[发明专利]一种三尖钻旋转超声钻削碳纤维复合材料轴向力预测方法

权利要求书

1.一种三尖钻旋转超声钻削碳纤维复合材料轴向力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立并简化三尖钻几何模型：根据三尖钻的结构特征，将切削刃划分为第一切削刃(1)、第二切削刃(2)和极短的横刃，在预测模型构建中忽略横刃以达到简化计算的目的；

步骤2、建立两条切削刃上的轴向力微元表达式：对三尖钻切削刃上的轴向力进行分析，分别计算两条切削刃上的切削宽度的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系式，将上述关系式代入轴向力经典公式，得到两条切削刃上的轴向力微元表达式；所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1、三尖钻切削刃上的轴向力分析：切削刃上某一微元受到平行于切削速度的力F_C和垂直于切削速度的力F_T，其中F_T分解为径向力F_R和轴向力F_th，根据CFRP钻削的经典公式，F_C和F_T微元表达式为：

其中，τ₁，τ₂分别为平行于纤维方向的剪切强度和垂直于纤维方向的剪切强度，a_c为钻削层厚度，θ'为等效纤维切削角，dl为切削宽度的微分单元，β为摩擦角，γ_n为刀具的法向前角：

γ_n＝γ_f-ζ (2)

其中，γ_f和ζ分别为参考前角和参考角，β_r为螺旋角：

ζ＝tan^-1(tanω·cosκ) (3)

其中，κ是切削刃与钻头轴线的夹角，r和d分别为微分单元的等效半径和钻头直径，ω为等效半径与x轴的夹角，以钻头投影中心为原点创建坐标系，水平方向即为x轴；

等效纤维切削角θ'可由下式(4)计算

其中，θ₀为切削刃与纤维层的初始切削角，n为主轴转速，t为时间；

步骤2.2：计算两条切削刃上的切削宽度的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系：建立笛卡尔坐标系，根据第一切削刃(1)和第二切削刃(2)上的切削单元在水平面内的投影dx与dr的关系，利用刀具的钻心角，求得切削刃上的切削宽度的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系式；

(1)结合步骤1，横刃宽度被忽略，因而第一切削刃(1)上的切削单元在水平面内的投影dx与dr的关系为：

dx＝dr (5)

切削刃上切削宽度微分单元dl在笛卡尔坐标系中可表示为：

dl＝dx/sin(π-q) (6)

则第一切削刃(1)和第二切削刃(2)上的切削宽度的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系：

dl＝dr/sin(π-q) (7)

其中，q为第一切削刃(1)与轴线的夹角；

(2)相似的，第二切削刃(2)上的切削单元在水平面内的投影dx与dr的关系为：

dx＝dr (8)

切削刃上切削宽度微分单元dl在笛卡尔坐标系中可表示为：

dl＝dx/sinp (9)

P为第二切削刃(2)与轴线的夹角；

则第一切削刃(1)和第二切削刃(2)上的切削宽度的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系：

dl＝dr/sinp (10)

步骤2.3：得到两条切削刃上的轴向力微元表达式：分别将公式(5)、公式(6)和公式(10)代入公式(1)，得到两条切削刃上的F_T微元表达式：

两条切削刃上上的F_T与F_th关系为：

F_th1＝F_T1·sin(π-q)

F_th2＝F_T2·sinp (12)

将公式(12)代入(11)得两条切削刃上的轴向力微元表达式为

步骤3、建立旋转超声钻削切削层厚度与工艺参数的函数式：建立第一切削刃(1)和第二切削刃(2)轴向的运动轨迹方程，根据任意一次刀具与工件接触的轨迹方程与前一次刀具与工件接触的轨迹方程的差值，计算钻削碳纤维复合材料过程中的动态轴向钻削厚度a_c；再对动态钻削厚度进行分析，计算一个振动周期内的平均钻削厚度a_cav；

步骤4、建立两条切削刃上轴向力表达式：首先根据两条切削刃的投影长度，确定第一切削刃(1)和第二切削刃(2)上轴向力积分区间；接着，通过对步骤2中两条切削刃上的轴向力微元的积分分别得到两条切削刃上轴向力表达式；最后，将两部分轴向力叠加，得到稳定钻削时总的轴向力表达式；

步骤5、建立不确定因素系数K与工艺参数的映射关系：首先根据轴向力实验结果，计算各实验组对应的K值，然后运用偏最小二乘回归算法构建K值与各工艺参数的函数表达式，将K值函数式代入总的轴向力表达式，从而建立三尖钻旋转超声钻削碳纤维复合材料轴向力预测模型；

步骤6、根据已建立的三尖钻旋转超声钻削碳纤维复合材料轴向力预测模型，对实际加工中的轴向力进行预测。