第一章 緒論
1.2 複合材料鑽削加工文獻回顧
複合材料鑽削是一既複雜且效率低的加工過程。在過往一些複合 材料鑽孔加工研究結果中得知，高進給速率、層板內部強度差、刀具 不當的研磨、刀具磨耗或較大之鑽尖角，均是造成鑽孔加工品質降低 的主要原因[11-17]。同時，Khashaba等人指出，鑽孔過程中的軸向推 力是導致複合材料加工產生脫層的重要因素，亦是影響鑽孔品質的關 鍵因子[18]。König 與Grab 發現在一定範圍的切削條件裡，可用鑽 頭所受軸向推力之值，作為判斷脫層發生的臨界指標[19]。
此外，傳統麻花鑽已廣為複合材料製孔所用，其因乃傳統麻花鑽 具有容易取得且價格便宜、幾何形狀簡單、製造容易等優點。然麻花 鑽中間鑿刃部分不具切削作用之缺點是眾所周知之事，其於鑽削複合 材料時，容易在複合材料出口處造成推擠，因此會產生較大的鑽削軸 向推力。當鑽削的軸向推力大於複合材料之間的結合力時，脫層缺陷 就此產生。因此多數學者均以鑽削的軸向推力大小，來做為判定複合 材料遭致脫層最有效之依據[20]。Langella 等人指出，隨著麻花鑽的 進給速率增加，其鑿刃所提供的軸向推力約占總鑽孔所需之軸向推力 的 80% [21]。同時，依據過往學者專家提出之報告得知，傳統加工影 響複合材料的軸向推力因素有加工條件(主軸轉速與進給速率)、刀具 幾何形狀、刀具材質、刀具磨耗、冷卻液添加與否、背板使用、振動
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輔助裝置、刀具被膜、複合材料種類及預鑽孔等，其中加工條件與刀 具幾何形狀探討鑽削軸向推力的文獻最多[22-41]。近來 Tsao 與 Wu 以模糊決策實驗室分析法(Fuzzy Decision Making Trial and Evaluation Laboratory，FDEMATEL)證實在設計特用鑽頭刀具時，加工條件與刀 具幾何形狀是影響鑽削品質最大的二個因素[40]。Jain 和 Yang 發現，
若增加鑽刃的數量，可以降低最大切削力，對此論述，他們提出一端 塗佈鑽石顆粒之管鑽的切削刀具[27]。而刀具上之顆粒大小，端賴所 鑽之孔品質與進給速率而定，其也建議使用管鑽以減少鑽削時所產生 之軸向推力，因為管鑽鑽刃可以完全避開麻花鑽鑿刃所產生的軸向推 力。但管鑽鑽刃於鑽削過程中，於內管壁所造成的殘屑會導致複合材 料的脫層現象更加嚴重，困擾著加工業者。針對管鑽內管壁所造成之 殘屑問題，Tsao 和 Hocheng 發表一系列複合管鑽(管心鑽、管鋸鑽、
階梯管心鑽與階梯管鋸鑽)，鑽削複合材料之理論性軸向推力與脫層 的研究[40-45]。
Hocheng 和 Dharan 根據線彈性破裂力學(Linear Elastic Fracture Mechanics，LEFM)理論，提出複合材料鑽孔的解析模型，並推導出 鑽孔加工對複合材料所產生的臨界軸向推力[46]。Hocheng 和 Tsao 也 對不同幾何形狀的鑽頭(如燭心鑽、管鑽、鋸鑽與階梯鑽等)，發表一 系列鑽削複合材料之理論性軸向推力與脫層的研究[43-45]。隨後，
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Tsao 研究管鑽對預鑽孔之影響[43]。從其實驗證實，預鑽孔確實能有 效降低鑽削脫層現象的發生。另外，從 Hocheng 和 Tsao 的理論推導 結果中，證實 LEFM 理論的確能用來預測特用鑽頭之臨界軸向推力。
同時，在所有特用鑽頭中，管鑽可以獲致最高之臨界軸向推力。然管 鑽外緣為直角切刃，直角切刃隨著管鑽厚度的增加，在複合材料層板 出口之處易產生扭轉與推擠的現象。而扭轉與推擠的現象，易造成複 合材料層板出口之處脫層缺陷的急劇產生。此時若能將管鑽外緣的直 角切刃改為不同圓弧曲線，則管鑽於複合材料層板出口之處較不易產 生脫層缺陷[45]。
圖 1.1 草拌泥磚胚 [2]
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圖 1.2 中國古代弓複製品 [3]
圖 1.3 BMW i3 電動車碳纖維車體結構 [4]
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圖 1.4 波音 787 客機與使用複合材料之比例 [7]
圖 1.5 空中巴士 A350XWB 客機與使用複合材料之比例 [8]
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第2章 鑽削軸向推力之理論分析
在過往複合材料加工文獻中得知，加工條件與刀具幾何形狀是影 響鑽削品質最大的二個因素。而有學者發現，若增加鑽刃的數量，可 以降低最大切削力，對此提出一端塗佈鑽石顆粒之管鑽的切削刀具，
其也建議使用管鑽以減少鑽削時所產生之軸向推力，因為管鑽鑽刃可 以完全避開麻花鑽鑿刃所產生的軸向推力。然管鑽外緣為直角切刃，
在複合材料層板出口之處易產生扭轉與推擠的現象，易造成複合材料 層板出口之處脫層缺陷的急劇產生。此時若能將管鑽外緣的直角切刃 改為不同圓弧曲線，則管鑽於複合材料層板出口之處較不易產生脫層 缺陷。
當刀具鑽削複材層板時，其出口處之軸向推力只要低於臨界軸向 推力，即可避免複材層板於鑽削時產生脫層。通常臨界軸向推力大小 與工件材料性質、刀具種類與未切除材料的厚度有關。半圓球管鑽是 一個鑽削複材層板的特用鑽頭，其整個作用於複材層板出口處之軸向 推力大小，可用重疊法方式獲得，如圖 2.1 所示。半圓球管鑽於鑽削 出口處之軸向推力大小(
F
SB)係由向下零階軸向推力(F
D)與向上二階 曲線軸向推力(F
K)所組成，如方程式(2.1)所示。K D
SB
F F
F
(2.1)9
10
11
12
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圖 2.1 半圓球管鑽於鑽削複材層板脫層模型(a)向下零階軸向推力 (
F
D)；(b)向上二階曲線軸向推力(F
K)與(c)半圓球管鑽軸向推力(F
SB)14
第三章 實驗設備與鑽削參數定義
3.1 實驗系統及設備 3.1.1 刀具設計
為瞭解本研究之刀具於碳纖維複合材料之鑽削狀況，本實驗中所
使用之刀具，係以複合特殊管鑽為設計基礎所衍生之複合特殊管球鑽，
其係將複合特殊管鑽之管鑽外緣的形狀由直角切刃改為圓弧曲線切 刃。至於複合特殊管球鑽之內部 8 mm 麻花鑽皆為碳化鎢材料所製成，
且其外部管球鑽直徑皆為 10 mm，而管球鑽厚度則為 2 mm，且複合 特殊管球鑽之管鑽外部皆以＃60 電鑄鑽石被覆，如圖 3.1 所示。
3.1.2 CNC 切削中心機
為符合不同的轉速進給等參數鑽削實驗需要，故本研究以 CNC 切削中心機(麗偉 V30)來進行鑽孔實驗。有關本研究使用之 CNC 切 削中心機照片，如圖 3.2 所示。
3.1.3 數據量測系統
從過往之文獻中得知，鑽削碳纖維複合材料時所產生的軸向推力 大小，對複合材料脫層有直接的影響。為量取鑽削碳纖維複合材料時 所產生之軸向推力，本實驗於工件夾具座的正下方處安置四通路之 Kistler-9257 動力計，且該動力計透過 Kstler-5011 電荷放大器將鑽削
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所量測之電荷訊號放大，並轉換成電壓訊號，再透過 NI-6110S 卡與 GPIB 卡，將電壓訊號傳送至個人電腦中，並以 LabVIEW 界面監控 與記錄整個鑽削數據。有關整個碳纖維複合材料鑽削數據之量測系統，
如圖 3.3~圖 3.5 所示。
3.1.4 外部動力系統
因本研究所使用之加工刀具為複合特殊管球鑚，其外部鑽頭與內 部鑽頭可分別獨立旋轉，其中 CNC 切削中心機之主軸提供內部鑽頭 的運轉動力，而外部鑽頭旋轉，則須額外提供一動力源。至於該動力 源驅動係以 400W 的 SmartMotor 伺服馬達，且透過三菱 PLC 與人機 介面對外部鑽頭進行正、逆轉速之可調轉速控制。有關複合特殊管球 鑚整個外部動力系統，如圖 3.6 與圖 3.7 所示。
3.1.5 超音波量測
以往學者於量測複合材料鑽孔脫層時，多採用超音波Ｃ-Scan (反 射式)的掃描方式來檢測。然有些實驗試片於鑽削過程中常造成試片 出口的隆起，如圖 3.8 所示，致使其量測之效果不佳，故本實驗採用 超音波穿透式的掃描(Through Scan，T-Scan) 檢測，其原理和 C-Scan 不同處在於 T-Scan 不針對特定深度進行脫層解析，而是將整個縱深 的脫層情形用疊加的方式加以呈現。因本校無此檢測設備，故本實驗
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鑽削加工後之試片悉數委託宜特科技股份有限公司代為進行檢測，其 機台型號為 SONIX UHR-2001，如圖 3.9 所示。掃描後的影像，如圖 3.10 所示。而掃描後的影像再以影像處理軟體框選像素，對孔洞周圍 黑色面積部分(即為複材層板脫層)，進行脫層面積轉換與計算，如圖 3.11 所示。
3.2 鑽削實驗架構
本研究透過 CNC 程式編寫以對碳纖維複合層板進行鑽削。鑽削 時碳纖維複合層板先以快速夾鉗固定夾持於動力計上方之夾具，鑽削 碳纖維複合層板前須先將電腦量測系統開啟，隨後並做電荷放大器之 歸零動作，緊接著再設定外部動力系統所需之轉速及運轉方向，再接 著啟動 CNC 程式對碳纖維複合層板進行鑽削，鑽削同時碳纖維複合 材料下方動力計會將所量測之電壓訊號，透過電荷放大器將鑽削量測 之電荷訊號放大，接著再透過 NI-6110S 卡與 GPIB 卡，將電壓訊號 傳送至個人電腦中，並以 LabVIEW 界面監控將電壓訊號轉換成數位 訊號，並將鑽削數據記錄於個人電腦中。本研究整個鑽削實驗架構，
如圖 3.12 與圖 3.13 所示。
3.3 實驗參數定義
3.3.1 加工方式
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加工條件與刀具幾何形狀是影響整個鑽削品質最大的二個因素。
於本實驗中，以三種不同的鑽削方式對碳纖維複合層板進行鑽削，藉 此瞭解鑽削方式對複合層板之影響。通常鑽削刀具路徑為直接由上至 下對碳纖維複合層板進行鑽削，而攻牙鑽削則是以螺旋線的方式對碳 纖維複合層板進行鑽削(圖 3.14)，當鑽削刀具以螺旋線方式進行鑽削
時，其刀具路徑上任一點之分析向下的軸向推力螺旋角為α，且該螺
旋角為 30
o
，F’=Fcos30o
=0.866 F，其相較於一般鑽削有較小之軸向推 力。至於啄鑽鑽削刀具路徑較與一般鑽削相似，但其採用多次上下往 複鑽削對材料進行鑽削，且以不連續的切削方式進行鑽削 (圖 3.15)，其鑽頭的刀具路徑係由 R 點為起點，沿著虛線對材料進行鑽削，每 當鑽頭向下一個深度(Q)的距離時，就會退回一個高度 δ 的距離後，
繼續向下鑽削下一個 Q 的距離，依此往復直到鑽至所需之深度為止。
3.3.2 進給率定義
進給率是影響鑽削脫層重要的主因之一，太快的進給率容易引發 脫層，而太小的進給率則會使刀具磨損造成反效果，故本實驗進給率
進給率是影響鑽削脫層重要的主因之一，太快的進給率容易引發 脫層，而太小的進給率則會使刀具磨損造成反效果，故本實驗進給率