本發(fā)明涉及碳纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層裝配技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔分層缺陷的預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)具有密度低、強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大、吸振性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)、導(dǎo)彈等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。例如，波音787客機(jī)機(jī)身表面90％都采用了碳纖維復(fù)合材料，我國(guó)新型航空飛行器也逐漸增加碳纖維復(fù)合材料使用的比例，航空飛行器復(fù)合材料及鈦合金的應(yīng)用比例已經(jīng)成為衡量其先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。

隨著先進(jìn)航空飛行器廣泛使用碳纖維復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層裝配結(jié)構(gòu)的制孔需求越來(lái)越大，波音787客機(jī)裝配需要鉆削400萬(wàn)個(gè)碳纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)孔。由于碳纖維復(fù)合材料與鈦合金的難加工特性及其相互制約、影響，制孔過(guò)程存在著制孔效率低、制孔質(zhì)量不易保證、零件報(bào)廢率難以控制的突出問(wèn)題。據(jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)外飛機(jī)組裝過(guò)程中，因制孔加工產(chǎn)生的分層缺陷而導(dǎo)致報(bào)廢的碳纖維復(fù)合材料零件數(shù)量占全部報(bào)廢零件的60％以上。因?yàn)榧词故欠浅Ｎ⑿〉姆謱右彩欠浅?yán)重的安全隱患，而碳纖維復(fù)合材料加工表面一旦出現(xiàn)撕裂和分層等嚴(yán)重缺陷幾乎無(wú)法修復(fù)和挽回。

由于缺少有效的疊層結(jié)構(gòu)鉆孔分層缺陷預(yù)測(cè)方法，操作人員難以判斷在當(dāng)前鉆孔條件下，何時(shí)會(huì)產(chǎn)生分層缺陷或者分層區(qū)域直徑超出相關(guān)標(biāo)而準(zhǔn)造成零件報(bào)廢，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)減少制孔數(shù)量，因此極大的降低了制孔刀具的使用壽命，人為的提高了制孔成本。

針對(duì)碳纖維復(fù)合材料鉆孔分層缺陷，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究工作，先后提出了產(chǎn)生分層缺陷的“臨界軸向切削力”理論、分層缺陷直徑評(píng)價(jià)因子和分層缺陷面積評(píng)價(jià)因子，為分層缺陷的預(yù)測(cè)分析提供了理論基礎(chǔ)，并分別提出了相關(guān)的預(yù)測(cè)方法。

目前碳纖維復(fù)合材料鉆孔分層缺陷的預(yù)測(cè)方法存在以下不足：(1)現(xiàn)有預(yù)測(cè)方法僅適用于碳纖維復(fù)合材料單獨(dú)鉆孔條件，沒(méi)有提出碳纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔條件下有效的分層缺陷預(yù)測(cè)方法。由于沒(méi)有考慮疊層結(jié)構(gòu)鉆孔過(guò)程中鈦合金材料對(duì)鉆孔刀具磨損的影響，因而這些預(yù)測(cè)方法不適用于疊層結(jié)構(gòu)；(2)現(xiàn)有預(yù)測(cè)方法是基于分層缺陷區(qū)域直徑與鉆孔過(guò)程靜態(tài)切削力的關(guān)系模型提出的，不能夠分析出鉆孔數(shù)量達(dá)到什么指標(biāo)后，分層區(qū)域直徑超過(guò)指定的缺陷標(biāo)準(zhǔn)，因而不滿(mǎn)足鉆孔過(guò)程中分層缺陷動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)分析的工程實(shí)際需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔分層缺陷的預(yù)測(cè)方法，依據(jù)當(dāng)前鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)、制孔工藝參數(shù)和制孔數(shù)量等條件，判斷鉆孔過(guò)程能否產(chǎn)生分層缺陷，以及預(yù)測(cè)分析分層缺陷區(qū)域的最大直徑，能預(yù)測(cè)滿(mǎn)足設(shè)定分層缺陷標(biāo)準(zhǔn)的最大鉆孔數(shù)量，有效提高制孔合格率，降低因超出分層缺陷標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致的零件報(bào)廢率。

一種CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔分層缺陷的預(yù)測(cè)方法，具體步驟如下：

步驟1、設(shè)置分層缺陷要求，即許用的分層缺陷區(qū)域最大直徑；

步驟2、計(jì)算碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)生分層缺陷的臨界軸向切削力；

步驟2.1、基于理論解析方法，建立碳纖維復(fù)合材料鉆孔產(chǎn)生分層缺陷的臨界軸向切削力計(jì)算公式，如式(1)所示；

其中，F(xiàn)_A為鉆孔軸向切削力，G_IC是單位面積上碳纖維復(fù)合材料裂紋的擴(kuò)展能量，E為彎曲彈性模量，h為碳纖維復(fù)合材料單層厚度，v為泊松比；

步驟2.2、采用超景深顯微鏡觀(guān)察、測(cè)量復(fù)合材料板材，獲得碳纖維復(fù)合材料板材單層厚度；

步驟2.3、將復(fù)合材料板材單層厚度、碳纖維復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展能量、彈性模量和泊松比變量代入公式(1)計(jì)算公式，獲得產(chǎn)生分層缺陷的臨界軸向切削力；

步驟3、計(jì)算平穩(wěn)制孔初始階段的鉆孔軸向切削力；

步驟3.1、進(jìn)行疊層結(jié)構(gòu)鉆孔正交試驗(yàn)，在鉆孔進(jìn)入平穩(wěn)制孔階段的初始時(shí)，采用測(cè)力儀采集、測(cè)量每組試驗(yàn)的鉆孔軸向切削力，通過(guò)觀(guān)察鉆孔過(guò)程中切削力的變化趨勢(shì)，確定碳纖維復(fù)合材料和鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔達(dá)到平穩(wěn)制孔初始階段的標(biāo)準(zhǔn)為鉆削5個(gè)或6個(gè)孔；

步驟3.2、通過(guò)對(duì)步驟3.1的軸向切削力數(shù)據(jù)分析處理，建立與鉆頭螺旋角、頂角、外緣后角、制孔切削速度、制孔進(jìn)給量相關(guān)的碳纖維復(fù)合材料鉆孔切削力經(jīng)驗(yàn)公式，如式(2)所示；

其中，F(xiàn)_zsi為碳纖維復(fù)合材料鉆孔平穩(wěn)制孔初始階段的鉆孔軸向切削力，β為鉆頭螺旋角，α_r為鉆頭外緣后角，為鉆頭頂角，Vc為鉆孔切削速度，fr為鉆孔每轉(zhuǎn)進(jìn)給量；

步驟3.3、通過(guò)式(2)計(jì)算平穩(wěn)制孔初始階段的鉆孔軸向切削力；

步驟4、計(jì)算隨制孔數(shù)量變化的整個(gè)平穩(wěn)制孔階段的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力；

步驟4.1、進(jìn)行疊層結(jié)構(gòu)連續(xù)鉆削多孔試驗(yàn)，采用測(cè)力儀測(cè)量鉆削每一孔的實(shí)時(shí)軸向切削力；

步驟4.2、通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，得到軸向切削力與制孔數(shù)量的關(guān)系曲線(xiàn)，基于平穩(wěn)制孔初始階段的鉆孔軸向切削力，建立整個(gè)平穩(wěn)制孔階段切削力與制孔數(shù)量的線(xiàn)性映射關(guān)系公式，如式(3)所示；

F_Nb＝1.136N+102.927+F_zsi (3)

其中，F(xiàn)_Nb為鉆孔過(guò)程動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力，N為鉆孔數(shù)量；

步驟4.3、通過(guò)輸入不同的制孔數(shù)量，計(jì)算動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的軸向切削力；

步驟4.4、比較步驟4.3的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)切削力F_Nb與步驟1的臨界切削力F_A，判斷是否產(chǎn)生分層缺陷；

如果F_Nb小于F_A，則不產(chǎn)生分層缺陷，增加1個(gè)制孔數(shù)量，返回步驟4.3；如果F_Nb大于或等于F_A，則產(chǎn)生分層缺陷，執(zhí)行步驟5；

步驟5、預(yù)測(cè)分層缺陷區(qū)域直徑及最大制孔數(shù)量；

步驟5.1、進(jìn)行疊層結(jié)構(gòu)連續(xù)鉆削多孔試驗(yàn)，采用超聲波檢測(cè)復(fù)材分層缺陷區(qū)域的面積，同時(shí)采用測(cè)力儀測(cè)量鉆孔的軸向切削力；

步驟5.2、通過(guò)數(shù)據(jù)處理，采用理論解析方法，建立分層缺陷區(qū)域直徑預(yù)測(cè)分析模型，該預(yù)測(cè)分析模型如式(4)所示；

其中，D_m為分層缺陷區(qū)域最大直徑，D為鉆孔直徑；

步驟5.3、通過(guò)預(yù)測(cè)分析模型式(4)，預(yù)測(cè)分層缺陷區(qū)域的直徑，并獲得滿(mǎn)足步驟1分層缺陷要求的最大制孔數(shù)量。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供的CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔分層缺陷的預(yù)測(cè)方法，可以在當(dāng)前鉆孔條件下，分析鉆削到不同制孔數(shù)量時(shí)是否滿(mǎn)足設(shè)定的分析缺陷標(biāo)準(zhǔn)，并能夠給出滿(mǎn)足分層缺陷標(biāo)準(zhǔn)的最大制孔數(shù)量，有效提高制孔刀具的使用壽命和疊層結(jié)構(gòu)鉆孔的合格率，防止因超過(guò)分層缺陷標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致的零件報(bào)廢，節(jié)約生產(chǎn)成本。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔分層缺陷的預(yù)測(cè)方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的平穩(wěn)階段鉆孔軸向切削力與制孔數(shù)量的關(guān)系曲線(xiàn)圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的鉆孔產(chǎn)生分層缺陷的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明采用理論解析和制孔試驗(yàn)的方法，解析計(jì)算碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)生分層缺陷的臨界軸向力，建立T300碳纖維復(fù)合材料與TC6鈦合金疊層結(jié)構(gòu)分層缺陷評(píng)價(jià)分析模型、平穩(wěn)制孔初始階段軸向切削力計(jì)算模型和軸向切削力隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型，提出一種疊層結(jié)構(gòu)鉆孔過(guò)程碳纖維復(fù)合材料分層缺陷的預(yù)測(cè)分析方法，依據(jù)當(dāng)前鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)、制孔工藝參數(shù)和制孔數(shù)量等條件，判斷鉆孔過(guò)程能否產(chǎn)生分層缺陷，以及預(yù)測(cè)分析分層缺陷區(qū)域的最大直徑。

以T300碳纖維復(fù)合材料與TC6鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔過(guò)程為例，提供一種CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔分層缺陷的預(yù)測(cè)方法，該疊層結(jié)構(gòu)的鉆孔順序及為先加工T300復(fù)合材料板材，后加工TC6鈦合金板材。如圖1所示，本實(shí)施例的方法如下所述。

步驟1、設(shè)置許用的分層缺陷區(qū)域最大直徑為6mm。

步驟2、計(jì)算碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)生分層缺陷的臨界軸向切削力，具體方法為：

步驟2.1、基于理論解析方法，建立碳纖維復(fù)合材料鉆孔產(chǎn)生分層缺陷的臨界軸向切削力計(jì)算公式，如式(1)所示。

其中，F(xiàn)_A為鉆孔軸向切削力，G_IC是單位面積上碳纖維復(fù)合材料裂紋的擴(kuò)展能量，E為彎曲彈性模量，h為碳纖維復(fù)合材料單層厚度，v為泊松比；

步驟2.2、采用超景深顯微鏡觀(guān)察、測(cè)量復(fù)合材料板材，獲得碳纖維復(fù)合材料板材單層厚度；本實(shí)施例中，通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)，測(cè)得T300復(fù)合材料板材的單層厚度為0.297mm。

步驟2.3、將碳纖維復(fù)合材料板材單層厚度、碳纖維復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展能量、彈性模量和泊松比變量代入公式(1)計(jì)算公式，獲得產(chǎn)生分層缺陷的臨界軸向切削力。

通過(guò)相關(guān)材料手冊(cè)，得到T300復(fù)合材料的相關(guān)特性為：裂紋擴(kuò)展能量為285J/m²、彈性模量為115Gpa、泊松比為0.34，計(jì)算得到的T300復(fù)合材料分層缺陷臨界軸向切削力為159.852N。

步驟3、計(jì)算平穩(wěn)制孔初始階段的鉆孔軸向切削力，具體方法為：

步驟3.1、進(jìn)行疊層結(jié)構(gòu)鉆孔正交試驗(yàn)，在鉆孔進(jìn)入平穩(wěn)制孔階段的初始時(shí)，采用測(cè)力儀采集、測(cè)量每組試驗(yàn)的鉆孔軸向切削力。本實(shí)施例中，觀(guān)察鉆孔過(guò)程中切削力變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)從鉆削第5個(gè)孔開(kāi)始，切削力變?yōu)槠椒€(wěn)增加狀態(tài)，因此確定碳纖維復(fù)合材料和鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔達(dá)到平穩(wěn)制孔初始階段的標(biāo)準(zhǔn)為鉆削5個(gè)孔。具體實(shí)施中，達(dá)到平穩(wěn)制孔初始階段的標(biāo)準(zhǔn)還可以設(shè)定為鉆削6個(gè)孔。

步驟3.2、通過(guò)對(duì)步驟3.1測(cè)量切削力數(shù)據(jù)分析處理，建立與鉆頭螺旋角、頂角、外緣后角、制孔切削速度、制孔進(jìn)給量相關(guān)的碳纖維復(fù)合材料鉆孔切削力經(jīng)驗(yàn)公式，如式(2)所示。

其中，F(xiàn)_zsi為碳纖維復(fù)合材料鉆孔平穩(wěn)制孔初始階段的鉆孔軸向切削力，β為鉆頭螺旋角，α_r為鉆頭外緣后角，為鉆頭頂角，Vc為鉆孔切削速度，fr為鉆孔進(jìn)給量。

步驟3.3、通過(guò)式(2)計(jì)算平穩(wěn)制孔初始階段的鉆孔軸向切削力。

本實(shí)施例中，制孔用鉆頭的直徑為6mm、螺旋角為25度、外緣后角為12度、頂角為140度、刀具材料為K6UF(硬質(zhì)合金)，制孔切削速度為30m/min、制孔進(jìn)給量為0.03mm/min。通過(guò)公式(2)計(jì)算得到鉆削5個(gè)孔后平穩(wěn)制孔初始階段的軸向切削力為108.626N。

步驟4、計(jì)算隨制孔數(shù)量變化的整個(gè)平穩(wěn)制孔階段的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力，具體方法為：

步驟4.1、按照步驟(2)的制孔條件進(jìn)行制孔試驗(yàn)，進(jìn)行疊層結(jié)構(gòu)連續(xù)鉆削多孔試驗(yàn)，采用測(cè)力儀測(cè)量鉆削每一孔的實(shí)時(shí)軸向切削力，主要揭示切削力隨制孔數(shù)量增加的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

步驟4.2、通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，得到軸向切削力與制孔數(shù)量的關(guān)系曲線(xiàn)，基于平穩(wěn)制孔初始階段的鉆孔軸向切削力，建立整個(gè)平穩(wěn)制孔階段切削力與制孔數(shù)量的線(xiàn)性映射關(guān)系公式，如式(3)所示。

F_Nb＝1.136N+102.927+F_zsi (3)

其中，F(xiàn)_Nb為鉆孔過(guò)程動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力，N為鉆孔數(shù)量。

步驟4.3、通過(guò)輸入不同的制孔數(shù)量，計(jì)算動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力。本實(shí)施例中，平穩(wěn)階段鉆孔軸向切削力與制孔數(shù)量的關(guān)系曲線(xiàn)圖如圖2所示。

步驟4.1中測(cè)量的切削力是用于建立公式(3)，而步驟4.3的意義是不必再進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)，可以通過(guò)公式(3)直接計(jì)算出動(dòng)態(tài)切削力。

步驟4.4、比較步驟3的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)切削力F_Nb與步驟1的臨界切削力F_A，判斷是否產(chǎn)生分層缺陷；

如果F_Nb小于F_A，則不產(chǎn)生分層缺陷，增加制孔數(shù)量，繼續(xù)執(zhí)行步驟3.3；如果F_Nb大于或等于F_A，則產(chǎn)生分層缺陷，執(zhí)行步驟4。本實(shí)施例中，通過(guò)計(jì)算并觀(guān)察分析，發(fā)現(xiàn)在鉆削至51個(gè)孔以后，T300碳纖維復(fù)合材料出現(xiàn)分層缺陷，如圖3所示。通過(guò)公式(3)計(jì)算此時(shí)的鉆孔軸向切削力為160.863N，大于產(chǎn)生分層缺陷臨界軸向切削力的159.852N。

步驟5、預(yù)測(cè)分層缺陷區(qū)域直徑及最大制孔數(shù)量；

步驟5.1、進(jìn)行疊層結(jié)構(gòu)連續(xù)鉆削多孔試驗(yàn)，采用超聲波檢測(cè)復(fù)材分層缺陷區(qū)域的面積，同時(shí)采用測(cè)力儀測(cè)量鉆孔的軸向切削力，主要揭示最大分層缺陷直徑隨制動(dòng)態(tài)切削力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；

步驟5.2、通過(guò)數(shù)據(jù)處理，采用理論解析方法，建立分層缺陷區(qū)域直徑預(yù)測(cè)分析模型，該預(yù)測(cè)分析模型如式(4)所示；

其中，D_m為分層缺陷區(qū)域的最大直徑，D為鉆孔直徑；

步驟5.3、通過(guò)預(yù)測(cè)分析模型式(4)，計(jì)算得到鉆削第51孔的分層缺陷區(qū)域直徑為5.976mm，鉆削第52孔的分層缺陷區(qū)域直徑為的分層缺陷區(qū)域直徑為6.278mm，大于步驟1設(shè)置的許用分層缺陷區(qū)域最大直徑，因此最大制孔數(shù)量為50孔。

本發(fā)明提供的CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔分層缺陷的預(yù)測(cè)方法，可以在當(dāng)前鉆孔條件下，分析鉆削到不同制孔數(shù)量時(shí)是否滿(mǎn)足設(shè)定的分析缺陷標(biāo)準(zhǔn)，并能夠給出滿(mǎn)足分層缺陷標(biāo)準(zhǔn)的最大制孔數(shù)量，有效提高制孔刀具的使用壽命和疊層結(jié)構(gòu)鉆孔的合格率，防止因超過(guò)分層缺陷標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致的零件報(bào)廢，節(jié)約生產(chǎn)成本。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。