[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

摘要

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，其特征是它包括以下步骤首先，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，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，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。本发明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，体现了叠层结构钻削力时丢失瞬时波动信息。

主权项

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，获取钻削所需的初级参数，将钻头主切削刃和横刃均划分为无限小的微元，由初级参数求解次级参数；其次，确定钻削过程中，钻头主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角；第三，计算钻头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钻头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，根据积分公式得到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Hply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κt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；第三，引入经典金属细观切削和复材细观切削的预测模型，并计算主切削刃切削金属时微元上的切削力：式中γα、γβ、ac、ω、ρ、κt、λs分别是钻头的前角、后角、切削厚度、半横刃宽度、极径、半锋角和刃倾角；分别为金属直角切削模型中的径向力和切向力；计算钻头主切削刃切削复合材料时微元上的切削力：式中θ为纤维方向角；分别为复合材料直角切削模型中的径向力和切向力；计算任意微元在钻头轴向的作用力：式中γd为切削角，可以表示为：式中：D为钻头直径；对设定的一段主切削刃上的微元轴向力进行积分，即可获得该切削刃的轴向切削力；其中：表示：主切削刃切削金属材料时轴向切削力，表示：主切削刃切削复合材料时轴向切削力；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；以横刃刚接触叠层结构表面为时间零点，即有t0＝0那么在恒速进给的前提下，可以得到式中：HC为复合材料板厚度；HM为金属板厚度；ZE为主切削刃沿钻头轴线的投影高度；为横刃斜角；阶段Ⅰ(t0～t1)积分上限和下限分别是：阶段Ⅱ(t1～t2)积分上限和下限分别是：LU＝R阶段Ⅲ(t2～t3)积分上下限与阶段Ⅱ相同，积分分界线是：阶段Ⅳ(t3～t4)积分上下限与阶段Ⅱ相同，阶段Ⅴ(t4～t5)积分上下限：第五，得到一个完整周期的瞬时钻削轴向力：式中：为复合材料主切削刃微元力轴向分量，为金属主切削刃微元力轴向分量，为复合材料横刃微元力轴向分量，为金属横刃微元力轴向分量。