TWI473680B

TWI473680B - Drilling apparatus and method for suppressing delamination of composite laminates

Info

Publication number: TWI473680B
Application number: TW101134630A
Authority: TW
Inventors: Hong Hocheng; Chung Chen Tsao
Original assignee: Hong Hocheng; Chung Chen Tsao
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2015-02-21
Also published as: TW201412438A

Description

抑制複合材料層板脫層之鑽孔裝置及方法

本發明為一種抑制複合材料層板脫層之鑽孔裝置及方法，特別為對複合材料層板構成之工件提供主動撐力的方法。

多種複合材料的結構件已廣泛應用於各種不同產業領域。由於複合材料優異的機械特性，如高強度重量比、高斷裂韌性與傑出的抗蝕性，因而取代了多種金屬材料。近年來，複合材料層板已大量應用於航太工業上，如波音787夢幻飛機(英文名稱：Boeing 787 Dream-liner)與空中巴士A350(英文名稱：Airbus A350)的噴射客機機體結構，不僅增加複合材料層板的使用量，並且超過其整體飛機重量的50%。當製造各種運輸車輛與飛機之構件裝置時，為了達到其設計與安全的目的，以保持其結構的穩定性與剛性是相當重要的。對多種複合結構材料的鑽孔品質要求，也是該整體製造及組裝過程主要部份之一。例如，一項航太工業的市場需求報告顯示：每年必須利用自動化製造程序於噴射客機的機體構件上鑽取大約五千萬個孔洞。然而，在自動化的製造程序中應確保複合材料零件之鑽孔品質，且能將其製造成本減至最低。

在複合材料零件之各種組裝生產作業中，為達到使用鉚接與螺栓接頭連接的目的，一般多採用鑽頭進行機械式的鑽孔較符合經濟需求。然而，在鑽削複合材料零件之後，常會發現如脫層、毛邊、微裂痕、***、碎裂與纖維脫出等缺陷與損害。複合材料層板工件在鑽頭的鑽入與鑽出面的脫層現象似乎最為嚴重，而此脫層現象在疲勞負荷的作用下，其使用壽命將會導致乘載強度的降低，且需要以額外的製造程序進行補強。

過去諸多的研究(其中包含發明人賀陳弘與曹中丞的多項研究結果)證明，軸向推力是鑽孔引發脫層的一項重要因素，而且軸向推力的大小主要取決於鑽頭材料、鑽頭幾何形狀和鑽孔時的進給速率。利用線彈性破裂力學能建構鑽孔引發脫層之分析模型。其模型建立說明鑽孔軸向推力和複合材料性質與複合層板脫層之關係。其中避免複合材料層板工件內部的引發脫層，其就是降低鑽削軸向推力。賀陳弘與曹中丞也針對多種特殊鑽頭而歸納出多種分析模型，例如燭心鑽、鋸鑽、管鑽、階梯鑽，並歸納出多種特殊鑽頭之臨界軸向推力模型，且能適用於多種複合層板的無脫層的鑽孔加工過程。賀陳弘與曹中丞指出降低軸向推力、或使軸向推力由鑽頭中心向外分散就能降低脫層。然而，多種複合材料考量其鑽削品質，通常會以低進給鑽孔程序配合，以降低軸向推力的產生，此並非是最理想的加工方式。

除了上述著重於降低各種鑽頭之軸向推力外，在多種複合材料進行鑽孔加工時，還有另一種解決方案能夠抑制脫層，即是在鑽取複合材料時使用一片被動墊板(犧牲板)。此方法常見於部分製造產業，並稱之為「被動」撐力，被動撐力會利用一片犧牲板來支撐複合材料層板的背面，以避免變形而導致鑽出面產生脫層。然而，於鑽孔時利用被動撐力作為一種撐力以支撐複合材料層板工件，在考量整體製造程序之成本、速率與維護因素下，此並非是理想的加工方式。使用被動撐力或犧牲板一定會造成損耗、浪費或刮傷，故無可避免地會增加生產成本，尤其是在多種大型設計零件的複合材料層板工件加工。再者，進行鑽孔程序時如果必須不斷致力於監控與調整被動撐力或犧牲板的各種位置，以便在鑽孔時提供各種正確撐力給複合材料層板工件，避免重複使用多個穿孔或消耗區域中未受支撐的區域，勢將無可避免地增加製造程序的成本、速率與操作步驟。

根據上述對複合材料鑽孔領域的說明可知，對於抑制多層形式之複合材料進行鑽孔所造成的脫層，必須提供一種適當的解決方案。換言之，必須提供一種鑽孔裝置或有效的方法，以克服先前技術的缺點，並抑制複合材料於鑽孔或完成鑽孔後的脫層或裂痕產生，以提高複合材料層板鑽孔生產速率與降低製造成本。

為了克服上述缺點，本發明之目的為提供一種抑制複合材料層板脫層之鑽孔裝置，對由複合材料構成層板之工件提供「主動」撐力，使此主動撐力能夠在進行鑽孔時有效抑制複合材料層板工件的脫層，更不會抑制鑽頭的軸向推力或進給速率及造成多塊被動板的破碎。

本發明的另一目的為提供一種抑制複合材料層板脫層之方法，對由複合材料構成層板之工件提供「主動」撐力，使此主動撐力能夠在進行鑽孔時有效抑制複合材料層板工件的脫層，更不會抑制鑽頭的軸向推力或進給速率及造成多塊被動板的破碎。其中，此主動撐力與鑽孔時的鑽頭於鑽出面的施力位置的軸向推力相關，亦與鑽孔時之脫層大小相關。

本發明的又一目的為提供主動撐力的機構，此機構能夠提供一主動撐力，其主動撐力之力值與鑽頭之軸向推力相關，同時其軸向推力為一施加在複合材料層板工件的鑽出面之推進力，且此推進力的施力位置與鑽頭尺寸或鑽頭半徑相關。

本發明的再一項目的為提供一種抑制複合材料層板脫層之方法，於進行鑽孔時，當複合材料層板工件開始產生裂痕時得到一個臨界軸向推力F_B ^＊。藉由上述其提供主動撐力的機構施加一主動撐力，以抵銷鑽孔裝置之軸向推力F_B ，以避免複合材料層板工件之脫層產生。相較於一未施加主動撐力的複合層板，該主動撐力機構可維持或抑制脫層或裂痕產生。

本發明提供一種抑制複合材料層板脫層之鑽孔裝置，用以抑制複合材料的脫層。本發明之鑽孔裝置包括：一由複合材料構成層板之工件，而此複合材料層板工件含有一個鑽入面與一個鑽出面；支撐底座，設於該複合材料層板工件之鑽出面，以供容置該複合材料層板工件於其上；一鑽頭，用於以軸向推力F_B 於該複合材料層板工件上進行鑽孔，其具有鑽頭半徑C之外圍部，此鑽頭係設於複合材料層板工件之鑽入面的一側，並以一進給速率朝鑽出面之第一方向前進之；以及一主動式施力機構，以對該複合材料層板工件之鑽出面提供一個主動撐力R，主動撐力R會沿著朝鑽入面之一個第二方向，且相距於鑽頭之外圍部一施力距離δ之接觸區上施予之。

主動式施力機構更包含至少有部分與複合材料層板工件之鑽出面於接觸區相接觸的一接觸框架，以及用於驅動其接觸該框架並使其於第二方向上朝該複合材料層板工件之鑽入面前進之一個可調整式動力產生器。主動撐力R具有與鑽頭之軸向推力F_B 相關之一力值，此力用以抑制複合材料層板工件之脫層。

本發明提供一種抑制複合材料層板脫層之方法，可對多個複合材料之鑽孔提供一個主動撐力。方法包括以下多項步驟：提供一種複合材料構成層板之工件，此複合材料層板工件具有一個鑽入面與一個鑽出面；將該複合材料層板工件固設於一個支撐底座使該複合材料層板工件之鑽出面抵設於支撐底座；提供一個半徑值為C的鑽頭，可在此複合材料層板工件之鑽入面上以一個軸向推力F_B 對該複合材料層板工件進行鑽孔，並在朝向鑽出面之一個第一方向上以一個進給速率行進；對該複合材料層板工件之鑽出面提供一個主動撐力R，主動撐力R會沿著朝向該複合材料層板工件之鑽入面的一個第二方向、且相距於鑽頭之外圍部一施力距離δ之接觸區上施予之。

此外，本發明更提供一種抑制複合材料層板脫層之方法，並提供一個可調式主動撐力，使複合材料層板工件之脫層現象開始有裂痕產生時，獲得一臨界軸向推力F_B ^＊。當進行鑽孔而施加主動撐力以抵銷複合材料層板工件之軸向推力時，可避免複合材料層板工件之脫層產生。此臨界軸向推力F_B ^＊的獲得也和每單位面積之臨界裂痕產生能量值G_IC 、強化複合材質M的彎曲剛度、鑽頭半徑C、施力距離δ、主動撐力R與脫層之範圍A相關。

上述總結引述本發明之多項較佳實施例並且僅作為說明之目的。本發明之多項實施例能以多種不同方式實施並應視為本發明範圍之一部份。

本發明提供一種抑制複合材料層板脫層之鑽孔裝置，抑制複合材料的脫層，並且提供一種方法，以對複合材料進行鑽孔時供應一種主動撐力，使鑽孔時能有效抑制複合材料層板工件的脫層或裂痕產生。為了明確說明一個複合材料層板工件進行鑽孔時的該主動支撐或主動撐力的效用，提供一種常見之鑽孔軸向推力引發脫層的基本模式來說明效用，並作為一種比較基礎。請參閱第1圖，如第1圖所示為鑽孔軸向推力在複合材料層板工件2內使其引發脫層的一個模型。在正常條件下，當一鑽頭4將一軸向推力F施加在一複合材料層板工件2時，及該複合材料層板工件2沒有施加主動撐力R以抵銷軸向推力F時，該複合材料層板工件2之鑽出面有部份會變形或分離而形成脫層D。換言之，鑽頭4會推擠複合材料層板工件2之未切割的層板，並藉由軸向推力F而使其向下彎曲變形。當軸向推力F越大，則複合材料層板工件2下方之層板的變形就越大。在特定等級之軸向推力F作用下，當層板之間的黏合強度不再能阻止撓曲變形時，就會出現層板間的裂痕。

請參閱第2圖，如第2圖所示為鑽孔軸向推力所引發脫層的模型，進行鑽孔時於複合材料層板工件2間存有一個臨界軸向推力F_A (F_A 用來表示在沒有施加主動撐力R之條件下的臨界軸向推力)，且超過臨界軸向推力F_A 就會發生脫層。因此，本發明提供一種抑制複合材料層板之脫層方法，並包含之後所述之臨界軸向推力與臨界軸向推力的數值。此外，根據本發明的一種能提供一個可調式主動撐力R之鑽孔裝置，於一種控制機制中，產生一沿鑽頭4之軸向移動的進給速率和一遵照所預期之鑽孔軸向推力數值。裂痕產生主要會遵照在模型中的破裂情況。臨界值為脫層時的臨界軸向推力F^＊。該臨界軸向推力F^＊能以公式(1)之理論分析得到：

其中E與v 分別為材料的楊氏(Young’s)係數與波森(Poisson’s)比值，G_IC 為其模型之每單位面積之臨界裂痕產生能量，而H_T 為工具下方尚未切割層壓板的厚度。

除了上述對一複合材料層板工件進行鑽孔且未施加主動撐力條件下的臨界軸向推力F^＊理論值外，本發明所提供之一種抑制複合材料層板脫層之方法，主要在於減低鑽孔時其軸向推力導致複合材料層板工件的脫層現象，再者，增加臨界軸向推力、或維持臨界軸向推力，並適用於多種工業中的鑽孔作業且維持相當生產水準。能夠在鑽孔而產生脫層時，確認其軸向推力的真正作用，以控制軸向推力進一步抑制脫層為非常重要。本發明在此提供一種新方法，以施加一個可調式主動撐力R，而非先前提到之被動墊板或犧牲板，故能更為精確抵銷在於鑽出面造成脫層之軸向推力F_B 所產生的一頂出作用。

請參閱第3圖，如第3圖所示為本發明之示意圖，一鑽孔裝置10對一層板形式之工件20提供一主動撐力R，此層板形式之工件20為一個脫層的模型，可藉由以下所詳述之其多種關聯性。藉由以下動力驅動器為一種施加主動撐力R的主動式施力機構，如電磁驅動器、油壓驅動器、氣壓驅動器、馬達驅使驅動器與機械驅動裝置。如第3圖所示，B表示為施加一環狀撐力半徑；換言之，主動式施力機構可進一步包括一種連續式環形或環狀的接觸框架，含有以一個環狀撐力半徑B之外圍部所包圍的中空部。其環形或環狀的中央為一鑽頭半徑C。F_B 為一具有主動撐力的軸向推力，X為位移，複合材料層板工件的厚度H，而A為脫層範圍。

請參閱第4圖，如第4圖所示為一鑽孔裝置10的示意圖，此鑽孔裝置 10能抑制複合材料的脫層。此鑽孔裝置10包括：一由複合材料構成層板形式之工件20，其具有一厚度H，此厚度H介於一鑽入面22與相對於鑽入面22之一鑽出面24；支撐底座30，設於其層板形式之工件20之鑽出面24，以提供容置層板形式之工件20於其上、並限制層板形式之工件20的方向位移；一鑽頭42，用於層板形式之工件20上以軸向推力F_B 進行鑽孔，鑽軸O設於且垂直於層板形式之工件20之鑽入面22與鑽出面24，其具鑽頭半徑C之外圍部P，此鑽頭係設於層板形式之工件20之鑽入面22的一側，並以一進給速率朝鑽出面24之第一位移方向X且沿鑽軸O前進之；以及一主動式施力機構50，以對層板形式之工件20之鑽出面24施予一個主動撐力R，主動撐力R係於一平行於鑽頭42之鑽軸O的一個第二位移方向，且位於距鑽頭42之外圍部P有一段施力距離δ的一個接觸區上施予之，其主動式施力機構50更包含一個接觸框架52，此接觸框架52至少有部分與層板形式之工件20之鑽出面24於接觸區相接觸，並含有一個可調整式動力產生器54，此可調整式動力產生器54能驅動接觸框架52並使其於第二方向上朝層板形式之工件20之鑽入面22前進；其中主動撐力R具有與鑽頭42之軸向推力F_B 相關的一個力值，此力值可抑制層板形式之工件20脫層。由此可見，鑽頭42設置在一個軸心單元40的夾頭44，而此軸心單元40連接於鑽孔裝置10。

請參閱第5圖，如第5圖所示為設於鑽孔裝置10的主動式施力機構50的示意圖。此主動式施力機構50能對層板形式之工件20鑽出面24提供一個主動撐力R，其係為平行於鑽頭42之鑽軸O之一個第二位移方向且距鑽頭42之外圍部P有一段施力距離δ之一個接觸區上施予之支撐力。再者，此接觸區位在層板形式之工件20之鑽出面24上。如上所述，在實施例中，主動式施力機構50進一步包括一接觸框架52，此接觸框架52至少有部分與層板形式之工件20之鑽出面24於接觸區相接觸。主動式施力機構50亦包含一可調整式動力產生器54，此可調整式動力產生器54能驅動接觸框架52並使其於第二方位移向上朝層板形式之工件20之鑽入面22前進。

請參閱第6A圖至第6D圖，如第6圖所示為前述主動式施力機構50中的接觸框架52之多個不同的實施例。其接觸框架52的形狀為一個環形體，且此環形體可由截面積具有相對較小厚度或直徑的金屬線或金屬條所構成。如第6A圖所示之形狀，在一實施例中，主動式施力機構50之接觸框架52係為一個連續環形體，其具有由環狀撐力半徑B之外圍部所環繞的一個中空部，係相等於鑽頭42之鑽頭半徑C與接觸區之施力距離δ的總和。在另一實施例中，主動式施力機構50之接觸框架52包括複數個接觸點(未顯示於圖中)，其複數個接觸點彼此間隔並且圍繞成具有一環狀撐力半徑B的一個環形體，係相等於鑽頭42之鑽頭半徑C與接觸區之施力距離δ的總和。有此可見，一種圍繞或實際上封閉之環形配置的接觸框架52有多種的形狀或型態，例如從接觸框架52上方或下方所觀測，如第6B圖所示的矩形環、第6C圖所示的三角形環或第6D圖所示的六角形環。

由能量守恆原理並結合應用於主動撐力相關的軸向推力分析可知，當產生脫層時，鑽孔位移距離(dX)與軸向推力F對複合材料層板工件2所做的功具有相關聯性，以此板件位移距離與層板間產生的裂痕得一能量平衡公式(2)：G _IC dA=FdX-dU (2) 其中dU表示微量的應變能，dA為脫層裂痕的面積增加量。

公式(3)與公式(4)所示一層壓板理論，其可藉此求出鑽頭下方環形板的位移與儲存的應變能：

其中M=EH_T ³ /12(1-v ² )表示強化複合材料的彎曲剛度。如公式(5)所示與說明，將公式(3)與公式(4)對A微分並將其結果帶入公式(2)，可得一臨界軸向推力F_B ^＊，此臨界軸向推力F_B ^＊為一具抑制機制並開始產生裂痕時之臨界軸向推力：其中R=γ F_B ，δ=B-C=ξC表示抑制負載的半徑(B)與鑽頭半徑C之間的差值，且S=C/A。以公式(5)中的F_B ^＊和公式(1)的F^＊之比值如下：

由上述可知，在鑽孔裝置10的實施例中，主動撐力R的力值和鑽頭42之鑽頭半徑C有關，也和主動式施力機構50之接觸區的施力距離δ有關。

請再次參閱第4圖與第5圖，根據實施例，此可調整式動力產生器54可用於驅動主動式施力機構50的接觸框架52，且為電磁驅動器形式的動力驅動器，並能夠根據電力或動力輸入進行調整而達到其輸出。同時包含以下之其它類型，並且屬於本發明的精神之內之動力驅動器，例如油壓驅動器、氣壓驅動器、馬達驅使驅動器、機械驅動裝置。

請參閱第7圖，如第7圖所示為隨著抑制機制之主動撐力不同而得到的臨界軸向推力和不同γ與ξ值。由第7圖中可知，臨界軸向推力F_B ^＊會隨著主動撐力R增加而增加。當鑽頭達到最下端的層板時，主動撐力R能有助於抑制脫層裂痕，因此需要更高的鑽孔軸向推力F_B 才會使脫層產生。也就是說，當臨界軸向推力F_B ^＊更高時，就較不易發生脫層。當施加主動撐力R達到鑽孔軸向推力F_B 的程度時，臨界軸向推力F_B ^＊的上升會比沒有主動撐力時多出100%以上。

因此，本發明之優點為，一種能夠以更快的進給速率執行鑽孔時，不須擔心脫層現象而可縮短生產週期或降低製造成本。然而，在實際作業時，主動撐力R的力值會因進行鑽孔之層板形式之工件20所需要的夾具剛性而限制為γ<2。換言之，該比例γ會小於或等於2，使裝設於該層板形式之工件20之鑽出面之主動撐力R的力值會小於或等於裝設在層板形式之工件20鑽入面之鑽頭之軸向推力F_B 的兩倍。當S值較大，即裂痕產生遠大於鑽頭尺寸時，此效應會更為明顯。結果亦顯示，當主動撐力R越大時，脫層的生成便較為困難；因此，本發明之優點為保持且降低鑽孔時所造成之脫層缺陷產生。

此外，如迪保羅(Di Paolo)等人所指出，當脫層之尺寸小於鑽頭時，其脫層現象可被忽略。如第7圖所述為一ξ與γ之鑽孔和臨界軸向推力F_B ^＊比值與鑽孔和脫層之比值之關連性示意圖，相較於主動撐力R大小的影響，臨界軸向推力F_B ^＊較不會隨主動撐力R的位置而變化。

根據本發明之另一實施例，為提供一種主動撐力R的方法且對多個複合材料進行鑽孔。根據本發明之上述鑽孔裝置10的特性中的一項實施方式，並請再次參閱第4圖與第5圖。此方法包括如下之步驟：提供一由層板形式之工件20，其具有一厚度H，其厚度H由介於一鑽入面22以及相對於鑽出面24界定之；層板形式之工件20固定於支撐底座30，並使其層板形式之工件20之鑽出面24抵住支撐底座30，以限制層板形式之工件20之方向位移；一鑽頭42，用以一軸向推力F_B 於層板形式之工件20之鑽入面22上進行鑽孔，並以一進給速率朝鑽出面24之第一位移方向且沿鑽軸O前進之，且鑽軸O垂直於層板形式之工件20之鑽入面22與鑽出面24，其中鑽頭42具有鑽頭半徑C之外圍部P與一鑽軸O；以及對層板形式之工件20之鑽出面24提供一個主動撐力R，係為一平行於鑽頭42之鑽軸O之一個第二位移方向且於距於鑽頭42之外圍部P有一段施力距離δ之一個接觸區上施予之。

此外，上述為本發明對於複合材料實施鑽孔時提供一種主動撐力R之方法，主動撐力R為一種力值，其力值與鑽頭42之軸向推力F_B 以及接觸區之施力距離δ相關，且能抑制層板形式之工件20的脫層。又，本發明之另一實施例在於鑽孔時對複合材料提供一主動撐力R，設於主動式施力機構50之接觸框架52亦為一種連續環形體，其具有由環狀撐力半徑B之一外圍部所環繞的一個中空部，環狀撐力半徑B係相等於鑽頭42的鑽頭半徑C與接觸區之施力距離δ的總和。由此可得知當主動撐力R越大時，脫層的生成便越困難；因此，本發明之優點為保持且降低鑽孔時所造成之脫層缺陷產生。

為進一步提供相關實驗數據與分析作為例證以支持本發明之優點，因此，以下實驗數據與分析僅為說明用途，以證明本發明之原理，且不應為限制之。

當設計操作一實驗為以證明本發明之原理時，首先，所使用之複合材料需以碳纖維環氧樹脂利用壓力釜成形之預浸織物(WFC200)。層板之堆疊程序為[0/90]8S。碳纖維強化塑膠(CFRP)層板的厚度為4mm，其16層纖維以體積比55%之所組成。將碳纖維強化塑膠(CFRP)層板放在水冷式鑽石鋸台上進行多個60mm×60mm的樣品切割。於一台直立式加工中心機上進行多次鑽孔實驗，其中以一台壓電式動力計(Kistler 9273)與二台電荷放大器(Kistler 5007)測量軸向推力，並且紀錄在電腦中。實驗全程需利用多支高速鋼麻花鑽。所有的實驗是在無冷卻劑、主軸心轉速1000rpm以及30-120mm/min之進給速率下進行。一管式電磁閥電磁鐵用以傳送壓力負荷。壓力負荷可在機床工作台輕易完成。當複合材料層板工件固定在此裝置上方並啟動鑽孔時，同時會啟動磁力驅動撐力。當完成鑽孔時，就會關閉其撐力。當進行鑽孔作業時，本發明之鑽孔裝置會提供主動撐力。本發明使用之直流電壓為0(即沒有撐力)、10V與24V，ξ為0.05、0.1、與0.2。本實驗使用一台可調式電磁驅動器作為實施例中之主動式施力機構50的可調整式動力產生器54。請參閱第8圖，如第8圖所示為電磁閥或驅動器所產生之主動撐力與供應電壓之間的量測線性關係。利用超音波C-scan裝置(AIT-5112)測量脫層，其中超音波C-scan裝置(AIT-5112)具有解析度0.025mm的掃描橋、超音波脈波發生及接收器(AIT-2230)與一部數位示波器。本研究可由每次掃描中獲得大量的高對比影像，其中各影像是由150×150之像素組成。由此可知，亦能使用其它種類之動力驅動器，例如油壓驅動器、氣壓驅動器、馬達驅使驅動器、機械驅動裝置。

請參閱第9圖，如第9圖所示之軸向推力F_B 會隨著進給速率增加而增加。由於鑽頭42下方結構剛性的上升，施加主動撐力R會導致一軸向推力F_B 之鑽孔力的增加。當其主動撐力R的施加位置越接近於鑽頭42時(即ξ值越小)，則整體結構受鑽孔之影響就越強。當進給速率越高時，此效應會稍微增強；因此，軸向推力F_B 會隨主動撐力R增加而增加，並且大於沒有撐力時的單純鑽孔。如第10圖所示之脫層範圍與進給速率之間的關連性示意圖，主要結果在於，相較於未提供撐力而利用多種進給速率情況下，常導致脫層的增加，反之，當施加主動撐力R並以高進給速率時，可抑制脫層範圍A達到60-80%。隨著主動撐力R而提升進給速率時，脫層現象就會更加減少。當主動撐力R的施加位置更接近於鑽頭42時(即ξ值等於0.05)，就能更有效地抑制脫層。另一方面，在鑽頭42遠處施加主動撐力R(ξ值等於0.1與0.2)，在不同高進給速率下，脫層A生成量亦增加。如第11圖a與b所示，說明在鑽孔時其主動撐力R的利用與否於鑽出面處的影響，其中第11圖b顯示，主動撐力R的使用明顯抑制其脫層現象產生。

請參閱第12圖，如第12圖所示為主動撐力R的力值偏低(R=13N)所出現之脫層抑制效應，而主動撐力R增加量的幾乎沒有差異，由此可見本發明之裝置與方法於鑽孔加工或製造多種相關複合材質的優點。在特定之例式實驗設置中，此方法僅需要提供一低電磁功率就能在鑽孔時有效抑制脫層。然而，當主動撐力R的力值偏低時所產生之抑制脫層的現象，可歸因於所使用的碳纖維強化塑膠(CFRP)與環氧樹脂，因鑽孔時有一切削力使其層板彎曲，而造成的脆裂及破損。

由於上述之實驗數據與分析，當進行複合材料層板的鑽孔時，軸向推力F_B 可視為對脫層的產生之一重要因素。本發明基於古典彈性力學、線彈性破裂力學與能量守恆原理，而提出一對複合材料層板鑽孔時其主動撐力R之利用與否及其臨界軸向推力F_B ^＊之關係的廣泛性分析。其結果透露，施加一主動撐力R時產生之加臨界軸向推力F_B ^＊的值，會比未施主動撐力R時明顯地增加。換言之，主動撐力R的施加，能阻止在複合材料層板工件之鑽孔出面產生的脫層A，並且抑制脫層的損害，特別是在利用高給進速率鑽孔以縮短生產週期時，本發明更證明施加一主動撐力R有脫層抑制的效果。此外，當主動撐力R的施加位置與鑽頭越接近時，抑制脫層的現象更為明顯，且所需施加的主動撐力R越小。

儘管上述本發明參照多項特定例式實施例而特別證明與說明，但應理解對於形式與細節上之各種改變均不脫離附加專利申請範圍所定義之本發明的精神與範圍。藉由舉例，實驗數據與分析僅提供說明用途且應視為限於所使用之實驗設備的特別或特定設置。

2‧‧‧複合材料層板工件

4‧‧‧鑽頭

O‧‧‧鑽軸

D‧‧‧脫層

10‧‧‧鑽孔裝置

20‧‧‧層板形式之工件

R‧‧‧主動撐力

B‧‧‧環狀撐力半徑

C‧‧‧鑽頭半徑

X‧‧‧位移方向

A‧‧‧脫層範圍

H‧‧‧厚度

P‧‧‧外圍部

22‧‧‧鑽入面

24‧‧‧鑽出面

30‧‧‧支撐底座

50‧‧‧主動式施力機構

40‧‧‧軸心單元

42‧‧‧鑽頭

44‧‧‧夾頭

52‧‧‧接觸框架

54‧‧‧可調整式動力產生器

第1圖為軸向推力複合材料引發脫層之模型。

第2圖為鑽孔軸向推力所引發脫層的模型。

第3圖為本發明之示意圖。

第4圖為鑽孔裝置之示意圖。

第5圖為鑽孔裝置的主動式施力機構之示意圖。

第6A圖為本發明之接觸框架之示意圖。

第6B圖為本發明之接觸框架之示意圖。

第6C圖為本發明之接觸框架之示意圖。

第6D圖為本發明之接觸框架之示意圖。

第7圖為鑽孔與臨界軸向推力比值和鑽頭與脫層比值之示意圖。

第8圖為本發明之主動撐力與供給電壓之示意圖。

第9圖為本發明之主動撐力的軸向推力與進給速率之示意圖。

第10圖為脫層範圍與進給速率之示意圖。

第11圖為脫層範圍與進給速率之示意圖。

第12圖為超音波C-scan圖。

2‧‧‧複合材料層板工件

4‧‧‧鑽頭

O‧‧‧鑽軸

D‧‧‧脫層

Claims

一種抑制複合材料層板脫層之鑽孔裝置，包括：一由複合材料層板構成之工件，其具有一厚度，該厚度係由一介於一鑽入面及一相反於該鑽入面之鑽出面之間之間隔界定之；一支撐底座，設於該複合材料層板工件之鑽出面，以供容置該複合材料層板工件於其上並以限制該複合材料層板工件之方向位移；一鑽頭，用於以一軸向推力F_B 於該複合材料層板工件上鑽孔，其具有一鑽頭半徑C之外圍部P及一垂直於該複合材料層板工件之鑽入面與鑽出面之鑽軸O；該鑽頭係設於該複合材料層板工件之鑽入面之一側上，並係以一推進速率朝該鑽入面之第一方向且沿該鑽軸O前進之；及一主動式施力機構，以對該複合材料層板工件之鑽出面施予一主動撐力R，該主動撐力R係於一垂直於該鑽頭之鑽軸O之第二方向上及於一相距於該鑽頭之外圍部一施力距離δ之接觸區上施予之；該主動式施力機構更包含有一至少部分與該複合材料層板工件之鑽出面於該接觸區相接觸之接觸框架，及一用於驅動該接觸框架並使其於該第二方向上朝該複合材料層板工件之鑽入面前進之可調整式動力產生器；及其中該主動撐力R具有一與該鑽頭之軸向推力F_B 相互關聯之力值，以抑制該複合材料層板工件之脫層；其中該軸向推力F_B 於所述脫層之裂痕產生開始時具有一臨界軸向推力F_B ^＊，該臨界軸向推力F_B ^＊係由以下界定之：及其中G_IC 係指一區域所具有之第I型臨界裂痕產生能量值；M係指強化複合材質之彎曲剛度；ξ係同等於該施力距離除以鑽頭半徑之值(ξ=δ/C)；γ係同等於該主動撐力R與該軸向推力F_B 之比值(γ=R/F_B )；及S係由所述脫層之範圍A及該鑽頭半徑C而得(S=C/A)。
如申請專利範圍第1項所述之抑制複合材料層板脫層之鑽孔裝置，其中該主動式施力機構之接觸框架係為一連續環形體，其具有一圍繞一中空部之外環部，該外環部具有一半徑B，該半徑B係相等於該鑽頭之鑽頭半徑C與該接觸區之施力距離δ之和。
如申請專利範圍第1項所述之抑制複合材料層板脫層之鑽孔裝置，其中該主動式施力機構之接觸框架包含有複數個接觸點，該些複數個接觸點係彼此間隔並係圍繞呈一具有一半徑B之環形體，該半徑B係相等於該鑽頭之鑽頭半徑C與該接觸區之施力距離δ之和。
如申請專利範圍第1項所述之抑制複合材料層板脫層之鑽孔裝置，其中該主動式撐力R之力值係與該鑽頭之鑽頭半徑C及該主動式施力機構之接觸區之施力距離δ相互關聯。
如申請專利範圍第1項所述之抑制複合材料層板脫層之鑽孔裝置，其中該用於驅動接觸框架之可調整式動力產生器係選自於以下動力驅動器之一：電磁驅動器、油壓驅動器、氣壓驅動器、馬達驅使驅動器、機械式驅動裝置。
一種抑制複合材料層板脫層之方法，其步驟包括：提供一由複合材料層板之工件，該複合材料層板工件具有一厚度，該厚度係由一介於一鑽入面及一相反於該鑽入面之鑽出面之間之間隔界定之；將該複合材料層板工件固設於一支撐底座上，並使該複合材料層板工件之鑽出面抵設於該支撐底座上，以限制該複合材料層板工件之方向位移；提供一鑽頭，用於以一軸向推力F_B 於該複合材料層板工件上鑽孔，其具有一鑽頭半徑C之外圍部P及一垂直於該複合材料層板工件之鑽入面與鑽出面之鑽軸O；該鑽頭係設於該複合材料層板工件之鑽入面之一側上，並係以一進給速率朝該鑽入面之第一方向且沿該鑽軸O前進之；及對該複合材料層板工件之鑽出面施予一主動撐力R，該主動撐力R係於一垂直於該鑽頭之鑽軸O之第二方向上及於一相距於該鑽頭之外圍部一施力距離δ之接觸區上施予之；以及其中該軸向推力F_B 於所述脫層之裂痕產生開始時具有一臨界軸向推力F_B ^＊，該臨界軸向推力F_B ^＊係由以下界定之：及其中G_IC 係指一區域所具有之第I型臨界裂痕產生能量值；M係指強化複合材質之彎曲剛度；ξ係同等於該施力距離δ除以鑽頭半徑C之值(ξ=δ/C)；γ係同等於該主動撐力R與該軸向推力F_B 之比值(γ=R/F_B )；及S係由所述脫層範圍A及該鑽頭半徑C所得之 (S=C/A)。
如申請專利範圍第6項所述之抑制複合材料層板脫層之方法，其中該主動撐力R係由一主動式施力機構施予之；該主動式施力機構包含有一至少部分與該複合材料層板工件之鑽出面於該接觸區相接觸之接觸框架，及一用於驅動該接觸框架並使其於該第二方向上朝該複合材料層板工件之鑽入面前進之可調整式動力產生器。
如申請專利範圍第6項所述之抑制複合材料層板脫層之方法，其中該主動撐力R具有一與該鑽頭之軸向推力F_B 及該接觸區之施力距離δ相互關聯之力值，以抑制該複合材料層板工件之脫層。