[发明专利]纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械加工技术，尤其是一种切削力预测方法，具体地说是一种纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法。

背景技术

在航空航天飞行器结构中，碳纤维增强复合材料逐步取代部分传统金属材料，形成大量的复合材料/金属叠层结构(以下简称叠层结构)。叠层结构的机械连接是目前装配中的主要连接工艺，需要使用麻花钻进行预制孔的加工。一方面复合材料由于其各向异性和非均质的特点，本身就属于难加工材料，容易出现分层、撕裂、磨损等问题，另一方面叠层材料的钻削工艺需要同时满足两种不同材料，因此叠层材料的钻削成为一项挑战性的任务。钻削力是联通钻削工艺和终孔质量的桥梁，是钻削工艺参数决策、加工质量控制的基本依据，高效、准确的叠层结构钻削力预测模型对保证终孔表面质量、延长刀具寿命以及提高装配效率具有重要的指导意义。

当前学者们对叠层结构钻削展开了基于试验观测的唯象研究，没有基于解析理论的钻削力预测建模研究。国内外对金属钻削力建模的研究较为成熟，一般采用微元法，将切削刃划分为足够小的微元，每个微元上采用经典剪切面模型预测微元力，然后将所有微元力积分叠加。对复合材料钻削力的研究起步较晚，基本思路是借鉴金属钻削力建模的方法，在微元上采用当量纤维方向角的概念均匀化差异性微元。这种方法处理较为简单，但不能如实反映纤维方向角对微元力的决定性影响，仅仅得到了钻削力平均曲线，丢失了瞬时波动的信息。

发明内容

本发明的目的是针对现有的钻削和预测模型为能适应叠层材料需要，因此直接影响叠层材料钻孔工艺参数决策的问题，为克服现有方法在预测叠层结构钻削力时丢失瞬时波动信息的不足，发明一种面向纤维增强复合材料/金属叠层结构的麻花钻钻削轴向力预测方法，它充分考虑了纤维方向角对切削微元的影响，给出了叠层钻削全周期五阶段钻削轴向力预测方法。

本发明的技术方案是：

一种纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法，其特征是：

首先，确定初级参数，将麻花钻主切削刃和横刃均划分为无限小的微元，根据经典金属钻削几何关系(参见文献Altintas Y(2012)Manufacturing automation:metal cutting mechanics,machine tool vibrations,and CNC design.Cambridge university press,Cambridge)由钻削初级参数求解次级参数。

其次，确定钻削过程中，主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角。

第三，引入经典金属细观切削和复材细观切削的预测模型(参见文献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 Eng226:28-42)，并计算主切削刃切削金属时微元上的切削力。

第四，根据钻削过程中每个时刻切削刃和工件材料的相对状态，将叠层钻削过程划分为五个阶段，确定每个阶段的积分上下限。

第五，根据积分公式计算一个完整周期的瞬时钻削轴向力。

具体步骤如下：

首先，获取钻削所需的初级参数，并将钻头主切削刃和横刃均划分为无限小的微元，根据经典金属钻削几何关系由钻削初级参数求解得到次级参数；

其次，确定钻削过程中，主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角θ；假设主切削刃上任意一点的极径为ρ，距离横刃的垂直高度为z，那么该点所处层距离表层的高度Hg为：

Hg＝ft-z

式中f为进给速度，t为钻削时间。

该点所处层距离表层的层数差距kp通过取整求得：

根据层数和CFRP的铺层方式确定该层的铺层角度g，求式中H_ply为复合材料单层厚度。

解得到任意微元处的纤维方向角：

式中κ_t为钻头半锋角；ψ是横刃和纤维方向之间的平面角度，可以由下式求解：

ψ＝2πnt+ψ₀+g

其中ψ₀是钻头横刃接触CFRP表层时横刃和纤维方向之间的初始角度，取值为0到π；n为自然数；