Влияние последовательного сверления и параметров обработки на образование неразрезанных волокон и повреждение деламинацией в армированных волокном композитах

Почему маленькие отверстия важны в крупных конструкциях

Современные самолёты, автомобили и ветровые турбины полагаются на армированные волокном пластики — лёгкие материалы из стеклянных или углеродных волокон, связанных смолой. Эти материалы прочны, но уязвимы при создании отверстий под болты и крепления. Обычное сверление может вызывать расслаивание слоёв или оставлять внутри отверстия свисающие пряди волокон, незаметно ослабляя критичный элемент. В этом исследовании изучают, как сверлить чище и прочнее в стеклопластиковых пластинах, внимательно подбирая диаметр сверла, последовательность сверления и режимы станка.

Слои, волокна и нежелательные повреждения

Армированные волокном композиты устроены как стопка тонких полотен, пропитанных связующим. Когда вращающееся сверло проходит через такую стопку, оно может разъединить слои — явление, называемое деламинацией — а также оставлять внутри отверстия связки неразрезанных волокон. Оба типа повреждений снижают нагрузку, которую деталь может выдержать до разрушения. Авторы сосредоточились на распространённом стеклопластиковом ламината из семи полотен тканого стекловолокна, скреплённых эпоксидной смолой. Они изготовили большие плоские панели, разрезали их на испытательные полоски и затем просверлили отверстия в разных условиях, имитируя промышленные технологии изготовления деталей.

Пробуем поэтапный подход к сверлению

Первый вопрос заключался в том, может ли «последовательное» сверление — использование ряда сверл от маленького к среднему и затем до финального диаметра — снизить повреждения по сравнению со сверлением до нужного размера за один проход. С помощью числового фрезерного станка команда сверлила отверстия диаметром 7 и 10,1 миллиметра одним, двумя или тремя сверлами последовательно, удерживая постоянными подачу и скорость вращения. Затем они фотографировали переднюю и заднюю поверхности каждого отверстия и с помощью ПО для анализа изображений измеряли, какая площадь вокруг отслоилась, и какая часть стенки отверстия покрыта неразрезанными волокнами.

Как скорость подачи и вращения влияют на качество отверстия

Далее исследователи варьировали ключевые параметры станка: подачу (насколько быстро сверло входит в материал) и скорость шпинделя (частоту вращения). Они протестировали три уровня подачи — от очень медленной до довольно быстрой — и три скорости вращения — от низкой до высокой — для обоих диаметров отверстий. Для каждой комбинации снова измеряли деламинацию и неразрезанные волокна на входе и выходе отверстия. Также провели испытания на трёхточечный изгиб — поддерживая каждую полоску на концах и нажимая посередине — чтобы определить, какую прочность выдерживают просверленные образцы до разрушения, и как это соотносится с повреждениями вокруг отверстия.

Что выявили снимки и испытания на изгиб

Визуальные измерения показали чёткую закономерность. Поэтапное сверление с несколькими увеличивающимися диаметрами снижало деламинацию как на передней, так и на задней поверхностях пластины. Однако эта стратегия имела тенденцию увеличивать количество неразрезанных волокон на входной стороне, где многократное вынимание инструмента, похоже, подтягивало волокна вверх и оставляло их подвешенными. На выходной стороне тот же поэтапный подход помогал более полно удалять волокна и снижал повреждения в виде неразрезанных волокон. Отдельно оказалось, что более высокая подача — более интенсивное вдавливание сверла — последовательно ухудшала и деламинацию, и образование неразрезанных волокон, тогда как более высокая скорость вращения шпинделя уменьшала оба вида повреждений. При сопоставлении этих показателей с результатами изгибных испытаний образцы с меньшими повреждениями вокруг отверстий выдерживали большие нагрузки: сила разрушения улучшалась примерно до 18 процентов при лучших режимах сверления.

Практические выводы для более безопасных и лёгких деталей

Говоря упрощённо, исследование показывает, что способ сверления отверстия в стеклопластиковой детали существенно влияет на её прочность. Использование нескольких диаметров сверл поэтапно может защитить слоистую структуру от расслаивания, особенно на выходной стороне, хотя это может оставить больше свободных волокон на входе. Слишком агрессивная подача вредна, тогда как более высокая скорость вращения обычно щадит материал. Сочетая поэтапное сверление с умеренными подачами и повышенными скоростями вращения, производители могут получать более чистые отверстия и сохранять большую часть прочности композита — важный выигрыш для авиации, автопрома и других конструкций, где каждая граммовая и каждая единица запаса прочности имеют значение.

Цитирование: Izadi, S.M.H., Mozaffari, A. The influence of sequential drilling and machining parameters on uncut fiber formation and delamination damage in fiber-reinforced composites. Sci Rep 16, 10132 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40786-y

Ключевые слова: сверление композитов, стеклопластиковые ламиниаты, повреждение деламинацией, параметры обработки, неразрезанные волокна