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(dòng),、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(guò)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(diǎn),。

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(guò)濾器,，微穿孔復(fù)合板吸收器，復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)短艙以改善空氣動(dòng)力學(xué)特性,。

光纖傳感器放置在FRP中,，用于監(jiān)測(cè)和診斷機(jī)械，熱力學(xué)和空氣動(dòng)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(wú)磨損,。

不會(huì)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(guò)應(yīng)用導(dǎo)電填料來(lái)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(huì)增加操作時(shí)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(gè)過(guò)濾步驟之后,，對(duì)每篇標(biāo)題過(guò)濾論文的每個(gè)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(kù)中刪除,。最后,，對(duì)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(xiàng)目的數(shù)據(jù)庫(kù)之外,。

該數(shù)據(jù)收集過(guò)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(huì)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?yàn)榧?xì)長(zhǎng)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(huì)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(guò)時(shí)都不會(huì)形成切屑，這使得理解和控制過(guò)程變得更加困難,。

盡管在過(guò)去的幾十年中開(kāi)發(fā)了多種機(jī)械鉆孔技術(shù)來(lái)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(dòng)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(dòng)，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(shí)現(xiàn),，以及微型磨機(jī)的細(xì)長(zhǎng)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?yàn)榈诙毋@孔操作的軸向切削力明顯較低，因此預(yù)計(jì)孔質(zhì)量會(huì)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(lái)看,，先進(jìn)的切削刀具幾何形狀在 FRP 中具有優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)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(guò)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(shì)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(wèn)題的,。用于微鉆孔的細(xì)長(zhǎng)刀具的另一個(gè)缺點(diǎn)是刀具跳動(dòng)很大。

這通常會(huì)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(kāi)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(cè)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(cè)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(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí),。

微鉆孔工藝的基本原理與傳統(tǒng)的宏觀鉆孔工藝相似,，因?yàn)榈毒邘缀涡螤詈筒牧先コに噮?shù)相似,。

然而，在微鉆孔過(guò)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(guò)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(guò)程中切屑形成過(guò)程和特定切削力對(duì)未變形切屑厚度的趨勢(shì),。

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(shì)是線性的,，因?yàn)椴牧系募羟斜壤绲囟唷?/strong>

刀具邊緣半徑被忽略，因?yàn)槲醋冃蔚那行己穸扰c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(shí),，比切削力顯著增加β小于 6。比切削力對(duì)未變形切屑厚度的非線性趨勢(shì)稱為尺寸效應(yīng)現(xiàn)象,。

刀具直徑和長(zhǎng)度的刀具長(zhǎng)寬比也是影響微鉆孔工藝的重要因素。

在宏觀鉆削過(guò)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(guò)程中是顯著的,，因?yàn)橛捎诟呱顝奖然蚩v橫比,，比刀具剛度會(huì)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(zhǎng)寬比外,，工件的微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)影響微鉆孔過(guò)程,，因?yàn)?strong>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(guò)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(guò)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(shí)間的不同,，整個(gè)鉆點(diǎn)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(guò)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(dòng),。

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(guò)程不能直接用于預(yù)測(cè)玻璃鋼復(fù)合材料微鉆孔中切削力的趨勢(shì),。

此外，在微鉆過(guò)程中,，與宏觀鉆孔的切削力相比,，切削力值也相對(duì)較低。低值切削力信號(hào)的測(cè)量對(duì)于確定刀具斷裂力最為重要,。

報(bào)道的CFRP復(fù)合材料的切削力模型主要是微鉆孔過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)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(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)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(lái)預(yù)測(cè)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(guò)切屑面積和通過(guò)少量實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)的切削力之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)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(guò)程確定,，該過(guò)程需要不同切削條件下的實(shí)驗(yàn)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(cè)技術(shù),。鉆孔的特點(diǎn)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(cè)的方法,，但這需要對(duì)微孔應(yīng)用進(jìn)行一些開(kāi)發(fā),，例如鉆孔缺陷，其中當(dāng)前的方法無(wú)法輕松擴(kuò)展,。

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

評(píng)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(guò)HAZ降解的材料,，這是微孔生成的重要因素,。

未來(lái)的另一種檢測(cè)技術(shù)可能是捕獲和自動(dòng)化部分或全部微孔的顯微X射線計(jì)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(shí)驗(yàn)下,，使用X射線同步加速器源可以實(shí)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(méi)有文獻(xiàn)研究過(guò)使用xCT或XS方法的原位微鉆孔過(guò)程。作為前兆,，使用落射熒光染料進(jìn)行檢測(cè)可能是有效的,。

因?yàn)樗鼈兛梢砸愿偷某杀緩?fù)制xCT，用于宏觀CFRP銑削,。xCT分析的一個(gè)好處是測(cè)試的非破壞性,，但缺點(diǎn)是處理圖像所需的計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。

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(cè)方法,。

目前對(duì)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(cè)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(shù)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(duì)樣品進(jìn)行熱老化,，以了解宏觀鉆孔過(guò)程中的熱量積聚如何改變樹(shù)脂狀態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn),，對(duì)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?yàn)榈毒咔邢髅婵赡芘c純樹(shù)脂接觸，而對(duì)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(duì)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(lái)前景需要對(duì)機(jī)床,，切削工具,，機(jī)械性能和檢測(cè)技術(shù)的要求進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和分析關(guān)注。