顺序钻削和加工参数对纤维增强复合材料中未切断纤维形成与分层损伤的影响

为何微小孔洞对大型结构至关重要

现代飞机、汽车和风力涡轮机依赖纤维增强塑料——由玻璃或碳纤维用树脂粘合而成的轻质材料。这些材料强度高，但在制作螺栓孔和紧固件开口时却相对脆弱。一次简单的钻孔操作就可能撕裂层间结构，或在孔内留下悬挂的纤维束，从而悄然削弱关键部位。该研究探讨通过谨慎选择钻头尺寸、钻孔顺序和机床参数，如何在玻璃纤维板上钻出更干净、更牢固的孔。

层层结构、纤维与不期望的损伤

纤维增强复合材料像一叠浸有粘合剂的薄布片堆叠而成。当旋转的钻头穿透这叠层时，可能把层间撬开，产生称为分层的缺陷；同时也可能在孔内留下未被切断的纤维束。这两类损伤都会降低零件在断裂前所能承受的载荷。作者把研究对象锁定为一种常见的玻璃纤维层压体，由七层机织玻璃纤维用环氧树脂结合而成。他们制造了大尺寸平板，切割成试验条，并在多种不同条件下钻孔，模拟工业中真实零件的加工方式。

尝试逐步钻削的方法

首要问题是“顺序”钻削——先用小钻头，再用中等，最后用终孔尺寸钻头——是否能比一次到位的整孔钻削减少损伤。研究团队使用计算机控制的铣床，分别以一把、两把或三把钻头按顺序钻出直径为7毫米和10.1毫米的孔，同时保持进给率和转速不变。随后他们拍摄每个孔的前后表面，并用图像分析软件测量周围剥离的区域面积以及孔壁上未切断纤维的覆盖比例。

速度与推进力如何改变孔的质量

接着，研究人员改变了关键的机床参数：进给率（钻头推进材料的速度）和主轴转速（钻头的旋转速度）。他们针对两种孔径测试了三档进给率（从非常慢到较快）和三档转速（从低到高）。对每种组合，他们再次在孔的入口与出口处测量分层和未切断纤维的情况。他们还进行了三点弯曲试验——将试样两端支撑并在中部施加向下的力——以评估钻孔后零件在破坏前能承受多少力，以及这些力学性能如何与孔周围的损伤相关联。

图像与弯曲试验揭示的结论

影像测量显示出明确的规律。采用多级逐渐放大的钻头钻削可以减少板材前后表面的分层。然而，这种策略往往会增加入口处的未切断纤维，因为反复拔出工具似乎把纤维向上拉起，留下悬垂的纤维。在出口侧，相同的逐步钻削方法有助于更彻底地移除纤维，从而减少未切断纤维的损伤。同时，更高的进给率——更快地推进钻头——会使分层和未切断纤维情况均显著恶化；而更高的主轴转速——更快旋转——则能减小这两类损伤。将这些测量结果与弯曲试验对比后发现，孔周围损伤较少的样件承载能力更高，在优化钻削条件下破坏荷载最高可提高约18%。

用于更安全、更轻零件的实用经验

通俗地说，研究表明在玻璃纤维零件上如何钻孔，会显著影响该零件的强度。分级使用多种钻头可以保护层状结构免于分层，尤其在出口面效果明显，但可能在入口面留下更多松散纤维。过高的推进力（高进给）有害，而较高的转速则对材料更温和。将逐步钻削策略与中等进给率和较高转速相结合，制造商可以钻出更干净的孔，保留更多复合材料的强度——对于飞机、车辆及其他每一克和每一道安全裕量都至关重要的结构而言，这是重要的改进。

引用: 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

关键词: 复合材料钻孔, 玻璃纤维层压板, 分层损伤, 加工参数, 未切断纤维