[发明专利]旋转超声钻削 CFRP/Al 的全过程轴向力预测方法

摘要

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。

主权项

一种旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程轴向力预测方法，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z1(θ)和z2(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z1(θ)和z2(θ)；步骤2、计算钻削过程中的动态轴向钻削厚度hD和一个振动周期内的平均钻削厚度hDav：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hD；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hDav；步骤3、计算CFRP纤维切削角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：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、建立钻削CFRP时钻头主切削刃上轴向力微元的数学模型：根据刀具钻头结构得到刀具法向前角γn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，得到钻削CFRP时主切削刃上轴向力微元的数学模型；步骤6、建立钻削Al时钻头主切削刃上轴向力微元的数学模型：基于金属切削经典理论，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，得到钻削Al时主切削刃上轴向力微元的数学模型；步骤7、建立钻削CFRP时钻头横刃上的轴向力数学模型：由赫兹接触理论，把横刃压入材料部分近似为半径为re的圆柱体，根据半径re、横刃压入材料宽度的一半a、刀具的楔形角γw求得钻头横刃上的轴向力步骤8、建立钻削Al时钻头横刃上的轴向力数学模型：首先根据横刃压入工件的几何模型和金属材料力学分析，建立钻削Al横刃上的轴向力微元然后对整个横刃进行积分得到横刃上的轴向力步骤9、建立旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构五个阶段的轴向力模型：针对各阶段的加工特性，采用几何解析方法分别建立五个阶段主切削刃上的轴向力积分区间，积分得到主切削刃上的轴向力，接着，通过横刃切削区域分别确定横刃上轴向力，然后，综合主切削刃和横刃上的轴向力获得五个阶段的总轴向力；步骤10、建立旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程的轴向力模型：基于每个阶段切削时间的叠加，将以上五个阶段的预测模型合并成全过程的轴向力模型；步骤11、根据已建立的旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程的轴向力模型，对实际加工中的轴向力进行预测。