亚麻纤维复合材料层合板结构制孔技术研究

罗贵骞

（中航沈飞民用飞机有限责任公司 辽宁 沈阳 110100）

0 引言

复合材料因其具有高比强度、高比模量、可设计性强、耐腐蚀、抗疲劳、易于整体成型等优异的综合性能，已在航空航天、汽车及轨道交通、化工纺织乃至体育器材等领域均获得了广泛的应用。但随着各行业对复合材料的需求不断加大，复合材料制备环节的高成本、高耗能、高污染、高毒性[1]和复合材料废弃物处理困难[2]等问题也逐渐暴露出来。近年来，随着对能源、经济和环境等方面逐渐地重视，人们开始从多个方向研究复合材料的改进方法，比如低成本制备技术、复合材料回收与再利用技术等[3-4]。此外，寻找绿色的、环保的纤维材料以期望替代传统的玻璃纤维和碳纤维也成为了新的研究方向。于是由天然纤维作为增强材料而制成的复合材料逐步进入材料研究人员的视线。

天然纤维是指从动物毛发、矿物纤维或植物纤维中提取的纤维，主要被人类应用于纺织行业，但考虑其具有先天的环保特性[5]（低毒性、可再生、可循环、低能源消耗），并且部分纤维具有接近玻璃纤维的力学性能[6]，所以大量研究人员尝试将天然纤维应用于承力结构中。LI Boyan等[5]指出：2003 年，欧洲有大约4.3 万t 天然纤维用于复合材料中，而截止2010 年，该数字已达到31.5 万t，相当于纤维总量（玻璃纤维、碳纤维、天然纤维的总和）的13%，而未来该数字将达到83 万t，并占有28%的比例。

在众多天然纤维中，亚麻纤维作为人类使用最广泛的纤维材料而受到研究人员广泛的关注，并被认为是玻璃纤维替代材料的一个选择[7]。在研究中，亚麻纤维展现了与玻璃纤维接近的材料性能以及更少的生产成本[8]，上述特性为研究人员将其应用于承力结构的研究提供了极大信心。但与已应用的复合材料相同，亚麻纤维复合材料在投入承力结构的应用过程中，也将不可避免地面临制孔的问题。众所周知，复合材料的制孔会降低结构的力学性能，而较低的制孔质量导致的损伤（如分层、纤维拉出、劈裂等）则会更大程度地削弱结构的承载能力甚至导致结构件报废，所以在研究亚麻纤维复合材料结构力学性能的同时，提高亚麻纤维复合材料制孔质量也将有利于提高结构最终承载能力。

基于以往应用经验可知[9-10]，碳纤维复合材料在制孔过程产生的超过层间结合强度的轴向力是导致材料损伤（以分层为主）的主要因素，而钻头的几何形状、制孔工艺参数以及钻头材料则影响着轴向力的水平，其中钻头几何形状直接影响钻头与工件的接触状态和切削过程，对制孔过程有着最重要的影响。

虽然在碳纤维及玻璃纤维复合材料制孔领域已经有了一定技术积累，但将其转化应用于亚麻纤维复合材料尚在初期阶段，由于纤维材料的巨大差异，亚麻纤维复合材料在应用原有复合材料结构钻头的制孔表现尚不明确，所以有必要通过制孔实验以探究这种新材料的性能及改进工艺质量的途径。

1 亚麻纤维层合板制孔实验

为了较合理地设置不同几何形状钻头制孔实验的工艺参数，首先研究了在亚麻纤维复合材料层合板制孔过程中，工艺参数（进给量及转速）对轴向力的影响权重。

1.1 工艺参数影响权重研究实验

本研究首先实施了工艺参数影响权重的研究实验。试件（图1）为亚麻纤维/环氧树脂复合材料层合板（[0]16，外购于比利时LINEO 公司，热压成型）。钻头采用应用最广泛的传统麻花钻，顶角为118°，材质为高速钢（图2）。

1.1.1 实验配置

如图3 所示，制孔实验在立式数控机床上进行，试件被固定在安装有轴向力传感器的夹具上（图4），夹具通过线缆连接至Kistler 放大器，后连至计算机，再通过软件将信号处理成轴向力数值并根据制孔时间参数绘制时变曲线。

1.1.2 工艺参数设置

本实验将进给量和转速作为首要研究的工艺参数。实验使用3 种进给量和3 种转速，共9 种构型（表1）。每个构型钻5 个孔。同时为了排除磨损因素，每完成一个构型（钻5 个孔）之后换新的钻头。每种构型都由其进给量和转速进行命名。

表1 工艺参数设置及命名规则

1.1.3 实验结果

实验共钻出45个孔，但在钻出端出现了明显的分层（图5），这说明钻头没有很好地切断纤维，其原因是过大的轴向力导致最外层发生分层。

通过仪器在实验过程中绘制的轴向力的时变曲线（如6 图，以F0.025N2000 构型为例），可提取出每次钻孔的最大轴向力并计算出每个构型的平均最大轴向力（表2）。

表2 各构型平均最大轴向力

1.1.4 实验结果分析

从各构型平均最大轴向力数值中可以发现，同一转速下，随着进给量的增加，轴向力会显著升高。但同一进给量下，随着转速的提高，轴向力变化规律并不清晰。

为了研究工艺参数对轴向力变化的影响权重，本文利用ANOVA 分析法对9 种构型数据进行处理，计算了进给量与转速对轴向力变化的贡献比例（表3）。

表3 轴向力受影响权重

由表3 可以得出，进给量是影响轴向力变化的最主要因素，而转速对其影响程度很小。

1.1.5 结论

（1）亚麻纤维/环氧树脂复合材料层合板在钻孔过程中轴向力的变化规律与碳纤维及玻璃纤维复合材料变化规律相似[9-10]。

（2）在钻孔过程中，与转速相比，进给量对轴向力的大小起着决定性的影响。

（3）在钻头几何形状的制孔对比实验中，可以减少转速变量，增加多种进给量的设定。

1.2 不同几何形状钻头制孔实验

在得到了工艺参数影响权重的分析结果后，本研究实施了不同几何形状钻头制孔轴向力测量实验，用以分析钻头几何形状对制孔轴向力的影响。

1.2.1 实验配置

本实验中所使用的机床、试件、夹具以及连接方式、信号处理都与工艺参数影响权重研究实验相同。

不同之处为本实验选用了3 种不同的钻头（图7），分别为两个横刃长度不同的麻花钻及一个双顶角钻，具体参数见表4。

表4 3 种钻头参数

1.2.2 工艺参数设置

如表5，实验在同一转速（2 000 RPM）下，选用2 种进给量，共6 种构型，每种构型钻3 个孔。每种构型都由其进给量、转速和钻头进行命名。

表5 工艺参数设置及命名规则

1.2.3 实验结果

实验共钻出18个孔，在钻出端有少量分层现象（图8），通过目视无法区分不同构型之间的差异，所以提取轴向力数值进行了对比分析。

从实验过程中绘制的轴向力时变曲线中提取了每次制孔的最大轴向力，计算出不同钻头在每个构型下的平均最大轴向力，见表6。

表6 3 种钻头平均最大轴向力

2 实验结果分析

根据表6，绘制了图9 用于对比不同钻头在同一构型下的轴向力。

通过对比可以发现，具有更短横刃长度的麻花钻b 的轴向力要小于麻花钻a。这是因为横刃位于钻头最前端且平行于试件表面，其最先接触试件的每一铺层表面并起到定心的作用[10]。横刃并不起到切削作用，钻头靠轴向力将横刃推入试件中后依靠切削刃切割纤维及基体，而更长的横刃长度会导致钻头需要更大的轴向力才能推入试件中进行切割。所以，在本实验中，麻花钻a 产生了比麻花钻b 更大的轴向力，这意味着麻花钻a 比麻花钻b 更易导致分层损伤。

另外还发现，双顶角钻的轴向力要小于具有相同横刃长度的麻花钻b。这是因为双顶角钻更小的第二顶角（90°）使钻头锥度更大，更易减小阻力及后续切割纤维和基体。根据使用经验，顶角过小会降低刀具稳定性，而该双顶角钻头兼具了132°和90°顶角，在保证稳定性的同时改善了制孔质量。

该结果与Muhammad Amirul Amri Alias 等[11]的研究结果形成补充，Muhammad Amirul Amri Alias 使用直径不同的麻花钻头进行制孔实验，确定了钻头直径对轴向力的影响比重超过进给量，而本研究确定了相同直径下双顶角钻头产生的轴向力要小于麻花钻头。

3 结论

本文通过对亚麻纤维/环氧树脂复合材料层压板实施制孔实验，获得了不同状态下的钻头轴向力的变化情况，得到如下结论。

（1）亚麻纤维/环氧树脂复合材料制孔的轴向力的变化规律与碳纤维和玻璃纤维复合材料相似。即对于传统麻花钻，更大的进给量会导致制孔过程产生更大的轴向力，进而增加分层的风险。

（2）对于传统麻花钻，在相同进给量的情况下，更短的横刃长度可以降低轴向力水平。

（3）对于具有相同横刃长度的麻花钻和双顶角钻，在相同进给量的情况下，拥有更小的第二顶角的双顶角钻可以将轴向力降低至更小的水平。