[发明专利]CFRP与钛合金叠层结构钻孔分层缺陷的预测方法

摘要

本发明提供一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔分层缺陷的预测方法，涉及碳纤维复合材料与钛合金叠层装配技术领域。该方法通过解析计算碳纤维复合材料产生分层缺陷的临界轴向力，建立碳纤维复合材料与钛合金叠层结构分层缺陷评价分析模型、平稳制孔初始阶段轴向切削力计算模型和轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型，依据当前钻头结构参数、制孔工艺参数和制孔数量等条件，判断钻孔过程能否产生分层缺陷，以及预测分析分层缺陷区域的最大直径。本发明能预测满足设定分层缺陷标准的最大钻孔数量，有效提高制孔刀具的使用寿命和叠层结构钻孔的合格率，防止因超过分层缺陷标准而导致的零件报废，节约生产成本。

主权项

1.一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔分层缺陷的预测方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：步骤1、设置分层缺陷要求，即许用的分层缺陷区域最大直径；步骤2、计算碳纤维复合材料产生分层缺陷的临界轴向切削力；步骤2.1、基于理论解析方法，建立碳纤维复合材料钻孔产生分层缺陷的临界轴向切削力计算公式，如式(1)所示；其中，F_A为钻孔轴向切削力，G_IC是单位面积上碳纤维复合材料裂纹的扩展能量，E为弯曲弹性模量，h为碳纤维复合材料单层厚度，v为泊松比；步骤2.2、采用超景深显微镜观察、测量复合材料板材，获得碳纤维复合材料板材单层厚度；步骤2.3、将复合材料板材单层厚度、碳纤维复合材料裂纹扩展能量、弹性模量和泊松比变量代入公式(1)计算公式，获得产生分层缺陷的临界轴向切削力；步骤3、计算平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力；步骤3.1、进行叠层结构钻孔正交试验，在钻孔进入平稳制孔阶段的初始时，采用测力仪采集、测量每组试验的钻孔轴向切削力，碳纤维复合材料和钛合金叠层结构钻孔达到平稳制孔初始阶段的标准为钻削5个或6个孔；步骤3.2、通过对步骤3.1的轴向切削力数据分析处理，建立与钻头螺旋角、顶角、外缘后角、制孔切削速度、制孔进给量相关的碳纤维复合材料钻孔切削力经验公式，如式(2)所示；其中，F_zsi为碳纤维复合材料钻孔平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力，β为钻头螺旋角，α_r为钻头外缘后角，为钻头顶角，Vc为钻孔切削速度，fr为钻孔每转进给量；步骤3.3、通过式(2)计算平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力；步骤4、计算随制孔数量变化的整个平稳制孔阶段的动态实时轴向切削力；步骤4.1、进行叠层结构连续钻削多孔试验，采用测力仪测量钻削每一孔的实时轴向切削力；步骤4.2、通过数据分析处理，得到轴向切削力与制孔数量的关系曲线，基于平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力，建立整个平稳制孔阶段切削力与制孔数量的线性映射关系公式，如式(3)所示；F_Nb＝1.136N+102.927+F_zsi                       (3)其中，F_Nb为钻孔过程动态实时轴向切削力，N为钻孔数量；步骤4.3、通过输入不同的制孔数量，计算动态实时的轴向切削力；步骤4.4、比较步骤4.3的动态实时切削力F_Nb与步骤1的临界切削力F_A，判断是否产生分层缺陷；如果F_Nb小于F_A，则不产生分层缺陷，增加制孔数量，继续执行步骤4.3；如果F_Nb大于或等于F_A，则产生分层缺陷，执行步骤5；步骤5、预测分层缺陷区域直径及最大制孔数量；步骤5.1、进行叠层结构连续钻削多孔试验，采用超声波检测复材分层缺陷区域的面积，同时采用测力仪测量钻孔的轴向切削力；步骤5.2、通过数据处理，采用理论解析方法，建立分层缺陷区域直径预测分析模型，该预测分析模型如式(4)所示；其中，D_m为分层缺陷区域最大直径，D为钻孔直径；步骤5.3、通过预测分析模型式(4)，预测分层缺陷区域的直径，并获得满足步骤1分层缺陷要求的最大制孔数量。