[发明专利]一种超声振动辅助钻削CFRP的轴向力预测方法

摘要

本发明提出一种超声振动辅助钻削CFRP的轴向力预测方法，首先根据超声振动条件下钻削特点，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；其次根据麻花钻的主切削刃和横刃在钻削过程中起到的作用不同，分别对主切削刃和横刃上的轴向力进行了分析与计算，计算CFRP纤维切削角，建立主切削刃上的切削宽度的微分单元与钻头半径的微分单元的关系；最后根据建立的主切削刃上轴向力和建立的刀具横刃上的轴向力获得总的轴向力，对不同参数下的轴向力进行预测；利用本发明的预测方法，其预测结果更加符合实际加工状况，提高了预测精度。

主权项

1.一种超声振动辅助钻削CFRP的轴向力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立两个主切削刃轴向的运动轨迹方程z_a(θ)和z_b(θ)：首先根据钻头轴向所加的超声振动的轨迹方程得到钻头主切削刃上任意一点的轴向运动的轨迹方程，再根据钻头转过的角度和时间的关系，得到钻头轴向运动的轨迹方程；最终根据标准麻花钻两主切削刃转过的角度相差π，分别建立两主切削刃轴向的运动的轨迹方程z_a(θ)和z_b(θ)；其中，θ为钻头转过的角度；F为超声振动频率；A为超声振幅；v_f为进给速度；n为转速；步骤2、计算钻削CFRP过程中的动态轴向钻削厚度h_D和一个振动周期内的平均钻削厚度h_Dav：首先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CFRP过程中的动态轴向钻削厚度h_D；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h_Dav；步骤3、计算CFRP纤维切削角θ'；将主切削刃切削多向纤维铺层的CFRP假设为单向纤维铺层的CFRP，根据主切削刃在刀具端面内的投影在t时刻与纤维方向的夹角公式得到实际切削方向与纤维方向的夹角表达式；步骤4、建立主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：即建立笛卡尔坐标系，根据主切削刃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，求得主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；步骤5、建立主切削刃上轴向力F_lipth的数学模型：将刀具上总的切削力可以分解为平行于切削速度方向的力F_C和垂直于 切削速度方向的力F_T，根据刀具钻头结构得到刀具法向前角γ_n与刀具前角和参考角的关系式；再根据上述步骤3得到的实际切削方向与纤维方向的夹角表达式，并结合步骤4得到的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系式，最后综合本步骤得到的垂直于 切削速度方向的力F_T得到一条主切削刃的轴向力，再根据标准麻花钻具有两条主切削刃进一步得到总的轴向力F_lipth；步骤6、建立刀具横刃上的轴向力F_chi数学模型：把横刃压入材料部分近似为半径为r_e的圆柱体，根据半径r_e、横刃压入材料宽度的一半a、刀具的楔形角γ_w求得刀具横刃上的轴向力F_chi；步骤7、根据主切削刃上的轴向力与横刃上轴向力的合成获得总的轴向力F_th数学模型，对不同参数下的轴向力进行预测；其中，d为刀具的直径；r主切削刃上某点半径；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为钻削厚度，β为摩擦角，γ_n为刀具的法向前角；E₃为厚度方向的弹性模量，ν为泊松比；w是横刃厚度的一半，w是横刃厚度的一半。