《Materials Today Communications》：Liquid nitrogen assisted micro-drilling of bidirectional CFRP at sub-millimetre diameter
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摘要：针对碳纤维增强聚合物（CFRP）亚毫米微孔钻削过程中尺寸效应物理机制与常规宏尺度钻削存在显著差异，而低温冷却在该尺度的响应尚未被系统表征的问题，研究人员开展了一项配对实验研究。在0.8 mm钻头直径条件下，对东丽T300/环氧双向CFRP进行了主轴转速3
摘要：针对碳纤维增强聚合物（CFRP）亚毫米微孔钻削过程中尺寸效应物理机制与常规宏尺度钻削存在显著差异，而低温冷却在该尺度的响应尚未被系统表征的问题，研究人员开展了一项配对实验研究。在0.8 mm钻头直径条件下，对东丽T300/环氧双向CFRP进行了主轴转速3000–5000 rpm、进给率10–30 mm/min的全因子参数矩阵实验，分别采用干式环境（DEMD）与液氮辅助环境（CEMD）。配对Wilcoxon符号秩检验表明，在所有九个匹配参数组合中，CEMD均显著提高了推力力（由DEMD的3.17–5.94 N增至CEMD的4.23–8.99 N），并降低了内壁表面粗糙度（平均下降15.9%，最优单元降幅达30%）及出口分层因子（最低至1.16）。液氮冷却通过层压板刚度提升抑制了塑性变形，从而减少了分层与表面损伤。最优工艺参数为CEMD、4000 rpm、10 mm/min，该条件下出口分层因子降至1.197，优于干式条件下的1.31。粗糙度改善在不同尺度上的跨尺度一致性支持其源于基体层面的硬化效应而非整体热管理作用，这为印刷电路板（PCB）、微机电系统（MEMS）及航空航天紧固件预钻孔等亚毫米CFRP加工提供了直接指导。
该研究发表于《Materials Today Communications》，聚焦于亚毫米尺度双向碳纤维增强聚合物（CFRP）在液氮辅助条件下的微孔钻削性能与机理。当前，CFRP因其高比刚度与疲劳抗力广泛应用于航空航天、汽车和电子工业，其中制孔质量直接影响装配结构的承载能力。然而，亚毫米钻削中由于切削刃半径与孔径比值升高，材料去除机制从剪切转为犁削，导致分层、纤维断裂及表面质量恶化风险显著增加。现有低温冷却研究多集中于3–6 mm直径范围，缺乏针对亚毫米尺度的系统参数分析与机理阐释。为此，研究人员设计了干式（DEMD）与液氮辅助（CEMD）两种环境下的全因子实验，并在双向T300/环氧CFRP层压板上开展测试。结果表明，CEMD在全部参数组合中均提升了推力力，同时显著降低内壁表面粗糙度与出口分层因子，最优条件可实现粗糙度0.98 μm、分层因子1.197。跨尺度粗糙度改善趋势与宏尺度结果一致，证实其主要源于基体硬化效应，而非单纯的热传导作用。这一发现为微电子封装、精密机械装配等领域的CFRP微孔加工提供了新的工艺依据。
关键技术方法方面，研究人员采用0.8 mm硬质合金微钻，在CNC机床上完成3×3全因子实验，覆盖3000、4000、5000 rpm转速与10、20、30 mm/min进给率。液氮通过外部喷嘴以0.5–0.8 L/min流量输送至切削区，推力力由Kistler 9272测力仪动态采集，内壁粗糙度通过Mitutoyo Surftest SJ-310轮廓仪在剖切试样上测量，分层因子依据Tsao与Hocheng方法在光学显微图像上计算，微观形貌由SEM观察。实验设计强调配对比较与分布无关统计检验，以克服小样本限制。
研究结果分为多个部分。首先，切削力分析显示，CEMD条件下推力力普遍高于DEMD，且随进给率与转速同步上升，这与低温下基体刚度提高及脆性断裂模式有关。其次，分层评估发现，干式加工在高进给率下出口分层因子可达1.80，而CEMD有效抑制了该现象，最低值为1.16。SEM观察表明，CEMD减少了纤维拔出长度与基体撕裂，孔周形态更为规整。第三，内壁表面质量结果显示，CEMD在各参数下均降低粗糙度，最大降幅约30%，这与减少树脂涂抹与纤维拔出直接相关。第四，分子尺度解释指出，低温限制了环氧基体的链段运动，提高纤维–基体界面法向强度，从而在更高推力力下仍保持较低的裂纹扩展倾向。第五，与已有文献的比较表明，本研究首次在0.8 mm直径条件下获得与宏尺度相当的粗糙度改善幅度，验证了基体硬化机制的跨尺度适用性。第六，工艺窗口推荐将CEMD、3000 rpm、10 mm/min作为最低分层配置，而将CEMD、4000 rpm、10 mm/min作为综合质量最优配置。第七，统计分析采用配对Wilcoxon检验，确认CEMD在所有单元中均产生一致的响应变化，p值低至0.004。
讨论部分指出，虽然低温冷却增加了切削力，但其通过基体硬化与界面增强实现了质量的综合提升。研究承认未直接测量切削温度，且样本量有限，未来需结合热成像与更多重复验证。结论部分强调，亚毫米CFRP微孔钻削中液氮冷却的优势主要来自基体层面的力学硬化，而非整体热管理，该机制可稳定应用于PCB、MEMS及航空航天紧固件预钻孔等领域。研究人员建议后续工作应扩展至不同CFRP体系与涂层刀具，并进一步解耦摩擦与热效应的贡献。
