[发明专利]旋转超声钻削 CFRP/Al 的全过程轴向力预测方法

说明书

本发明提出一种旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程轴向力预测方法，首先建立两个主切削刃轴向的运动轨迹方程，并得到钻削过程中的动态钻削厚度和一个振动周期内的平均钻削厚度；其次，对主切削刃和横刃上的轴向力进行了分析与计算，分别建立钻削CFRP时主切削刃上的轴向力微元和横刃上的轴向力微元表达式以及钻削Al时主切削刃上的轴向力微元和横刃上的轴向力微元表达式；再次将钻削全过程划分为钻入CFRP阶段、稳定钻削CFRP阶段、钻削CFRP/Al临界阶段、稳定钻削Al阶段和钻出Al阶段，针对各阶段的加工特性，分别建立五个阶段的轴向力预测模型，最终实现旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程轴向力预测。

技术领域

本发明属于旋转超声钻削加工技术领域，特别是一种旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构的全过程轴向力预测方法。

背景技术

碳纤维复合材料(简称CFRP)由于具有轻质、高比强度、高比刚度等优良的机械性能，在现代制造业(例如军用飞机、航天飞机、船舶、汽车的制造)中得到越来越广泛的应用。由于目前金属材料还不能被完全替代，大量CFRP/金属的叠层结构出现在这些产品中，其中CFRP/Al(铝)叠层的应用最为普遍。CFRP/Al 叠层结构需要利用螺栓或铆钉装配在一起，这就需要在连接处加工出大量的连接孔。为了提高装配精度和效率，连接孔采用叠层形式加工。叠层结构的钻削过程可以分为钻入CFRP阶段、稳定钻削CFRP阶段、钻削CFRP/Al临界阶段、稳定钻削Al阶段和钻出Al阶段五个阶段。第一阶段钻入CFRP时，由于材料呈各向异性，极易产生孔口撕裂损伤；第二阶段稳定钻削CFRP时，由于该材料层间强度低、导热性差，极易产生分层损伤；第三阶段钻削CFRP/Al临界部分时，由于切削CFRP产生粉末淤积在CFRP板和Al板之间的间隙中，导致Al板入口的加工质量恶化。第四阶段和第五阶段，由于Al板的刚性较弱，极易在Al板出口处产生需要二次去除的长毛刺。以上为叠层结构钻削中存在的主要问题，会严重降低材料的力学性能和零部件的使用性能。轴向力的大小是决定上述损伤的关键因素之一，因此通过控制轴向钻削力可以有效减少叠层结构加工损伤。现有研究显示，旋转超声钻削技术是解决这一问题的理想途径。

为了实现控制轴向钻削力的目的，必然要建立旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构的轴向力预测模型。目前已有的基于理论分析的旋转超声钻削力模型，例如文献Chang S SF,Bone G M.Thrust force model for vibration-assisted drilling of aluminum6061-T6[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2009, 49(14):1070-1076.发表了一种基于材料Al的力学特性的数学模型，考虑到了超声振动参数、加工参数和刀具结构对钻削力的影响，但是该模型只适用于单层切削Al的条件下，并不能用于超声条件下CFRP/Al叠层结构钻削轴向力的预测。由于 CFRP去除机理和其他材料完全不同，且CFRP/Al叠层结构具有特殊性，目前研究中建立的数学模型不适用于预测CFRP/Al叠层结构钻削过程的轴向力。因此，对旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构轴向力方面的研究还存在不足，所建的模型适用性较差，预测精度欠佳。

发明内容

本发明的目的旨在解决现有轴向力建模中，未能考虑到整个叠层结构钻削轴向力的建模，导致预测精度不准的问题，提出了一种旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程轴向力预测方法，能够提高CFRP/Al叠层结构旋转超声钻削过程中轴向力预测的准确度。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种旋转旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程轴向力预测方法，包括以下步骤：