複合材料鑽削加工文獻回顧

事實上複合材料鑽削是一既複雜且效率低的加工過程。在有關聚 合體複合材料之鑽孔加工研究指出，高進給速率、層板內部強度差、

刀具不當的研磨與磨耗或較大之鑽尖角，均是造成鑽削加工品質降低 的主要原因[2-8]。Khashaba 等人實驗發現，進給速率與纖維體積對 鑽削之軸向推力與扭矩有直接的影響；尤其是在高進給速率情形下，

當鑽削轉速增加時，軸向推力與扭矩會隨之降低[9]。同時 Mackey 也 注意到，若刀具使用不當將會損害鑽頭；在稍後的論文中，Mackey 描述了一種具有管狀開口的新刀具，可用來改善孔口的精度[10]。

König 與 Grab 發現在一定範圍的切削條件裡，可以用鑽頭所受之軸 向推力值作為判斷脫層發生的臨界指標[11]。Jain 和 Yang 發現，若增 加鑽刃的數量，可以降低最大切削力[12]；針對此論述，他們提出一 端塗佈鑽石顆粒之管鑽的切削刀具。而刀具上之顆粒大小，端賴所鑽 之孔品質與進給速率而定[12]。Gindy 探討不同的鑽削條件對玻璃纖 維強化層板(Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP)所產生之影響，並 指出傳統金屬切削理論並不適用於 GFRP[13]。

在傳統加工中，鑽削約佔所有材料移除加工的 40%，是經常會被 利用的切削方法之一。由於許多結構性的零件在裝配結合時需要進行

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鑽孔加工，故鑽孔加工實際上已廣泛地應用在工業上。一般傳統的麻 花鑽於鑽削複合材料時，麻花鑽的鑿刃(Chisel Edge)首先會切入複合 材料，並擠壓著複合材料使孔徑逐漸往外擴展，此時因鑽削所產生之 脫層與微裂縫，遂沿著鑽刃的外緣而傳遞出去；當鑽唇邊緣通過層板 的底部時，脫層的現象會更加的嚴重。此乃層板底部未切除材料的部 份，無法承受鑽刃向下的軸向推力，導致鑽唇邊緣產生扭轉效應 (Twisting Effect)，尤其是當鑽頭穿過層板時，層板將受到垂直向下的 軸向推力彎曲作用，而造成層板底部之層與層間發生脫層破裂，且隨 著鑽頭穿過層板而脫層破裂現象更加的明顯。然因鑽削而產生之脫層 結果，將對鑽削孔之品質造成不利的影響。因為它不僅影響了產品的 信賴度、浪費材料及加工成本，同時也限制了複合材料在航太、運輸、

電子及運動器材等工業上的廣泛使用。諸多研究指出，鑽頭的軸向推 力是造成複材層板在出口處脫層的原因[14-15]。並且在實驗上也證實 存在一臨界值，當鑽頭的軸向推力超過該臨界值時，則脫層發生。

Wu 等人使用多面鑽(Multifacet Drill)以降低鑽頭所產生之軸向推力 [16]。Mathew 等人利用環鋸(Trepanning)鑽削單方向複合材料，以預 測避免脫層發生之臨界軸向推力與進給速率[17-18]。Piquet 等人亦利 用特殊的鑽頭來鑽削薄的碳纖維層板，以觀察其與麻花鑽損壞之差異 [19]。此外，Tsao 研究管鑽對預鑽孔之影響。實驗結果證實，預鑽孔

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確實可以有效降低脫層現象的發生[20]。

Hocheng 和 Dharan 於 1990 年發表第一篇理論性的研究，該研究 指出，造成脫層發生的種種因素，均會增加鑽頭的軸向推力[21]。另 外，Hocheng 和 Tsao 亦針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[22-24]。同時，Langella 等人指出隨著進給速率的增加，麻 花鑽鑿刃所提供的軸向推力，約占總鑽孔所需之軸向推力的 80%

[25]。至於扭矩所導致的裂縫擴展，則可視為引起鑽削脫層之第二重 要影響因素。然而從諸多的文獻論述中，並未從力學與能量的角度，

對鑽頭外緣分佈鑽削彎矩所造成之脫層影響，做更進一步的分析與探 討。此外，為改善鑽削複合材料所引起之脫層現象，Jain 和 Yang 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[12]。然而管鑽鑽刃於鑽削過程中 於內管壁所造成之屑片擠壓或移除問題，將會導致複合材料的脫層現 象加劇，此亦經常困擾著加工業者。針對管鑽內管壁所造成之屑片擠 壓或移除問題，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[20，26]；然而從 Tsao 和 Hocheng 所提出之複合管鑽鑽削 複合材料的理論模型中，發現複合管鑽之麻花鑽、鋸鑽與燭心鑽於鑽

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削複合材料時，並未考慮其彼此間之相對運動情況[20，26]。換句話 說，若複合管鑽內之麻花鑽、鋸鑽與燭心鑽直徑和複合管鑽內徑之間 有較大間隙時，複合管鑽之麻花鑽、鋸鑽與燭心鑽之間仍有可能會產 生屑片擠壓情況。因此開發新型機具與選用適當的加工條件，以避免 複合管鑽於鑽削複合材料時，鑽削屑片擠壓或移除所引起之脫層問 題，是提高複合管鑽鑽削複合材料鑽削效率和加工品質的不二法門。

因此藉由力學模型的推導，以解釋分佈鑽削彎矩對特用鑽刃(鋸 鑽、燭心鑽與管鑽)幾何形狀對鑽削脫層之影響。同時開發新型複合 機具(使管鑽、鋸鑽之間有相對運動)與選用適當的加工條件，以解決 複合管鑽鑽削屑片擠壓或移除之問題，並指出未來刀具設計的方向。