[发明专利]CFRP与钛合金叠层结构钻孔方法

说明书

本发明提供一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔方法，涉及碳纤维复合材料与钛合金叠层装配技术领域。该方法综合考虑复材钻孔缺陷、钻孔刀具后刀面磨损和钻孔刀具使用寿命等约束，依据当前钻头结构参数、复材分层/撕裂缺陷标准和制孔数量，优化钻孔的切削速度和进给量。本发明能有效提高CFRP与钛合金叠层结构钻孔效率，降低零件的不合格率和报废率，并使制孔刀具发挥出最大的钻孔能力。

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料与钛合金叠层装配技术领域，尤其涉及一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔方法。

背景技术

碳纤维复合材料(CFRP)具有密度低、强度高、比强度大、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车、导弹等领域得到广泛的应用。例如，波音787客机机身表面90％都采用了碳纤维复合材料，我国新型航空飞行器也逐渐增加碳纤维复合材料使用的比例，航空飞行器复合材料及钛合金的应用比例已经成为衡量其先进性的重要指标之一。

随着先进航空飞行器广泛使用碳纤维复合材料，碳纤维复合材料与钛合金叠层装配结构的制孔需求越来越大，波音787客机装配需要加工400万个碳纤维复合材料与钛合金叠层结构孔。由于碳纤维复合材料与钛合金的难加工特性及其相互制约、影响，制孔过程存在着制孔效率低、制孔质量不易保证、零件不合格率和报废率难以控制的突出问题。

碳纤维复合材料与钛合金叠层结构钻孔条件复杂，由于缺少有效的叠层结构钻孔工艺优化方法，工艺设计和操作人员难以选择与当前钻头几何参数、钻孔刀具磨钝标准、复材分层/撕裂缺陷标准等因素相匹配的钻孔切削速度和每转进给量。采用不合理的钻孔工艺，导致钻孔刀具的快速磨损、复材缺陷超出允许的缺陷标准、钻孔刀具有效使用寿命的降低。

针对碳纤维复合材料与钛合金叠层结构钻孔工艺的优化方法，国内外进行了大量的研究工作，提出了基于制孔试验、遗传算法、神经元网络等方法的钻孔工艺参数优化方法和变工艺参数等优化方法。这些优化方法存在以下不足：(1)没有考虑钻头螺旋角、顶角、外缘后角等结构几何参数对钻孔工艺的影响，因而不能根据钻头结构的变化合理优化叠层结构的制孔工艺参数；(2)约束条件不全面，优化结果不能综合反映叠层结构钻孔过程复材缺陷、钻头后刀面磨损、刀具寿命对叠层结构钻孔工艺参数的影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔方法，综合考虑复材钻孔缺陷、钻孔刀具后刀面磨损和钻孔刀具使用寿命等约束，依据当前钻头结构参数、复材分层/撕裂缺陷标准和制孔数量，优化钻孔的切削速度和进给量，能有效提高叠层结构钻孔效率，降低零件的不合格率和报废率，并使制孔刀具发挥出最大的钻孔能力。

一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔方法，具体步骤如下：

步骤1、设置分层缺陷和撕裂缺陷的标准，即分层缺陷区域的最大直径和撕裂缺陷区域的最大直径；

步骤2、设置叠层结构钻孔钻头磨钝标准为钻头后刀面磨损值VB不大于0.08mm；

步骤3、设置叠层结构优化范围，即最大钻孔数量与最小钻孔数量、最大许用切削速度与最小许用切削速度和最大许用每转进给量与最小许用每转进给量；

步骤4、输入钻孔数量；

步骤5、输入切削速度和每转进给量；

步骤6、如果输入的切削速度和每转进给量分别小于等于步骤3设置的最大许用切削速度和最大许用每转进给量，则执行步骤7，否则执行步骤14；

步骤7、根据叠层结构钻孔平稳初始阶段钻孔动态实时轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型，计算动态实时轴向切削力；所述钻孔动态实时轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型如式(1)所示；

F_z＝1.136N+102.927+F_zf (1)