亞麻纖維復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)制孔技術(shù)研究

羅貴騫

（中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 遼寧 沈陽 110100）

0 引言

復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞、易于整體成型等優(yōu)異的綜合性能，已在航空航天、汽車及軌道交通、化工紡織乃至體育器材等領(lǐng)域均獲得了廣泛的應(yīng)用。但隨著各行業(yè)對(duì)復(fù)合材料的需求不斷加大，復(fù)合材料制備環(huán)節(jié)的高成本、高耗能、高污染、高毒性[1]和復(fù)合材料廢棄物處理困難[2]等問題也逐漸暴露出來。近年來，隨著對(duì)能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面逐漸地重視，人們開始從多個(gè)方向研究復(fù)合材料的改進(jìn)方法，比如低成本制備技術(shù)、復(fù)合材料回收與再利用技術(shù)等[3-4]。此外，尋找綠色的、環(huán)保的纖維材料以期望替代傳統(tǒng)的玻璃纖維和碳纖維也成為了新的研究方向。于是由天然纖維作為增強(qiáng)材料而制成的復(fù)合材料逐步進(jìn)入材料研究人員的視線。

天然纖維是指從動(dòng)物毛發(fā)、礦物纖維或植物纖維中提取的纖維，主要被人類應(yīng)用于紡織行業(yè)，但考慮其具有先天的環(huán)保特性[5]（低毒性、可再生、可循環(huán)、低能源消耗），并且部分纖維具有接近玻璃纖維的力學(xué)性能[6]，所以大量研究人員嘗試將天然纖維應(yīng)用于承力結(jié)構(gòu)中。LI Boyan等[5]指出：2003 年，歐洲有大約4.3 萬t 天然纖維用于復(fù)合材料中，而截止2010 年，該數(shù)字已達(dá)到31.5 萬t，相當(dāng)于纖維總量（玻璃纖維、碳纖維、天然纖維的總和）的13%，而未來該數(shù)字將達(dá)到83 萬t，并占有28%的比例。

在眾多天然纖維中，亞麻纖維作為人類使用最廣泛的纖維材料而受到研究人員廣泛的關(guān)注，并被認(rèn)為是玻璃纖維替代材料的一個(gè)選擇[7]。在研究中，亞麻纖維展現(xiàn)了與玻璃纖維接近的材料性能以及更少的生產(chǎn)成本[8]，上述特性為研究人員將其應(yīng)用于承力結(jié)構(gòu)的研究提供了極大信心。但與已應(yīng)用的復(fù)合材料相同，亞麻纖維復(fù)合材料在投入承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用過程中，也將不可避免地面臨制孔的問題。眾所周知，復(fù)合材料的制孔會(huì)降低結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，而較低的制孔質(zhì)量導(dǎo)致的損傷（如分層、纖維拉出、劈裂等）則會(huì)更大程度地削弱結(jié)構(gòu)的承載能力甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件報(bào)廢，所以在研究亞麻纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的同時(shí)，提高亞麻纖維復(fù)合材料制孔質(zhì)量也將有利于提高結(jié)構(gòu)最終承載能力。

基于以往應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可知[9-10]，碳纖維復(fù)合材料在制孔過程產(chǎn)生的超過層間結(jié)合強(qiáng)度的軸向力是導(dǎo)致材料損傷（以分層為主）的主要因素，而鉆頭的幾何形狀、制孔工藝參數(shù)以及鉆頭材料則影響著軸向力的水平，其中鉆頭幾何形狀直接影響鉆頭與工件的接觸狀態(tài)和切削過程，對(duì)制孔過程有著最重要的影響。

雖然在碳纖維及玻璃纖維復(fù)合材料制孔領(lǐng)域已經(jīng)有了一定技術(shù)積累，但將其轉(zhuǎn)化應(yīng)用于亞麻纖維復(fù)合材料尚在初期階段，由于纖維材料的巨大差異，亞麻纖維復(fù)合材料在應(yīng)用原有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉆頭的制孔表現(xiàn)尚不明確，所以有必要通過制孔實(shí)驗(yàn)以探究這種新材料的性能及改進(jìn)工藝質(zhì)量的途徑。

1 亞麻纖維層合板制孔實(shí)驗(yàn)

為了較合理地設(shè)置不同幾何形狀鉆頭制孔實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)，首先研究了在亞麻纖維復(fù)合材料層合板制孔過程中，工藝參數(shù)（進(jìn)給量及轉(zhuǎn)速）對(duì)軸向力的影響權(quán)重。

1.1 工藝參數(shù)影響權(quán)重研究實(shí)驗(yàn)

本研究首先實(shí)施了工藝參數(shù)影響權(quán)重的研究實(shí)驗(yàn)。試件（圖1）為亞麻纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板（[0]16，外購于比利時(shí)LINEO 公司，熱壓成型）。鉆頭采用應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)麻花鉆，頂角為118°，材質(zhì)為高速鋼（圖2）。

1.1.1 實(shí)驗(yàn)配置

如圖3 所示，制孔實(shí)驗(yàn)在立式數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行，試件被固定在安裝有軸向力傳感器的夾具上（圖4），夾具通過線纜連接至Kistler 放大器，后連至計(jì)算機(jī)，再通過軟件將信號(hào)處理成軸向力數(shù)值并根據(jù)制孔時(shí)間參數(shù)繪制時(shí)變曲線。

1.1.2 工藝參數(shù)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)將進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速作為首要研究的工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)使用3 種進(jìn)給量和3 種轉(zhuǎn)速，共9 種構(gòu)型（表1）。每個(gè)構(gòu)型鉆5 個(gè)孔。同時(shí)為了排除磨損因素，每完成一個(gè)構(gòu)型（鉆5 個(gè)孔）之后換新的鉆頭。每種構(gòu)型都由其進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速進(jìn)行命名。

表1 工藝參數(shù)設(shè)置及命名規(guī)則

1.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)共鉆出45個(gè)孔，但在鉆出端出現(xiàn)了明顯的分層（圖5），這說明鉆頭沒有很好地切斷纖維，其原因是過大的軸向力導(dǎo)致最外層發(fā)生分層。

通過儀器在實(shí)驗(yàn)過程中繪制的軸向力的時(shí)變曲線（如6 圖，以F0.025N2000 構(gòu)型為例），可提取出每次鉆孔的最大軸向力并計(jì)算出每個(gè)構(gòu)型的平均最大軸向力（表2）。

表2 各構(gòu)型平均最大軸向力

1.1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從各構(gòu)型平均最大軸向力數(shù)值中可以發(fā)現(xiàn)，同一轉(zhuǎn)速下，隨著進(jìn)給量的增加，軸向力會(huì)顯著升高。但同一進(jìn)給量下，隨著轉(zhuǎn)速的提高，軸向力變化規(guī)律并不清晰。

為了研究工藝參數(shù)對(duì)軸向力變化的影響權(quán)重，本文利用ANOVA 分析法對(duì)9 種構(gòu)型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算了進(jìn)給量與轉(zhuǎn)速對(duì)軸向力變化的貢獻(xiàn)比例（表3）。

表3 軸向力受影響權(quán)重

由表3 可以得出，進(jìn)給量是影響軸向力變化的最主要因素，而轉(zhuǎn)速對(duì)其影響程度很小。

1.1.5 結(jié)論

（1）亞麻纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板在鉆孔過程中軸向力的變化規(guī)律與碳纖維及玻璃纖維復(fù)合材料變化規(guī)律相似[9-10]。

（2）在鉆孔過程中，與轉(zhuǎn)速相比，進(jìn)給量對(duì)軸向力的大小起著決定性的影響。

（3）在鉆頭幾何形狀的制孔對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，可以減少轉(zhuǎn)速變量，增加多種進(jìn)給量的設(shè)定。

1.2 不同幾何形狀鉆頭制孔實(shí)驗(yàn)

在得到了工藝參數(shù)影響權(quán)重的分析結(jié)果后，本研究實(shí)施了不同幾何形狀鉆頭制孔軸向力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，用以分析鉆頭幾何形狀對(duì)制孔軸向力的影響。

1.2.1 實(shí)驗(yàn)配置

本實(shí)驗(yàn)中所使用的機(jī)床、試件、夾具以及連接方式、信號(hào)處理都與工藝參數(shù)影響權(quán)重研究實(shí)驗(yàn)相同。

不同之處為本實(shí)驗(yàn)選用了3 種不同的鉆頭（圖7），分別為兩個(gè)橫刃長度不同的麻花鉆及一個(gè)雙頂角鉆，具體參數(shù)見表4。

表4 3 種鉆頭參數(shù)

1.2.2 工藝參數(shù)設(shè)置

如表5，實(shí)驗(yàn)在同一轉(zhuǎn)速（2 000 RPM）下，選用2 種進(jìn)給量，共6 種構(gòu)型，每種構(gòu)型鉆3 個(gè)孔。每種構(gòu)型都由其進(jìn)給量、轉(zhuǎn)速和鉆頭進(jìn)行命名。

表5 工藝參數(shù)設(shè)置及命名規(guī)則

1.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)共鉆出18個(gè)孔，在鉆出端有少量分層現(xiàn)象（圖8），通過目視無法區(qū)分不同構(gòu)型之間的差異，所以提取軸向力數(shù)值進(jìn)行了對(duì)比分析。

從實(shí)驗(yàn)過程中繪制的軸向力時(shí)變曲線中提取了每次制孔的最大軸向力，計(jì)算出不同鉆頭在每個(gè)構(gòu)型下的平均最大軸向力，見表6。

表6 3 種鉆頭平均最大軸向力

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表6，繪制了圖9 用于對(duì)比不同鉆頭在同一構(gòu)型下的軸向力。

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，具有更短橫刃長度的麻花鉆b 的軸向力要小于麻花鉆a。這是因?yàn)闄M刃位于鉆頭最前端且平行于試件表面，其最先接觸試件的每一鋪層表面并起到定心的作用[10]。橫刃并不起到切削作用，鉆頭靠軸向力將橫刃推入試件中后依靠切削刃切割纖維及基體，而更長的橫刃長度會(huì)導(dǎo)致鉆頭需要更大的軸向力才能推入試件中進(jìn)行切割。所以，在本實(shí)驗(yàn)中，麻花鉆a 產(chǎn)生了比麻花鉆b 更大的軸向力，這意味著麻花鉆a 比麻花鉆b 更易導(dǎo)致分層損傷。

另外還發(fā)現(xiàn)，雙頂角鉆的軸向力要小于具有相同橫刃長度的麻花鉆b。這是因?yàn)殡p頂角鉆更小的第二頂角（90°）使鉆頭錐度更大，更易減小阻力及后續(xù)切割纖維和基體。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，頂角過小會(huì)降低刀具穩(wěn)定性，而該雙頂角鉆頭兼具了132°和90°頂角，在保證穩(wěn)定性的同時(shí)改善了制孔質(zhì)量。

該結(jié)果與Muhammad Amirul Amri Alias 等[11]的研究結(jié)果形成補(bǔ)充，Muhammad Amirul Amri Alias 使用直徑不同的麻花鉆頭進(jìn)行制孔實(shí)驗(yàn)，確定了鉆頭直徑對(duì)軸向力的影響比重超過進(jìn)給量，而本研究確定了相同直徑下雙頂角鉆頭產(chǎn)生的軸向力要小于麻花鉆頭。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)亞麻纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層壓板實(shí)施制孔實(shí)驗(yàn)，獲得了不同狀態(tài)下的鉆頭軸向力的變化情況，得到如下結(jié)論。

（1）亞麻纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制孔的軸向力的變化規(guī)律與碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料相似。即對(duì)于傳統(tǒng)麻花鉆，更大的進(jìn)給量會(huì)導(dǎo)致制孔過程產(chǎn)生更大的軸向力，進(jìn)而增加分層的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）對(duì)于傳統(tǒng)麻花鉆，在相同進(jìn)給量的情況下，更短的橫刃長度可以降低軸向力水平。

（3）對(duì)于具有相同橫刃長度的麻花鉆和雙頂角鉆，在相同進(jìn)給量的情況下，擁有更小的第二頂角的雙頂角鉆可以將軸向力降低至更小的水平。