

迄今為止，還沒有文獻(xiàn)研究過使用xCT或XS方法的原位微鉆孔過程。作為前兆，使用落射熒光染料進(jìn)行檢測可能是有效的。

因為它們可以以更低的成本復(fù)制xCT，用于宏觀CFRP銑削。xCT分析的一個好處是測試的非破壞性，但缺點是處理圖像所需的計算時間長。

需要充分了解微型鉆頭的磨損，以減少生產(chǎn)環(huán)境中不必要的刀具更換。為此，需要進(jìn)一步分析微型鉆頭的檢測方法。

目前對GFRP微鉆刀具磨損的觀察顯示，側(cè)面和鑿刃磨損被用作指標(biāo)。

進(jìn)一步的分析應(yīng)確定CER現(xiàn)象是否適合微刀具，作者指出CER現(xiàn)象是預(yù)測宏觀加工中切削力和表面質(zhì)量的有用指標(biāo)。

在復(fù)合材料的微鉆孔之前，樹脂固化狀態(tài)的影響可能變得更加關(guān)鍵。Merino-Perez等人[198，199]對樣品進(jìn)行熱老化，以了解宏觀鉆孔過程中的熱量積聚如何改變樹脂狀態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)，對于熱老化樣品，代表HAZ發(fā)生區(qū)域和基體局部老化的區(qū)域，彈性模量和硬度分別可提高16%和12%。

納米壓痕結(jié)果將與微鉆孔更加相關(guān)，因為刀具切削面可能與純樹脂接觸，而對于宏觀刀具，必須考慮完整的復(fù)合材料。

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因此，建議對不同材料影響的任何研究都應(yīng)使用納米壓痕方法將工具磨損與材料相關(guān)聯(lián)。

CFRP和GFRP微鉆孔的未來前景需要對機(jī)床，切削工具，機(jī)械性能和檢測技術(shù)的要求進(jìn)行大量的實驗和分析關(guān)注。