[发明专利]CFRP与钛合金叠层结构铰孔刀具寿命的预测方法

说明书

本发明提供一种CFRP与钛合金叠层结构铰孔刀具寿命的预测方法，涉及碳纤维复合材料与钛合金叠层装配技术领域。该方法建立了CFRP与钛合金叠层结构铰孔孔径尺寸误差分析模型、铰刀后刀面磨损(VB值)分析模型，采用多种指标评价铰刀刀具寿命，综合考虑了叠层结构铰孔过程中孔径尺寸精度和铰孔刀具后刀面磨损两种约束，依据当前铰刀结构参数和制孔工艺参数，预测分析铰刀的有效使用寿命。本发明提供的方法铰刀使用寿命预测结果准确性高，能有效的预测叠层结构铰孔的最大制孔数量，降低因超出刀具寿命而导致的零件不合格率和报废率，并使制孔刀具发挥出最大的铰孔能力。

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与钛合金叠层结构铰孔刀具寿命的预测方法。

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刀具寿命低、制孔质量不易保证、零件报废率难以控制的突出问题。据报道，国内外飞机组装过程中，因制孔加工产生的复材分层/撕裂缺陷而导致报废的碳纤维复合材料零件数量占全部报废零件的60％以上。

碳纤维复合材料与钛合金叠层结构铰孔条件复杂，铰刀结构参数和铰孔工艺参数对铰刀刀具寿命影响较大，铰孔刀具使用寿命难以准确预测。由于缺少有效的叠层结构铰孔刀具寿命预测方法，操作人员难以判断在当前铰孔条件下，铰刀何时达到使用寿命极限。为了避免因超过刀具有效使用寿命而导致的低合格率和高零件报废率，只能根据经验减少制孔数量，因此极大的降低了铰孔刀具的有效使用寿命，人为提高了制孔成本。

针对碳纤维复合材料与钛合金叠层结构铰孔刀具寿命的预测方法，国内外进行了大量的研究工作，提出了面向铰孔质量、后刀面磨损等评价指标的铰刀寿命预测方法。这些预测方法存在以下不足：(1)现有预测方法仅适用于碳纤维复合材料单独铰孔条件，没有提出碳纤维复合材料与钛合金叠层结构铰孔条件下有效的铰刀寿命预测方法，由于没有考虑叠层结构铰孔过程中钛合金材料对铰孔刀具磨损的影响以及复合材料对钛合金铰削排屑的阻碍影响，因而这些预测方法不适用于叠层结构；(2)现有预测方法基于单一刀具寿命评价指标进行使用寿命的预测，预测结果不能综合反映达到使用寿命极限后铰孔过程孔径尺寸误差和刀具后刀面磨损情况。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种CFRP与钛合金叠层结构铰孔刀具寿命的预测方法，综合考虑孔径尺寸精度和铰孔刀具后刀面磨损两种约束，能有效的预测CFRP与钛合金叠层结构铰孔的最大制孔数量，降低因超出刀具寿命而导致的零件不合格率和报废率，并使制孔刀具发挥出最大的铰孔能力。

一种CFRP与钛合金叠层结构铰孔刀具寿命的预测方法，具体步骤如下：

步骤1、设置叠层结构铰孔孔径尺寸精度标准；

步骤2、设置叠层结构铰孔铰刀磨钝标准为铰刀后刀面磨损值VB不大于0.06mm；

步骤3、设置并输入初始铰孔数量；

步骤4、根据叠层结构平稳铰孔阶段孔径尺寸误差随铰孔数量变化的映射关系模型，计算在当前铰刀结构几何参数、铰孔工艺参数和铰孔数量条件下的孔径尺寸误差；所述孔径尺寸误差随铰孔数量变化的映射关系模型如式(1)所示；

D＝1.214N+0.15216+D_f (1)