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)鉆孔工藝的優(yōu)化方法。

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、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)裝配需要加工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、零件不合格率和報(bào)廢率難以控制的突出問(wèn)題。

碳纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔條件復(fù)雜，由于缺少有效的疊層結(jié)構(gòu)鉆孔工藝優(yōu)化方法，工藝設(shè)計(jì)和操作人員難以選擇與當(dāng)前鉆頭幾何參數(shù)、鉆孔刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)、復(fù)材分層/撕裂缺陷標(biāo)準(zhǔn)等因素相匹配的鉆孔切削速度和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。采用不合理的鉆孔工藝，導(dǎo)致鉆孔刀具的快速磨損、復(fù)材缺陷超出允許的缺陷標(biāo)準(zhǔn)、鉆孔刀具有效使用壽命的降低。

針對(duì)碳纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔工藝的優(yōu)化方法，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究工作，提出了基于制孔試驗(yàn)、遺傳算法、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等方法的鉆孔工藝參數(shù)優(yōu)化方法和變工藝參數(shù)等優(yōu)化方法。這些優(yōu)化方法存在以下不足：(1)沒(méi)有考慮鉆頭螺旋角、頂角、外緣后角等結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)鉆孔工藝的影響，因而不能根據(jù)鉆頭結(jié)構(gòu)的變化合理優(yōu)化疊層結(jié)構(gòu)的制孔工藝參數(shù)；(2)約束條件不全面，優(yōu)化結(jié)果不能綜合反映疊層結(jié)構(gòu)鉆孔過(guò)程復(fù)材缺陷、鉆頭后刀面磨損、刀具壽命對(duì)疊層結(jié)構(gòu)鉆孔工藝參數(shù)的影響。

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)鉆孔工藝的優(yōu)化方法，綜合考慮復(fù)材鉆孔缺陷、鉆孔刀具后刀面磨損和鉆孔刀具使用壽命等約束，依據(jù)當(dāng)前鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)、復(fù)材分層/撕裂缺陷標(biāo)準(zhǔn)和制孔數(shù)量，優(yōu)化鉆孔的切削速度和進(jìn)給量，能有效提高疊層結(jié)構(gòu)鉆孔效率，降低零件的不合格率和報(bào)廢率，并使制孔刀具發(fā)揮出最大的鉆孔能力。

一種CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔工藝的優(yōu)化方法，具體步驟如下：

步驟1、設(shè)置分層缺陷和撕裂缺陷的標(biāo)準(zhǔn)，即分層缺陷區(qū)域的最大直徑和撕裂缺陷區(qū)域的最大直徑；

步驟2、設(shè)置疊層結(jié)構(gòu)鉆孔鉆頭磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為鉆頭后刀面磨損值VB不大于0.08mm；

步驟3、設(shè)置疊層結(jié)構(gòu)優(yōu)化范圍，即最大鉆孔數(shù)量與最小鉆孔數(shù)量、最大許用切削速度與最小許用切削速度和最大許用每轉(zhuǎn)進(jìn)給量與最小許用每轉(zhuǎn)進(jìn)給量；

步驟4、輸入鉆孔數(shù)量；

步驟5、輸入切削速度和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量；

步驟6、如果輸入的切削速度和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量分別小于等于步驟3設(shè)置的最大許用切削速度和最大許用每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，則執(zhí)行步驟7，否則執(zhí)行步驟14；

步驟7、根據(jù)疊層結(jié)構(gòu)鉆孔平穩(wěn)初始階段鉆孔動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型，計(jì)算動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力；所述鉆孔動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型如式(1)所示；

F_z＝1.136N+102.927+F_zf (1)

其中，F(xiàn)_z為鉆孔軸向切削力，N為鉆孔數(shù)量，F(xiàn)_zf為鉆孔軸向切削力修正值，F(xiàn)_zf的計(jì)算如式(2)所示；

其中，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8、根據(jù)步驟1設(shè)置的缺陷標(biāo)準(zhǔn)、分層缺陷評(píng)價(jià)分析模型和撕裂缺陷評(píng)價(jià)分析模型，計(jì)算分層缺陷臨界切削力和撕裂缺陷臨界切削力；所述分層缺陷評(píng)價(jià)分析模型和撕裂缺陷評(píng)價(jià)分析模型分別如式(3)和式(4)所示；

其中，D_m為分層缺陷區(qū)域的最大直徑，D_L為分層缺陷區(qū)域鉆孔直徑，D′_m為撕裂缺陷區(qū)域的最大直徑，D_T為撕裂缺陷區(qū)域鉆孔直徑；

步驟9、如果步驟7計(jì)算獲得的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力小于步驟8計(jì)算獲得的分層缺陷臨界切削力，則執(zhí)行步驟10，否則執(zhí)行步驟14；

步驟10、如果步驟7計(jì)算獲得的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力小于步驟8計(jì)算獲得的撕裂缺陷臨界切削力，則執(zhí)行步驟11，否則執(zhí)行步驟14；

步驟11、根據(jù)疊層結(jié)構(gòu)鉆孔平穩(wěn)初始階段鉆頭后刀面磨損值VB隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型，計(jì)算在當(dāng)前鉆頭結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、鉆孔工藝參數(shù)和鉆孔數(shù)量條件下的鉆頭后刀面磨損值VB；所述鉆頭后刀面磨損值VB隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型如式(5)所示；

VB＝0.001333N-0.01333+VB_f (5)

其中，VB為鉆頭后刀面磨損值，VB_f為后刀面磨損修正值，VB_f的計(jì)算如式(6)所示；

步驟12、如果步驟11計(jì)算獲得的VB值小于步驟2設(shè)置的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB值，則執(zhí)行步驟13，否則執(zhí)行步驟14；

步驟13、增加切削速度和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，返回步驟6；

步驟14、增加1個(gè)鉆孔數(shù)量；

步驟15、如果鉆孔數(shù)量小于等于步驟3設(shè)置的最大鉆孔數(shù)量，則返回執(zhí)行步驟5，否則結(jié)束優(yōu)化過(guò)程，輸出最優(yōu)的切削速度、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和鉆孔數(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)鉆孔工藝的優(yōu)化方法，采用多種約束條件優(yōu)化疊層結(jié)構(gòu)鉆孔工藝，綜合考慮了疊層結(jié)構(gòu)鉆孔過(guò)程中復(fù)材分層缺陷、撕裂缺陷、鉆頭后刀面磨損和刀具壽命的約束，鉆孔工藝優(yōu)化結(jié)果合理、準(zhǔn)確，能有效提高疊層結(jié)構(gòu)鉆孔效率，降低零件的不合格率和報(bào)廢率，并使制孔刀具發(fā)揮出最大的鉆孔能力。

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)鉆孔工藝的優(yōu)化方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的鉆孔工藝優(yōu)化過(guò)程中動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)切削力與鉆頭后刀面磨損VB值示意圖。

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。

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，該疊層結(jié)構(gòu)鉆孔條件及缺陷要求如下：

(1)鉆頭結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)：直徑為6mm、螺旋角為25度、外緣后角為10度、頂角為140度；

(2)刀具材料為K6UF(硬質(zhì)合金)；

(3)鉆孔缺陷要求：鉆孔后復(fù)材不允許出現(xiàn)分層缺陷，允許一定的撕裂缺陷存在；

(4)T300復(fù)合材料板厚度為5mm，TC6鈦合金板厚度為3mm。

如圖1所示，CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔工藝的優(yōu)化方法的具體步驟如下。

步驟1、設(shè)置分層缺陷和撕裂缺陷的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)鉆孔缺陷要求，缺陷標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為：分層缺陷的最大允許直徑D_m設(shè)置為6.0mm，撕裂缺陷的最大允許直徑D′_m設(shè)置為7.0mm。

步驟2、設(shè)置疊層結(jié)構(gòu)鉆孔鉆頭磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮鉆孔質(zhì)量和鉆頭磨、破損情況，設(shè)置疊層結(jié)構(gòu)鉆孔鉆頭的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為VB不大于0.08mm，即VB_max＝0.08mm。

步驟3、設(shè)置疊層結(jié)構(gòu)優(yōu)化范圍，鉆孔數(shù)量最大值N_max為100，鉆孔數(shù)量最小值N_min為5；切削速度最大值Vc_max為40m/min，切削速度最小值Vc_min為20m/min；每轉(zhuǎn)進(jìn)給量最大值fr_max為0.04mm/r，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量最小值fr_min為0.01mm/r。

步驟4、輸入鉆孔數(shù)量N為5。

步驟5、輸入切削速度Vc為20m/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量fr為0.01mm/r。

步驟6、如果輸入的切削速度和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量分別小于等于步驟3設(shè)置的最大許用切削速度和最大許用每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，則執(zhí)行步驟7，否則執(zhí)行步驟14。

本實(shí)施例中，輸入的切削速度和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量分別小于步驟3設(shè)置的最大許用切削速度和最大許用每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，則執(zhí)行步驟7。

步驟7、根據(jù)疊層結(jié)構(gòu)鉆孔平穩(wěn)初始階段鉆孔動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型，計(jì)算動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力；所述鉆孔動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型如式(1)所示。

F_z＝1.136N+102.927+F_zf (1)

其中，F(xiàn)_z為鉆孔軸向切削力，N為鉆孔數(shù)量，F(xiàn)_zf為鉆孔軸向切削力修正值，F(xiàn)_zf的計(jì)算如式(2)所示。

其中，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。

本實(shí)施例中，根據(jù)上述的鉆孔動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型計(jì)算的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)切削力為116.007N。

步驟8、根據(jù)步驟1設(shè)置的缺陷標(biāo)準(zhǔn)和分層缺陷評(píng)價(jià)分析模型、撕裂缺陷評(píng)價(jià)分析模型，計(jì)算分層缺陷臨界切削力F_L和撕裂缺陷臨界切削力F_T。分層缺陷評(píng)價(jià)分析模型和撕裂缺陷評(píng)價(jià)分析模型分別如式(3)和式(4)所示。

其中，D_m為分層缺陷區(qū)域的最大直徑，D_L為分層缺陷區(qū)域鉆孔直徑，D′_m為撕裂缺陷區(qū)域的最大直徑，D_T為撕裂缺陷區(qū)域鉆孔直徑。

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；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)算得到滿足分層缺陷標(biāo)準(zhǔn)的臨界軸向切削力F_L為159.713N，滿足撕裂缺陷標(biāo)準(zhǔn)的臨界軸向切削力F_T為176.545N。

步驟9、如果步驟7計(jì)算獲得的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力F_z小于步驟8計(jì)算獲得的分層缺陷臨界切削力F_L，則執(zhí)行步驟10，否則執(zhí)行步驟14。

本實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力F_z(116.007N)小于分層缺陷臨界切削力F_L(159.713)，不產(chǎn)生分層缺陷，則執(zhí)行步驟10。

步驟10、如果步驟7計(jì)算獲得的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力F_z小于步驟8計(jì)算獲得的撕裂缺陷臨界切削力F_T，則執(zhí)行步驟11，否則執(zhí)行步驟14。

本實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)軸向切削力F_z(116.007N)小于撕裂缺陷臨界切削力F_T(176.545N)，因而不產(chǎn)生撕裂缺陷，則執(zhí)行步驟11。

步驟11、則根據(jù)疊層結(jié)構(gòu)鉆孔平穩(wěn)初始階段鉆頭后刀面磨損值VB隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型，計(jì)算在當(dāng)前鉆頭結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、鉆孔工藝參數(shù)和鉆孔數(shù)量條件下的鉆頭后刀面磨損值VB。鉆頭后刀面磨損值VB隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型如式(5)所示。

VB＝0.001333N-0.01333+VB_f (5)

其中，VB為鉆頭后刀面磨損值，VB_f為后刀面磨損修正值，VB_f的計(jì)算公式如式(6)所示。

本實(shí)施例中，根據(jù)上述的鉆頭后刀面磨損值VB隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型計(jì)算的當(dāng)前鉆頭后刀面磨損VB值為0.02mm。

步驟12、如果步驟11計(jì)算獲得的VB值小于步驟2設(shè)置的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB值，則執(zhí)行步驟13，否則執(zhí)行步驟14。

本實(shí)施例中，當(dāng)前鉆頭后刀面磨損VB值(0.02mm)小于磨鈍標(biāo)準(zhǔn)(VB_max＝0.08mm)，執(zhí)行步驟13。

步驟13、增加切削速度和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，返回步驟6，重復(fù)執(zhí)行步驟6至步驟13，直到判斷為切削速度大于步驟3設(shè)置的最大許用切削速度或者每轉(zhuǎn)進(jìn)給量大于步驟3設(shè)置的最大許用每轉(zhuǎn)進(jìn)給量或者產(chǎn)生分層/撕裂缺陷或者當(dāng)前鉆頭后刀面磨損VB值大于磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，則執(zhí)行步驟14。

本實(shí)施例中，增加切削速度為21m/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.011mm/r，重復(fù)執(zhí)行步驟(6)至步驟(9)，執(zhí)行結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，鉆孔數(shù)量為5時(shí)，復(fù)材沒(méi)有復(fù)材分層/撕裂缺陷，后刀面磨損值VB遠(yuǎn)小于磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行工藝優(yōu)化，執(zhí)行步驟4。

步驟14、增加1個(gè)鉆孔數(shù)量。

步驟15、如果鉆孔數(shù)量小于等于步驟3設(shè)置的最大鉆孔數(shù)量，則返回步驟5，重復(fù)執(zhí)行步驟5至步驟14，否則結(jié)束優(yōu)化過(guò)程，輸出最優(yōu)的切削速度、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和鉆孔數(shù)量。

增加1個(gè)鉆孔數(shù)量后，仍小于等于步驟3設(shè)置的最大鉆孔數(shù)量，則重復(fù)執(zhí)行步驟5至步驟14，直到鉆孔數(shù)量大于步驟3設(shè)置的最大鉆孔數(shù)量100個(gè)后，結(jié)束優(yōu)化過(guò)程，輸出最優(yōu)的切削速度、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和鉆孔數(shù)量。

本實(shí)施例提供的一種CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔工藝的優(yōu)化方法，針對(duì)碳纖維復(fù)合材料T300與TC6鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆孔工藝受到疊層材料的難加工特性、鉆頭的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)等因素的影響，工藝參數(shù)不易合理選擇，導(dǎo)致疊層結(jié)構(gòu)鉆孔效率低、零件不合格率和報(bào)廢率高的突出問(wèn)題，采用多種約束條件優(yōu)化疊層結(jié)構(gòu)鉆孔工藝，綜合考慮了疊層結(jié)構(gòu)鉆孔過(guò)程中復(fù)材分層缺陷、撕裂缺陷、鉆頭后刀面磨損和刀具壽命的約束，鉆孔工藝優(yōu)化結(jié)果合理、準(zhǔn)確，能有效提高疊層結(jié)構(gòu)鉆孔效率，降低零件的不合格率和報(bào)廢率，并使制孔刀具發(fā)揮出最大的鉆孔能力。

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。