纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/金屬疊層全周期瞬時鉆削軸向力預(yù)測方法
【專利摘要】一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/金屬疊層全周期瞬時鉆削軸向力預(yù)測方法，其特征是它包括以下步驟：首先，確定初級參數(shù)，將麻花鉆主切削刃和橫刃均劃分為無限小的微元，求解次級參數(shù)。其次，確定鉆削過程中，主切削刃上任意切削微元處的纖維方向角。第三，計算主切削刃切削金屬時微元上的切削力。第四，根據(jù)鉆削過程中每個時刻切削刃和工件材料的相對狀態(tài)，將疊層鉆削過程劃分為五個階段，確定每個階段的積分上下限。第五，根據(jù)積分公式計算一個完整周期的瞬時鉆削軸向力。本發(fā)明充分考慮了纖維方向角對切削微元的影響，給出了疊層鉆削全周期五階段鉆削軸向力預(yù)測方法，體現(xiàn)了疊層結(jié)構(gòu)鉆削力時丟失瞬時波動信息。
【專利說明】
纖維増強(qiáng)復(fù)合材料/金屬疊層全周期瞬時鉆削軸向力預(yù)測 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種機(jī)械加工技術(shù)，尤其是一種切削力預(yù)測方法，具體地說是一種纖 維增強(qiáng)復(fù)合材料/金屬疊層全周期瞬時鉆削軸向力預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航空航天飛行器結(jié)構(gòu)中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料逐步取代部分傳統(tǒng)金屬材料，形 成大量的復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)（以下簡稱疊層結(jié)構(gòu)）。疊層結(jié)構(gòu)的機(jī)械連接是目前裝配 中的主要連接工藝，需要使用麻花鉆進(jìn)行預(yù)制孔的加工。一方面復(fù)合材料由于其各向異性 和非均質(zhì)的特點(diǎn)，本身就屬于難加工材料，容易出現(xiàn)分層、撕裂、磨損等問題，另一方面疊層 材料的鉆削工藝需要同時滿足兩種不同材料，因此疊層材料的鉆削成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的任 務(wù)。鉆削力是聯(lián)通鉆削工藝和終孔質(zhì)量的橋梁，是鉆削工藝參數(shù)決策、加工質(zhì)量控制的基本 依據(jù)，高效、準(zhǔn)確的疊層結(jié)構(gòu)鉆削力預(yù)測模型對保證終孔表面質(zhì)量、延長刀具壽命以及提高 裝配效率具有重要的指導(dǎo)意義。
[0003] 當(dāng)前學(xué)者們對疊層結(jié)構(gòu)鉆削展開了基于試驗(yàn)觀測的唯象研究，沒有基于解析理論 的鉆削力預(yù)測建模研究。國內(nèi)外對金屬鉆削力建模的研究較為成熟，一般采用微元法，將切 削刃劃分為足夠小的微元，每個微元上采用經(jīng)典剪切面模型預(yù)測微元力，然后將所有微元 力積分疊加。對復(fù)合材料鉆削力的研究起步較晚，基本思路是借鑒金屬鉆削力建模的方法， 在微元上采用當(dāng)量纖維方向角的概念均勻化差異性微元。這種方法處理較為簡單，但不能 如實(shí)反映纖維方向角對微元力的決定性影響，僅僅得到了鉆削力平均曲線，丟失了瞬時波 動的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的鉆削和預(yù)測模型為能適應(yīng)疊層材料需要，因此直接影 響疊層材料鉆孔工藝參數(shù)決策的問題，為克服現(xiàn)有方法在預(yù)測疊層結(jié)構(gòu)鉆削力時丟失瞬時 波動信息的不足，發(fā)明一種面向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)的麻花鉆鉆削軸向力預(yù) 測方法，它充分考慮了纖維方向角對切削微元的影響，給出了疊層鉆削全周期五階段鉆削 軸向力預(yù)測方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] -種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/金屬疊層全周期瞬時鉆削軸向力預(yù)測方法，其特征是：
[0007] 首先，確定初級參數(shù)，將麻花鉆主切削刃和橫刃均劃分為無限小的微元，根據(jù)經(jīng)典 金屬鉆削幾何關(guān)系（參見文獻(xiàn)Altintas Y(2012Manufacturing automation :metal cutting mechanics,machine tool vibrations,and CNC design.Cambridge university press, Cambridge)由鉆削初級參數(shù)求解次級參數(shù)。
[0008] 其次，確定鉆削過程中，主切削刃上任意切削微元處的纖維方向角。
[0009] 第三，引入經(jīng)典金屬細(xì)觀切削和復(fù)材細(xì)觀切削的預(yù)測模型（參見文獻(xiàn)Guo DM，Wen Q,Gao H,Bao YJ(2012)Prediction of the cutting forces generated in the drilling of carbon-fibre-reinforced plastic composites using a twist drill.P I Mech Eng B-J Eng 226:28-42)，并計算主切削刃切削金屬時微元上的切削力。
[0010] 第四，根據(jù)鉆削過程中每個時刻切削刃和工件材料的相對狀態(tài)，將疊層鉆削過程 劃分為五個階段，確定每個階段的積分上下限。
[0011] 第五，根據(jù)積分公式計算一個完整周期的瞬時鉆削軸向力。
[0012] 具體步驟如下：
[0013] 首先，獲取鉆削所需的初級參數(shù)，并將鉆頭主切削刃和橫刃均劃分為無限小的微 元，根據(jù)經(jīng)典金屬鉆削幾何關(guān)系由鉆削初級參數(shù)求解得到次級參數(shù)；
[0014] 其次，確定鉆削過程中，主切削刃上任意切削微元處的纖維方向角0;假設(shè)主切削 刃上任意一點(diǎn)的極徑為P，距離橫刃的垂直高度為z，那么該點(diǎn)所處層距離表層的高度Hg為：
[0015] Hg = ft-z
[0016] 式中f為進(jìn)給速度，t為鉆削時間。
[0017]該點(diǎn)所處層距離表層的層數(shù)差距kp通過取整求得：
[0019]根據(jù)層數(shù)和CFRP的鋪層方式確定該層的鋪層角度g，求式中Hply為復(fù)合材料單層厚 度。
[0020]解得到任意微元處的纖維方向角：
[0022] 式中Kt為鉆頭半鋒角j是橫刃和纖維方向之間的平面角度，可以由下式求解：
[0023] i]) = 23int+it〇+g
[0024]其中加是鉆頭橫刃接觸CFRP表層時橫刃和纖維方向之間的初始角度，取值為0到 n;n為自然數(shù)；
[0025]第三，引入經(jīng)典金屬細(xì)觀切削和復(fù)材細(xì)觀切削的預(yù)測模型，并計算主切削刃切削 金屬時微元上的切削力：
L0027」式中y a、yp、a。、《、P、Kt、As分別是鉆頭的前角、后角、切削厚度、半橫刃寬度、極 徑、半鋒角和刃傾角;i=、if分別為金屬直角切削模型中的徑向力和切向力。
[0028]計算鉆頭主切削刃切削復(fù)合材料時微元上的切削力
式中0為纖維方向 角;分別為復(fù)合材料直角切削模型中的徑向力和切向力。
[0030]計算任意特定微元在鉆頭軸向的作用力 \dFu =dF'1 cosv, sinA； -Jf',w(cosr/5cos/v*, +sin^?sin v-, sinr )
[0031] ^ ' ；. ' _ . ? ? 式中Td為切削角，可 \dh, = dr： cosyd sin k, - aFv \co^f co%Kt + sin (>9sin yd sin Kt) 以表示為
|式中：D為鉆頭直徑。
[0033]對設(shè)定的一段主切削刃上的微元軸向力進(jìn)行積分，即可獲得該切削刃的軸向切削 Pf = \LU dF^! 力d 第四，根據(jù)鉆削過程中每個時刻切削刃和工件材料的相對狀態(tài)，將疊層 Fr=LdFi' 鉆削過程劃分為五個階段，確定每個階段的積分上下限；
[0034] 以橫刃剛接觸疊層結(jié)構(gòu)表面為時間零點(diǎn)，即有
[0035] to = 0那么在恒速進(jìn)給的前提下，可以得到
[0040]式中：HC為復(fù)合材料板厚度;Hm為金屬板厚度;ZE為主切削刃沿鉆頭軸線的投影高 度;A為橫刃斜角。
[0041]階段1(如~以)積分上限和下限分別是
[0044]階段n (以~〖2)積分上限和下限分別是 [0045] LU = R
[0047] 階段m(t2~t3)積分上下限與階段n相同，積分分界線是
[0048] L,M. - p{t) = ^[f -(t -t,)- tanKt - (0cot(p^\ + (0'
[0049] 階段IV(t3~t4)積分上下限與階段n相同，階段V(t4~t 5)積分上下限
[0050] LD = p(r) =、/[/' (V -(.!)_ t.an/r, -wcc)ti^.]- + ftT: L" = /?第五，得到一個完整周期的 瞬時鉆削軸向力：
[0052] 式中為復(fù)合材料主切削刃微元力軸向分量，if為金屬主切削刃微元力軸向分 量，為復(fù)合材料橫刃微元力軸向分量，禮為金屬橫刃微元力軸向分量。
[0053] 所述的初級參數(shù)主要包括鉆削時的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率及刀具幾何參數(shù)。
[0054] 所述的鉆頭為麻花鉆。
[0055] 所述的次級參數(shù)主要包括切削厚度、工作前角、工作后角和刃傾角。本發(fā)明的有益 效果：
[0056] 本發(fā)明通過建立疊層結(jié)構(gòu)全周期瞬時鉆削力預(yù)測模型，克服了現(xiàn)有方法在預(yù)測疊 層結(jié)構(gòu)鉆削力時丟失瞬時波動信息的不足。與現(xiàn)有復(fù)合材料鉆削力預(yù)測方法相比，考慮了 每個切削微元的纖維方向角實(shí)時變化，提高了復(fù)合材料鉆削力預(yù)測精度;將鉆削過程劃分 為五個階段，展現(xiàn)了鉆削過程中不同時刻切削刃和工件材料的不同切削狀態(tài)，完成了疊層 鉆削全周期瞬時軸向力預(yù)測。通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)從而限定軸向力，適用于鉆削過程中損傷 尤其是分層損傷抑制。
【附圖說明】
[0057] 圖1是纖維方向角隨極徑變化規(guī)律圖。
[0058]圖2是疊層結(jié)構(gòu)鉆削階段劃分示意圖。
[0059]圖3是實(shí)施實(shí)例疊層鉆削軸向力預(yù)測曲線圖。
[0060] 圖中：0_纖維方向角;P-極徑。
【具體實(shí)施方式】
[0061] 下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0062] 如圖1-3所示。
[0063] -種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/金屬疊層全周期瞬時鉆削軸向力預(yù)測方法，它包括以下 步驟：
[0064] 首先，獲取初級參數(shù)。CFRP鋪層順序?yàn)閇0°/-45°/90°/45° ]5S，每層厚度0? 125mm，總 計厚度5mm，縱向楊氏模量為140GPa，橫向楊氏模量8.5GPa，泊松比0.34;鋁合金厚度為5mm， 楊氏模量70GPa，泊松比0.34;鉆頭直徑3.5mm，鋒角118°，名義螺旋角30°，靜態(tài)參考后角 12°，橫刃寬度0 ? 7mm，橫刃斜角126° ;主軸轉(zhuǎn)速4000r/min，進(jìn)給0 ? 06mm/s。將麻花鉆主切削 刃和橫刃均劃分為無限小的微元，根據(jù)經(jīng)典金屬鉆削幾何關(guān)系由鉆削初級參數(shù)求解次級參 數(shù)。
[0065]其次，確定鉆削過程中，主切削刃上任意切削微元處的纖維方向角，如圖1所示。 [0066]第三，計算主切削刃切削金屬時微元上的切削力。首先引入細(xì)觀層面的切削力模 型作為輸入，引入經(jīng)典錯合金直角切削模型（參見文獻(xiàn)Altintas Y(2012Manufacturing automat ion:metal cutting mechanics,machine tool vibrations,and CNC design.Cambridge university press,Cambridge)：
[0068]根據(jù)斜角變換關(guān)系，可以得到斜角切削公式：
[0070]引入單向復(fù)合材料細(xì)觀直角切削模型
計算任意設(shè)定微元 在鉆頭軸向的作用力 dF:1 =dF.'" cosZ/SinA； -dF.'1 (cos (pco?>K, +sin ^?sin y, sin/k；)
[0072] <.. ： ' . ?、對所設(shè)定的一段主 aF: = dF- cos ysm k, - dF. (cos cos a; + sin c-?sin y, sin j 切削刃上的微元軸向力進(jìn)行積分，即可獲得該切削刃軸向切削力。 fM - iLL ^PM
[0073] ' ^第四，根據(jù)鉆削過程中每個時刻切削刃和工件材料的相對狀態(tài)，將 疊層鉆削過程劃分為五個階段，如圖2所示。確定每個階段的積分上下限。
[0074] 以橫刃剛接觸疊層結(jié)構(gòu)表面為時間零點(diǎn)，即有to = 0那么在恒速進(jìn)給的前提下， 可以得到

[0075]階段I(t〇~t〇積分上限和下限分別是：
[0077] 階段n (ti~t2)積分上限和下限分別是
[0078] LU = R=1.75mm
[0080]階段m(t2~t3)積分上下限與階段n相同，積分分界線是 [0081 ] LM = df) = V[0. 0999(，-0. 78) +0? 2543]2 +0? 1225mm
[0082] 階段IV(t3~t4)積分上下限與階段n相同，階段v(t4~t 5)積分上下限
[0083] LD = p{t) = ^j[0. 0999(/-7.50) + 0. 2543f +0. 1225mm
[0084] LU = R= 1.75mm
[0085] 第五，根據(jù)分段函數(shù)各自積分計算出一個完整周期的瞬時鉆削軸向力，計算公式 如下：
6
[0087]計算結(jié)果如圖3所示。
[0088]本發(fā)明未涉及部分與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/金屬疊層全周期瞬時鉆削軸向力預(yù)測方法，其特征是： 首先，獲取鉆削所需的初級參數(shù)，將鉆頭主切削刃和橫刃均劃分為無限小的微元，由初 級參數(shù)求解次級參數(shù)； 其次，確定鉆削過程中，鉆頭主切削刃上任意切削微元處的纖維方向角； 第=，計算鉆頭主切削刃切削金屬時微元上的切削力； 第四，根據(jù)鉆削過程中每個時刻鉆頭切削刃和工件材料的相對狀態(tài)，將疊層鉆削過程 劃分為五個階段，確定每個階段的積分上下限； 第五，根據(jù)積分公式得到一個完整周期的瞬時鉆削軸向力。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是它包括W下具體步驟： 首先，獲取鉆削所需的初級參數(shù)，并將鉆頭主切削刃和橫刃均劃分為無限小的微元，根 據(jù)經(jīng)典金屬鉆削幾何關(guān)系由鉆削初級參數(shù)求解得到次級參數(shù)； 其次，確定鉆削過程中，主切削刃上任意切削微元處的纖維方向角0;假設(shè)主切削刃上 任意一點(diǎn)的極徑為P，距離橫刃的垂直高度為Z，那么該點(diǎn)所處層距離表層的高度Hg為： Hg = ft-z 式中f為進(jìn)給速度，t為鉆削時間；該點(diǎn)所處層距離表層擴(kuò) 根據(jù)層數(shù)和CFRP的鋪y為復(fù)合材料單層厚度； 解得到任意微元處的自 式中Kt為鉆頭半鋒角是橫刃和纖維方向之間的平面角度，可W由下式求解： 4 = 2町化+恥+邑 其中(60是鉆頭橫刃接觸CFRP表層時橫刃和纖維方向之間的初始角度，取值為O到n;n為 自然數(shù)； 第S，引入經(jīng)典金屬細(xì)觀切削和復(fù)材細(xì)觀切削的預(yù)測模型，并計算主切削刃切削金屬 時微元上的切削力：式中丫 a、丫 e、a。、CO、P、Kt、As分別是鉆頭的前角、后角、切削厚度、半橫刃寬度、極徑、半 鋒角和刃傾角；說、詩分別為金屬直角切削模型中的徑向力和切向力； 計算鉆頭主切削刃切削復(fù)合材料時微元上的切削力：式中0為纖維方向角. 坑、巧分別為復(fù)合材料直角切削模型中的徑向力和切向力； 計算任意微元在鉆頭軸向的作用力： 受中丫 d為切削角，可W表 示為：式中:D為鉆頭直徑； 對設(shè)定的一段主切削刃上的微元軸向力進(jìn)行積分，即可獲得該切削刃的軸向切削力；美中：i","表示：主切削刃切削金屬材料時軸向切削力，if表示:主切削刃切 削復(fù)合材料時軸向切削力； 第四，根據(jù)鉆削過程中每個時刻切削刃和工件材料的相對狀態(tài)，將疊層鉆削過程劃分 為五個階段，確定每個階段的積分上下限； W橫刃剛接觸疊層結(jié)構(gòu)表面為時間零點(diǎn)，即有 to = 0那么在恒速進(jìn)給的前提下，可W得到式中：此為復(fù)合材料板厚度;Hm為金屬板厚度;Ze為主切削刃沿鉆頭軸線的投影高度;獲 為橫刃斜角； 階段Kto~ti)積分上限和下限分別是：階段n (ti~t2)積分上限和下限分別是： LU = R階段虹（t2~t3)積分上下限與階段n相同，積分分界線是：階段IV(t3~t4)積分上下限與階段n相同，階段V(t4~t5)積分上下限：春五，得到一個完整周期的瞬時鉆 削軸向力：式中：巧為復(fù)合材料主切削刃微元力軸向分量，巧為金屬主切削刃微元力軸向分量， 巧*為復(fù)合材料橫刃微元力軸向分量，i端為金屬橫刃微元力軸向分量。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是所述的初級參數(shù)主要包括鉆削時的轉(zhuǎn)速、 進(jìn)給率及刀具幾何參數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是所述的鉆頭為麻花鉆。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是所述的次級參數(shù)主要包括纖維方向角、切 削厚度、工作前角、工作后角和刃傾角。
【文檔編號】G06F19/00GK105912868SQ201610239660
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】齊振超, 丁力平, 陳文亮, 潘國威, 周平, 李志鵬, 劉斌彥
【申請人】南京航空航天大學(xué)