[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

摘要

本发明提出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，首先基于三尖钻独有的结构特征，建立并简化钻头几何模型；其次，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与钻头半径的微分单元的关系，建立两条切削刃上的轴向力微元表达式；再次，根据旋转超声钻削的运动学特性，建立该加工方式下切削层厚度与工艺参数(包含超声振动参数)的函数式；接着引入不确定因素系数K，通过统计学方法获得K与加工参数的映射关系；最终，组合不稳定系数与稳定钻削的轴向力预测模型实现三尖钻旋转超声钻削CFRP轴向力的有效预测。

主权项

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；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。