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工程科学与技术,国际期刊19(2016)2043完整文章可持续和常规纤维增强聚合物复合材料可Sikiru Oluwarotimi Ismaila,a,Hom Nath Dhakala,Ivan Popova,Johnny Beaugrandb,ca朴茨茅斯大学工程学院,朴茨茅斯,汉普郡,PO1 3DJ,联合王国bINRA,UMR 614 Fractionnement des AgroRessandum et Environnement,F-51686 Reims,FrancecUniversité de Reims Champagne-Ardenne,UMR 614 Fractionnement des AgroRessandum et Environnement,F-51100 Reims,France阿提奇莱因福奥文章历史记录:2016年2月21日收到2016年7月7日修订2016年7月18日接受2016年8月21日在线发布保留字:纤维增强复合材料(FRC)钻孔参数分层表面粗糙度最佳钻孔A B S T R A C T由于产品设计和材料工程的进步,传统的均质材料已不能有效地满足人们对产品性能和性能因此,具有更好性能和应用前景的纤维增强复合材料(FRC)应运而生。FRC的这些增强的质量强调了分析其可加工性以进一步改进性能的需要因此,本文提出了一个全面的调查的可加工性的影响钻参数(进给速度,切削速度和推力),钻头直径和芯片的形成主要对分层和表面粗糙度的麻纤维增强聚合物(19/HFRP)和碳纤维增强聚合物(MTM 44-1/CFRP)复合材料层压板,使用高速钢(HSS)钻头在干加工条件下。结果表明,进给速度和推力的增加导致两种样品的分层和表面粗糙度增加,与切削速度不同。此外,增加钻头直径和类型的芯片形成引起的两个样品的分层和表面粗糙度的增加,作为材料去除率(MRR)的显然,最佳钻孔的两个样品的最小表面粗糙度和分层因子与0.05-0.10 mm/rev的进给速率和30 m/min的切削速度相关©2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍近年来,人们对复合材料技术越来越感兴趣。与传统金属工程材料相比,复合材料技术已经能够生产出优异的FRC,其具有更好的损伤容限、抗冲击性、韧性、可持续性、可再生性、强度、电磁透明性、生物降解性、环境优越性、生产成本和容易性、零件数量减少、刚度、设计灵活性、低重量、机械阻尼、强度特性以及耐化学性、耐热性、高腐蚀性和耐磨性[1这些所需的一般固有和更好的性能增加了这些异质材料作为功能和结构组件的应用领域应用领域包括但不限于电信、汽车、石油和天然气,*通讯作者。电 子 邮 件 地 址 : sikiru.port.ac.uk ( S.O.Ismail ) , hom.port.ac.uk(H.N.Dhakal),ivan. port.ac.uk(I. 波波夫),约翰尼。博格兰德@ reims.inra.fr(J。Beaugrand)。由Karabuk大学负责进行同行审查建筑和建设、体育和娱乐、航空、生物医学、海洋(海军)、电子、国防或军事、发电、消费品、食品和包装行业[1此外,当今的环境和经济全球化要求生产天然纤维增强、生物资源和可持续的复合材料,作为合成(常规)纤维增强聚合物(FRP)复合材料的替代品[5,10]。举例来说,根据欧盟发出的指令,它要求所有新汽车中最大比例为85%,其次是10%,只有5%是可重复使用(可回收)的,用于能源回收和使用从2015年开始,分别在垃圾填埋场[16]。然而,在这方面,某些合成纤维增强复合材料在工程结构中的应用还没有完全被天然纤维增强复合材料所取代,这是因为这些合成或常规纤维增强复合材料具有显著的性能,不限于相对高的拉伸和冲击强度、强的大麻纤维是一种韧皮木质纤维素天然纤维,它增强了一种完全可生物降解的热塑性基质,称为聚己内酯(PCL),而碳纤维是一种无机和合成纤维,它增强了一种不可生物降解的热塑性基质。http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.07.0102215-0986/©2016 Karabuk University.出版社:Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:www.elsevier.com/locate/jestch×小行星2044Ismail等人/工程科学与技术,国际期刊19(2016)2043热固性基体,称为环氧树脂(EP)[5]。因此,大麻纤维增强聚合物(HFRP)是天然(可持续)纤维增强复合材料的示例,而碳纤维增强聚合物(CFRP)被称为合成(常规)和无机复合材料,如图1所示。在FRP复合材料上钻孔是装配操作所需的不可或缺且不可避免的操作[6,8,17]。在各种纤维增强复合材料层压板钻孔过程中获得的孔的质量和完整性与钻孔金属的质量和完整性完全不同[17]。由于纤维增强复合材料(FRC)材料的研磨性质、异质性和各向异性,在相同条件下[18],钻孔金属表面比钻孔复合材料表面更光滑且更规则[17]。此外,树脂基体的导热性差以及一些FRC的韧性和耐磨性的组合导致它们的可加工性差这些性质对钻孔复合材料的影响导致一些严重的钻孔引起的损坏,包括分层、表面粗糙度、裂纹发展、起毛、剥落、纤维未切割和拔出、基体烧结或燃烧和脱粘,以及与钻头相关的钻头边缘碎裂和过度磨损[9,19这些损坏使得在FRP复合材料上钻高质量孔而几乎没有损坏成为一个严峻的挑战[7]。据报道,分层和表面粗糙度缺陷是钻孔复合材料上最关键的缺陷[7,23,24]。分层被简单地定义为层合复合材料失效的主要形式,层合板或层沿其界面分离[1]。脱层有时形成为相邻层之间的裂纹;它经常发生在两种各向异性和非均质材料之间,作为界面裂纹。此外,它发生在拉伸载荷、弯曲载荷下,但它主要在临界压缩和疲劳载荷条件下增长[1]。许多研究人员报告了分层的原因,即:据报告,进给速度的增加增加了分层,而切削速度的增加减少了分层[25,26]。因此,低进给速率与高切削速度相结合可减少分层[27主要是作用在钻头横刃上的推力造成分层缺陷[7,8]。Capello[30]得出结论,使用支撑板钻孔可显著减少分层缺陷。高速钢钻头的使用非常普遍,因为它的可用性,低成本和最高的韧性,使其成为最广泛使用的刀具材料,如Ismail等人所报道的。[22][23][24][25][26][27][28][29]曹[33]。图1.一、所用FRC(工件)的主要成分、性能和结构表面粗糙度Ra定义为粗糙度轮廓与估计长度内的平均线的偏差的平均值。表面粗糙度是钻孔中非常重要的质量,因为蠕变、磨损、疲劳和腐蚀的机制取决于它。Babu等人[28,29]对HFRP进行了实验,并记录了与玻璃、黄麻和香蕉FRC相比最低的分层系数和表面不同切削速度下的表面粗糙度不同,但进给速度比切削速度有显著影响[34,35]。得出的结论是,进给速度的增加导致钻孔的表面粗糙度增加,而切削速度的增加导致所用材料的钻孔的表面粗糙度降低[34,36]。此外,钻削过程中的钻头直径、MRR和切屑形成类型对钻孔的质量和完整性据报告,钻头直径的增加导致钻头设计的几何形状(如横刃、腹板厚度和切割面积)增加。同样,这些钻头几何形状的增加导致钻孔力(推力和扭矩)增加[37]。分层和表面粗糙度的发生和强度主要取决于钻孔操作过程中产生的这些力。MRR的增加导致切屑形成类型的增加。此外,结果(帕累托[38],利用遗传算法,明确地揭示了最大分层系数与最大分层系数之间的关系据报告,最大分层系数随着MRR的增加而增加。MRR的最大值,也称为最大生产率点,产生最大的分层因子值(最差表面粗糙度或质量点)。最低分层因子产生于最低MRR的对应值的点。因此,较小的直径,较低的进给速度和适度较高的切削速度产生的较低的MRR有利于减少分层钻孔引起的损伤FRC材料。虽然许多研究都集中在合成或conven-然而,对于天然复合材料和可持续复合材料的可加工性研究却知之甚少,而对这两类复合材料的深入、全面的实验研究,主要是在相同的钻孔参数和条件下对材料试样的研究,则是非常罕见的。因此,本文采用田口技术进行实验设计,分析了钻削参数(进给速度、推力和切削速度)、钻头直径和切屑形成类型对HFRP和CFRP复合材料试样的钻削损伤(分层和表面粗糙度)的影响。2. 实验2.1. 材料和方法使用197 - 197 mm、5 mm厚的MTM 44-1/CFRP和19/ HFRP样品作为实验样品,分别简称为CFRP和HFRPHFRP由19的纵横比(AR)组成AR是纤维长度与其直径之比(L/D)。纤维单元平均长度L为432 μm,直径D为22.4 μm。HFRP复合材料样品使用挤出工艺制造。树脂生物粘合剂; PCL,一种半结晶聚合物,在60 °C的低熔融温度下具有1.1的比重,以及1.5的闪点。275 °C,使用。它由Perstop(英国)提供(Capa©6800)。大麻纤维在20wt%浓度下增强PCL。使用的大麻纤维是Fedora 17种,由FRD ®交付。大麻纤维是一种非常坚固的木质纤维素天然纤维,需要较少的加工能量。低压真空袋DoS.O. Ismail等人 /工程科学与技术国际期刊19(2016)2043-20522045使用了高压灭菌器外(OoA)模塑方法如HFRP复合材料样品的制造商所述,样品具有0%空隙含量采用普通预浸料手工铺层工艺。采用烘箱固化(OC)工艺和单向(UD)方法制造CFRP复合材料层压板样品。CFRP层压板样品是一种碳纤维复合材料层压板,具有反应性配方和低放热风险,用于制造主要和次要飞机或空间结构。它具有高损伤容限、优异的机械性能、优异的温度性能、优异的悬垂性和粘性、加工过程中受控的基质流动、优异的纤维性能转化、不同增强材料的可用性和优异的抗冲击此外,CFRP预浸料包含18层手工铺层,其中高强度EP(基质)用作粘合剂。该过程在最小980毫巴(2900 Hg)真空袋压力下以每分钟1-2 °C(1.8-3.6 °F)的升温速率进 行 CFRP 复 合 材 料 层 压 板 由 Umeco Structural MaterialsCompany提供用于实验研究的两种复合材料层压板(工件或样品)的简要和主要成分、性能和结构已在图1中说明。1.一、使用Proto TRAK VM CNC加工中心(图2c)对两个样品进行垂直常规钻孔。该机床的最大可变主轴转速和电机功率分别为5000 rpm和7.5 hp(5.75 kW)。5.0和10.0使用直径为2.5mm的高速钢麻花钻(图2c),始终处于干加工条件(无冷却剂)2.2. 试验设计及钻进条件如表1所示,使用L1642正交表的田口方法设计进给速率和切削速度的实验,以产生主轴旋转。这是一种有效的技术,可获得接近最优的实验参数设计,以实现成本效益、更好的时间管理、性能、优化和实验结果的准确性[11,39]。在钻孔操作之前,在将设计编程到CNC加工中心之前,使用Pro- Engineer(Creo 2版本)软件进行钻孔计划的计算机辅助设计(CAD)(图2a)此外,在复合材料样品背面的铝板支撑下进行钻孔有两种不同直径的孔,5.0表1考虑的加工参数钻井参数符号水平单元1 23 4进料速率F0.05 0.100.15 0.20mm/Rev切削速度v10 2030 40M/min主轴转速N5637 12731910 2546rpmN10318 637955 1273rpm和10.0 mm的损伤响应。样本被牢固地夹紧,以便在整个钻孔操作中实现零自由度由于湿加工对FRC的结构质量和完整性的限制作用,在整个实验中不鼓励使用被称为湿加工的液体冷却剂,因为它支持FRC吸收液体冷却剂或切削液的高可能性,特别是天然纤维增强复合材料(HFRP样品)在高温下的亲水性这是复合材料在潮湿条件下加工的局限性之一。不像金属。2.3. 钻井引起的损害检查和测量(仪器)测量和分析的两个主要损伤是分层和表面粗糙度,以及其他缺陷,如未切割纤维和最小的变形缺陷。毛刺的形成只发生在韧性材料,这是HFRP样品的情况。考虑到基体和纤维的脆性,CFRP样品从未发生过这种情况。在钻孔周围的分层缺陷,称为样品的分层损伤区(图4b)是一种微观现象。因此,使用OLYMPUS BX 40光学显微镜进行观察和测量。在25倍放大率和1.0l m分辨率下操作。分层引起的损伤由分层因子Fd量化,表示为:Fd¼Dmax½3;9;25]101mm图二.基于田口技术的钻井实验装置。(Z一×3J小行星2046Ismail等人/工程科学与技术,国际期刊19(2016)2043图三. 分层:(a)现象和(b)分析(或量化)。见图4。 钻孔壁的切片技术:(a)表面粗糙度测量;(b)SEM检查样品;(c)表面轮廓。其中F d=分层系数; D max=最大分层区(mm); D o=钻头直径(5.0mm),如图所示。 3 B.表面粗糙度表示加工孔周向壁上的不规则程度。这是衡量标准单位,通常在微米(1米)。它意味着与粗糙度轮廓基准线的所有垂直偏差的算术平均值。在仪器过程中,始终采用平均表面粗糙度,通常用Ra表示。所有钻孔表面壁粗糙度的测量均借助轮廓仪进行; Mitutoyo表面测量仪配有探针触针和SURF软件。该实验室测量仪器的容量为300.00l m,最小或截止表面长度为2.40这些是仪器用于进行表面粗糙度测量的设置。图4(c)描绘了在特定的测量长度l处粗糙结构与基准线的偏差的大小。测量表面轮廓和平均表面粗糙度,数学上表示为:满员你如图4(a)所示,将所有钻孔的复合层压板仔细切成两半。需要进行这种切片,以便轮廓仪的探针能够不间断地测量孔壁表面,并使样品(图4b)为扫描电子显微镜(SEM)检查做好准备。根据Eq.(3),并读取四次,首先测试表面粗糙度,然后确定作为过程输出的其他三个实际读数的平均值。同时,利用IBM SPSS和Minitab 16软件进行方差分析,以确定具有较高性能贡献和效果的钻井参数。此外,使用Lee等人[40]为金属制定的模型来操纵复合材料去除率。因此,钻孔过程中的材料(复合切屑)去除率(MRR)表示为方程式:(四):MRR¼ 250DfV4001LRaω 1/4升3jz<$x<$jdx)ð2Þ其中D=钻头直径(5.0和10.0 mm),V=切削速度(m/min),f=进给速率(mm/rev)。此外,为了进一步有效地探测、观测和解释钻井引起的损害,R1Xjyjj2其中Ra/=表面轮廓e;z(x) =y=测量的粗糙度轮廓; j = 1(用于试测读数)、2、3和4(用于实际读数);Ra=算术平均表面粗糙度(lm);l=样品测量长度(mm)。表面粗糙度测量,基于Eq. (2),沿着钻孔方向,在轴向平行于基于ANSI标准的钻孔方向的不同位置处进行。在所有测量过程中,完整性、分层缺陷、纤维未切断和拔出,样品,更多的非破坏性检测技术进行。其中包括扫描电子显微镜(SEM)和X射线计算机断层扫描(X射线CT)。分别借助于JEOL JSM-6100扫描电子显微镜和Nikon XTH 225扫描仪对样品进行SEM和X射线CT检查这些技术进一步揭示了损坏区域的显微照片。SEM机器具有100,000的最高放大率和高达约40 A的分辨率能力,用于感兴趣区域的成像。获得的显微照片结果如图所示。 10个。0--S.O. Ismail等人 /工程科学与技术国际期刊19(2016)2043-20522047图五、钻头的现象性穿透,显示钻井操作期间推力与时间之间的相互作用见图6。X射线CT CFRP样品显微照片显示,当以f= 0.20 mm/rev和v= 10 m/min钻孔时,在阶段1(剥离)和阶段3(推出)出现层间分层。3. 结果和讨论3.1. 分层和表面粗糙度钻孔损伤进给速率的增加引起两个样品的分层和表面粗糙度的增加,这与两个样品的分层和表面粗糙度随着切割速度的降低而增加不同,如两个图中所示。7和8分层主要是由进给速度引起的过大推力(图5)引起的。因此,进一步分析了推力对钻削过程的影响。3.1.1. 钻削(推力)力在使用不同钻孔参数的常规钻孔技术期间,注意到由麻花钻头在复合材料上引起的钻孔力,主要是推力,如先前在表1中所讨论的。该过程的完整演变如图5所示;图5示出了推力曲线,并以六个不同的主要钻井操作阶段为特征。在开始时(阶段1),推力急剧增加,这是因为在凿刃和钻头的尖角穿透之后,麻花钻头获得初始接触并进入复合材料样品(工件)所需的力立即增加。有一个逐渐增加在复合叠层和切割边缘之间的接触长度上。之后,啮合半径从初始零增加到钻头半径。在侵彻过程中产生的推力取决于啮合半径。第1阶段有时以剥离型分层为特征(图6),由快速剥离增加的力和工具-复合材料界面温度[3,22]。第二,阶段2示出了随着钻头的第二切削刃完全进入复合材料样品,力进一步增加。在钻孔阶段,盲孔的形成伴随着材料去除(切屑形成)速率的增加阶段3是决定钻孔质量的关键阶段在该稳态区域,力开始减小这可能归因于材料特性,例如HFRP样品的软化现象,特别是在高切削界面温度下,尽管两种样品具有相似的力信号。钻孔工具切穿复合层压材料的最后或底部层片,倾向于向下推动最后层片。钻孔引起的损伤的可能性,称为推出分层(图1)。 6),在这个阶段是非常高的,特别是对CFRP样品。紧接着第3阶段之后,在第4阶段中观察到力的急剧减小。这是因为钻头的尖端刚刚穿透复合层压材料背面的最后一层。阶段4描述了在增加的时间内力的进一步急剧减小,同时钻头从样品获得更多的退出。接下来是阶段5,其中钻头的切削刃的接触长度减小,并且导致力的更逐渐减小。Ramesh等人也报道了类似的现象。[9]。最后,力在阶段6减小到零在最后阶段,没有钻孔操作,而是进行了扩孔操作。3.1.2. 进给速度和切削速度综合来看,HFRP复合材料试样的分层因子值较小且接近,而CFRP试样的分层因子值较大且较宽。在相同的钻孔参数、加工条件(支撑背板和干燥环境)和钻头类型下,性能相似的生物复合材料[2,8]中,分层因子的较小和接近值很普遍。据观察,在切割速度的增加引起的分层因素逐渐减少。然而,如图7所示,两个样品的分层因子随着进料速率的增加而增加。进给速度的增加导致钻削(推力)力的增加。此外,最佳 的 钻 孔 条 件 、 孔 表 面 光 洁 度 和 质 量 与 低 进 给 速 度 ( 0.05-0.10mm/rev)和高切削速度(30 m/min)有关。这些实验结果与Ramesh等[9]、Shunmugesh和Panneerselvam[6]的结果非常一致。显然,进给速率的增加导致表面粗糙度成比例地逐渐增加。然而,切割速度的增加导致两个样品的表面粗糙度非线性下降,但在CFRP样品中非常不一致(图8)。这可能归因于纤维的位置和纤维的性质。钻孔的测量面积。使用IBM SPSS和Minitab 16统计软件,采用95.0%置信区间,使用双因素方差分析(ANOVA)进一步确定和支持这些钻孔参数中每一个的影响。HFRP和CFRP试样的切削速度响应分别为0.888和0.860,进给速度响应分别为0.255和0.302因此,切削速度和进给速度分别对表面粗糙度和分层的响应具有较大的统计贡献。3.1.3. 钻头直径和材料去除率结果表明,MRR与直径、进给量和切削速度成正比,随钻削参数的增加而增加。物料回收率对生产速度、生产效率和生产成本有很大的影响由于磨料和小行星2048Ismail等人/工程科学与技术,国际期刊19(2016)2043见图7。钻削参数对分层的影响。见图8。钻削参数对表面粗糙度的影响。CFRP复合材料层压板的粉末性质以及钻孔操作期间不连续的切屑形成,存在许多切屑堵塞在麻花钻的槽上的趋势当使用较大的钻头直径(10.0 mm)时,在较高的进给速率、切削速度下增加。这导致了大量的表面损伤。样品之间的切屑去除和空气冷却S.O. Ismail等人 /工程科学与技术国际期刊19(2016)2043-20522049(a) CFRP(b)HFRP见图9。在f= 0.05 mm/rev和v= 20 m/min下钻10.0 mm直径孔的样品的SEM显微照片。(a) CFRP(b)HFRP见图10。 以f= 0.15 mm/rev和v= 30 m/min钻取的直径为5.0 mm的样品孔的SEM显微照片。而钻头界面,当钻头后刀面堵塞过多和麻花钻螺旋槽较窄时,界面温度升高,有利于分层(裂纹)的扩展和复合空洞的形成。如Abilash和Sivapragash[7]最近所报道的,低进给速率结合小直径钻头的应用有利于最小分层,以提高孔的质量,特别是在CFRP样品上。相比之下,最佳钻孔条件和更好的孔表面质量与使用较小直径5.0 mm的钻头相关联。为了减少表面质量差和分层缺陷等由此产生的挑战,建议并且最好使用直径小于最终预期孔的确切钻头直径的钻头开始钻孔操作,并且逐渐增加孔的直径,以使材料/切屑去除率的量最小化。然而,这种方法并不真正具有成本效益。如图9所示,当使用更大的钻头直径时,观察到严重断裂的碳纤维和大麻纤维以及烧焦的基质,导致孔的钻孔表面上的孔隙率。这些缺陷发生在0.05 mm/rev的最低进给速度和20 m/min的切削速度下,这是由于钻头直径增加对表面完整性的影响所致。越大10.0 mm直径的钻头具有更大的横刃、腹板厚度和切割面积。因此,这些增加的钻头几何形状产生更高的钻削力(推力和扭矩)。因此,特别是在图9(a)中观察到的缺陷可能是由于所用钻头直径更大(10.0mm)导致的钻孔力增加所致。此外,使用更大的直径,会形成更多的粉尘或粉末状碎片形式-更多切屑的加入使得复合材料和钻头切削刃之间的界面温度较高,因为在平均较低的切削速度和干加工环境下,切屑排出减少。结果,如图9(b)所示,这种摩擦产生的温度大大削弱了纤维并熔化了粘合剂。这种高温产生在主切削区域周围,当在干燥环境中进行钻孔时最显著。温度升高促进了钻头磨损,因为钻头的更多分子获得更多动能,以帮助扩散和粘附工具磨损机制。与在HFRP样本上钻相同的第64个孔后钻头上的不显著磨损相比,这些磨损形成机制导致在钻CFRP样本后在钻头侧面观察到的最小钻头磨损。钻头磨损对这些钻削缺陷的形成起着重要的作用。此外,这可以归因于CFRP样品的较高硬度、研磨性和脆性,以及HFRP样品的相对柔软性和延展性。仅通过物理和目视检查观察使用过的(磨损的)钻头与新类型钻头之间的磨损比较。此外,增加的界面温度有时会引起另一种钻孔引起的损坏,称为纤维/基体磨损、纤维拔出和基体/粘结剂热软化或脱粘效应。3.2. 分层和表面质量(粗糙度)的SEM量化显微照片(Fig.图9和图10)描绘了在最佳位置处的峰和谷形式的粗糙度发展、纤维和基质损伤。2050S.O. Ismail等人/工程科学与技术,国际期刊19(2016)2043相同的钻井条件。深的凹谷和高的峰表明基体熔化或燃烧,纤维呈波浪状起伏,产生空洞(或空穴),分别在HFRP和CFRP孔表面产生 较高 这 些缺 陷 主要 发 生在 0.05 mm/rev 的 低进 给 速度 和 0.20m/min的切削速度下,钻头直径较大,为10 mm(图9),以及在0.15 mm/rev的高进给速度和30 m/min的切削速度下,钻头直径较小,为5.0 mm(图9)。 10)。因此,裂纹在图中扩展。 10(a)由于使用0.15 mm/rev的高进给速率和30 m/min的切割速度而发生。另外,进给速度随着推力和扭矩的增大而因此,推力和扭矩都是导致两个样品出现复合空隙、裂纹、内部分层和基体熔化的原因,如图10(a)和(b)所示。此外,Fig. 图9(a)和图10(a)分别示出了通过分层和脱粘现象在CFRP复合材料中扩展的复合空隙和裂纹。脆性材料中裂纹的扩展比韧性材料中裂纹的扩展更显著CFRP复合材料比HFRP复合材料更脆,这是由于它们的增强纤维和粘合剂不同。HFRP的PCL基体是一种韧性材料,这增加了其组成复合材料的韧性,因此,降低了具有裂纹和内部分层钻孔引起的问题的可能性,不像CFRP复合材料,当经受相同的钻孔条件和参数时。CFRP复合材料的EP是热固性聚合物基体,而HFRP的PCL是热塑性聚合物基体。通常,热固性材料相对较脆,但它们具有更好的耐化学性和更强的界面结合。EP的热分解温度和玻璃化转变温度均高于PCL基体。CFRP复合材料试样的损伤为点集中型缺陷,而HFRP试样的损伤为均匀型损伤,主要由PCL基体的熔化和烧结引起3.3. 切屑形成形态和表征当复合材料经历塑性变形时,通常在剪切区域内的钻-材料滑动界面处立即产生碎片。在切屑形成期间,在钻孔操作期间既不鼓励粉尘状切屑也不鼓励非常长的连续切屑。碳纤维复合材料的粉末碎片相反的是,不容易从钻槽中排出,由于高摩擦和力的发展而导致切屑堵塞,而长时间的连续切屑往往导致严重的切屑排出困境。这些问题如果处理不当,很容易导致钻孔质量、工具(钻头)寿命和钻头断裂的降低。在两种样品的钻孔过程中,在增加的进给速率和切削速度下,切屑形成增加HFRP试样在钻孔过程中形成连续的棕色带状切屑,而CFRP试样由于其纤维和基体的性质,产生的不连续的黑色粉末状切屑的尺寸非常小、细、粉末状且具有研磨性。 进给速度和切割速度越高,HFRP切屑和连接物越宽、越长、越呈带状和越轻,CFRP切屑形成的粉末状或粉尘状、越小和越暗,如图所示。 十一岁这些类型的切屑形成在CFRP样品中产生较低的表面粗糙度,在HFRP样品中产生脱层和钻头磨损。总之,切屑形成的类型也影响了样品和所用钻头上形成钻孔引起的损伤的模式和可能性3.4. 其他钻井引起的损害借助X射线计算机断层扫描(X射线CT)技术对样品进行了进一步的非破坏性检查。除了所讨论的缺陷,钻孔引起的损伤,如未切割的纤维和裂纹形成观察。图12描绘了HFRP复合材料样品中出现的小的未切割纤维和少量未切割纤维,特别是在一些钻孔的入口和出口未切割纤维的损伤发生在较低的进给速率和切割速度,而最小的损伤观察到在较低的进给速率和平均切割速度。然而,CFRP复合材料样品没有这些缺陷。这些缺陷降低了孔的完整性和HFRP样品的机械加工性为了消除这些缺陷,需要进行一些后加工操作,例如去毛刺和可能的铰孔。因此,它们倾向于增加总加工时间和制造成本。在高度禁止使用碳纤维增强复合材料的情况下,应鼓励使用碳纤维增强复合材料层压板。图十一岁不同钻孔参数下的切屑形态:(a)f= 0.05和v= 10;(b)f= 0.15和v= 30;(c)f= 0.20 mm/rev和v= 40 m/mm。S.O. Ismail等人 /工程科学与技术国际期刊19(2016)2043-20522051图12个。X射线CT扫描显微照片显示:(a)CFRP-无纤维-未切割和未破坏;(b)HFRP-有纤维-未切割和未破坏。4. 结论对木质纤维素19/HFRP和UD MTM 44-1/CFRP OC复合材料钻孔试样进行了钻孔损伤分析,主要研究了钻孔后的分层和表面完整性。在此总结了获得的以下结果:i. 在相同条件下,CFRP试样的钻削损伤比HFRP试样的钻削损伤更显著、更严重断裂的碳纤维比大麻纤维多,最重要的是在0.15和0.20 mm/rev的增加的进料速率下。ii. 两种FRC样品上的损伤显著地取决于钻孔参数和它们的成分(纤维和基质)的性质钻孔参数的增加影响了HFRP和CFRP试样的钻孔质量,因为HFRP试样中的大麻纤维及其PCL基体具有较低的热机械性能,而碳纤维及其EP基体具有较高的热机械性能。iii. SEM显微照片表明,增加钻头直径对两种样品的表面完整性的影响大于引起分层缺陷,因为较大的钻头直径产生较大的MRR和切屑。X-射线CT检查显示,HFRP复合材料钻孔时有少量未切割纤维缺陷和微裂纹形成。然而,由于其组分的性质,这些损伤在CFRP复合材料样品上并不常见,但CFRP样品主要以层间裂纹和分层为特征。iv. 在CFRP复合材料层压板的钻孔过程中,存在不连续的碎屑形成,其本质上是磨料和粉末状的,而HFRP复合材料的连续碎屑形成,长且盘绕这些类型和数量的芯片形成决定的类型和严重程度的钻井引起的损害发生。v. 在CFRP复合材料上钻64个孔(32个孔,每个孔的直径为10.0mm和5.0 mm)后,钻头磨损最小,而在钻HFRP复合材料样品后使用的HSS麻花钻上的磨损迹象不明显或为零。vi. 最佳钻削的两个样品的最小表面粗糙度和分层因子vii. 最后,根据方差分析和其他统计结果,CFRP样品具有较低的表面粗糙度(更好的表面光洁度),而HFRP复合材料样品表现出较低的分层钻孔引起的损伤。在相同的钻孔条件和参数下考虑和分析两个样本因此,工程应用的选择应取决于它们对这些损伤的反应。确认作者希望感谢尼日利亚联邦政府三角洲发展委员会(NDDC)根据NDDC/DEHSS/2013 PGFS/ OND/3号合同提供的财政支持。此外,我们真诚地感谢法国INRA的Franc,oise Berzin和Alain Lemaitre提供的帮助。最后,英国朴茨茅斯大学工程学院的Phil Bennett,JonathanRowe,Richard Baker,Colin Lupton和Geoff Britton以及地球与环境科学学院的Elaine Dyer和Anthony Butcher博士以及技术人员,特别是D.&T精密工程有限公司,Curbridge Botley,汉普郡,英国非常感谢。小行星2052Ismail等人/工程科学与技术,国际期刊19(2016)2043引用[1] S. Sridharan , 复 合 材 料 的 分 层 行 为 , 第 一 版 ,WoodheadPublishingLimited,Cambridge England,2008,pp. 1- 788[2] P.N.E. Naveen,M.李文,复合材料钻孔参数的实验研究,北京大学学报,2001。机甲Civ. 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