[发明专利]一种机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层结构出口毛刺高度预测方法

摘要

本发明提出一种机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层结构出口毛刺高度预测方法，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，分别对主切削刃和横刃上的轴向力进行了分析与计算，结合机器人弱刚度系数K，建立机器人旋转超声钻削轴向力表达式；再次，分析铝合金出口毛刺的形成过程，确定毛刺生成的初始位置；接着，利用薄板变形理论计算轴向力引起的弯曲挠度，进而确定各个加工位置的变形量；然后，基于能量守恒理论解析临界屈服厚度；最后，通过体积守恒理论建立出口毛刺高度模型，并开展钻削实验验证模型的有效性。

主权项

1.一种机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层结构出口毛刺高度预测方法，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za(θ)和zb(θ)：首先根据麻花钻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za(θ)和zb(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、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，将切削刃分割为微元称之为切削单元，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4、建立钻削铝合金时钻头主切削刃上轴向力的数学模型：基于金属切削经典理论，结合步骤3得到的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系式，得到钻削铝合金时主切削刃上轴向力微元的数学模型，然后对整个切削刃进行积分得到主切削刃上的轴向力；步骤5、建立钻削铝合金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，建立钻削铝合金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6、建立机器人弱刚度系数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，从而建立机器人旋转超声钻削铝合金轴向力预测模型；步骤7、分析铝合金出口毛刺形成过程：根据材料力学金属屈服理论，将毛刺形成过程分为四个阶段，并对各阶段的力学特性进行表征，确定建立毛刺高度模型所需的临界屈服厚度；步骤8、计算钻削过程中工件的变形量：基于薄板弯曲理论，结合薄板弹性曲面微分方程，建立钻削轴向力作用下工件各处的挠度变形表达式；步骤9、基于能量守恒理论解析临界屈服厚度：首先，将毛刺形成过程中轴向力与钻入进给量的映射关系假设为一次函数，建立轴向力与进给量之间的映射关系，通过轴向力与进给量的积分计算钻削轴向力做功，接着，建立工件材料塑性形变做功以及毛刺形成所需总功的表达式，最后，根据钻削轴向力做功和形变做功相加等于总功，求解临界屈服厚度；步骤10、基于体积守恒理论建立毛刺厚度模型：根据毛刺的形成机理分析与材料断裂理论，结合体积守恒建立毛刺高度表达式；步骤11、根据已建立的机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层结构毛刺高度模型，对实际加工中的毛刺高度进行预测。