CN105912868A - 纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法 - Google Patents

Abstract

一种纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法，其特征是它包括以下步骤：首先，确定初级参数，将麻花钻主切削刃和横刃均划分为无限小的微元，求解次级参数。其次，确定钻削过程中，主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角。第三，计算主切削刃切削金属时微元上的切削力。第四，根据钻削过程中每个时刻切削刃和工件材料的相对状态，将叠层钻削过程划分为五个阶段，确定每个阶段的积分上下限。第五，根据积分公式计算一个完整周期的瞬时钻削轴向力。本发明充分考虑了纤维方向角对切削微元的影响，给出了叠层钻削全周期五阶段钻削轴向力预测方法，体现了叠层结构钻削力时丢失瞬时波动信息。

Description

纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测 方法

技术领域

本发明涉及一种机械加工技术，尤其是一种切削力预测方法，具体地说是一种纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法。

背景技术

在航空航天飞行器结构中，碳纤维增强复合材料逐步取代部分传统金属材料，形成大量的复合材料/金属叠层结构(以下简称叠层结构)。叠层结构的机械连接是目前装配中的主要连接工艺，需要使用麻花钻进行预制孔的加工。一方面复合材料由于其各向异性和非均质的特点，本身就属于难加工材料，容易出现分层、撕裂、磨损等问题，另一方面叠层材料的钻削工艺需要同时满足两种不同材料，因此叠层材料的钻削成为一项挑战性的任务。钻削力是联通钻削工艺和终孔质量的桥梁，是钻削工艺参数决策、加工质量控制的基本依据，高效、准确的叠层结构钻削力预测模型对保证终孔表面质量、延长刀具寿命以及提高装配效率具有重要的指导意义。

当前学者们对叠层结构钻削展开了基于试验观测的唯象研究，没有基于解析理论的钻削力预测建模研究。国内外对金属钻削力建模的研究较为成熟，一般采用微元法，将切削刃划分为足够小的微元，每个微元上采用经典剪切面模型预测微元力，然后将所有微元力积分叠加。对复合材料钻削力的研究起步较晚，基本思路是借鉴金属钻削力建模的方法，在微元上采用当量纤维方向角的概念均匀化差异性微元。这种方法处理较为简单，但不能如实反映纤维方向角对微元力的决定性影响，仅仅得到了钻削力平均曲线，丢失了瞬时波动的信息。

发明内容

本发明的目的是针对现有的钻削和预测模型为能适应叠层材料需要，因此直接影响叠层材料钻孔工艺参数决策的问题，为克服现有方法在预测叠层结构钻削力时丢失瞬时波动信息的不足，发明一种面向纤维增强复合材料/金属叠层结构的麻花钻钻削轴向力预测方法，它充分考虑了纤维方向角对切削微元的影响，给出了叠层钻削全周期五阶段钻削轴向力预测方法。

本发明的技术方案是：

一种纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法，其特征是：

首先，确定初级参数，将麻花钻主切削刃和横刃均划分为无限小的微元，根据经典金属钻削几何关系(参见文献Altintas Y(2012)Manufacturing automation:metalcutting mechanics,machine tool vibrations,and CNC design.Cambridge universitypress,Cambridge)由钻削初级参数求解次级参数。

其次，确定钻削过程中，主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角。

第三，引入经典金属细观切削和复材细观切削的预测模型(参见文献Guo DM,WenQ,Gao H,Bao YJ(2012)Prediction of the cutting forces generated in thedrilling of carbon-fibre-reinforced plastic composites using a twist drill.PI Mech Eng B-J Eng 226:28-42)，并计算主切削刃切削金属时微元上的切削力。

第四，根据钻削过程中每个时刻切削刃和工件材料的相对状态，将叠层钻削过程划分为五个阶段，确定每个阶段的积分上下限。

第五，根据积分公式计算一个完整周期的瞬时钻削轴向力。

具体步骤如下：

首先，获取钻削所需的初级参数，并将钻头主切削刃和横刃均划分为无限小的微元，根据经典金属钻削几何关系由钻削初级参数求解得到次级参数；

其次，确定钻削过程中，主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角θ；假设主切削刃上任意一点的极径为ρ，距离横刃的垂直高度为z，那么该点所处层距离表层的高度Hg为：

Hg＝ft-z

式中f为进给速度，t为钻削时间。

该点所处层距离表层的层数差距kp通过取整求得：

$kp=\[\frac{Hg}{H_{ply}}\]=\[\frac{ft-z}{H_{ply}}\]$

根据层数和CFRP的铺层方式确定该层的铺层角度g，求式中H_ply为复合材料单层厚度。

解得到任意微元处的纤维方向角：

$\mathrm{\θ}=arccos\frac{cos\mathrm{\ψ}}{\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\κ}}_t+{\sin }^2{\mathrm{\κ}}_t{\cos }^2\mathrm{\ψ}}}$

式中κ_t为钻头半锋角；ψ是横刃和纤维方向之间的平面角度，可以由下式求解：

ψ＝2πnt+ψ₀+g

其中ψ₀是钻头横刃接触CFRP表层时横刃和纤维方向之间的初始角度，取值为0到π；n为自然数；

第三，引入经典金属细观切削和复材细观切削的预测模型，并计算主切削刃切削金属时微元上的切削力：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dF}}_x^M=F_{x0}^M({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}},{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\β}},a_c\frac{\cos \left(\arcsin \frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\ρ}}\right)}{{\mathrm{sin\κ}}_t{\mathrm{cos\λ}}_s}d\mathrm{\ρ}){\mathrm{cos\λ}}_s\\ {\mathrm{dF}}_y^M=F_{x0}^M({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}},{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\β}},a_c,\frac{\cos \left(\arcsin \frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\ρ}}\right)}{{\mathrm{sin\κ}}_t{\mathrm{cos\λ}}_s}d\mathrm{\ρ}){\mathrm{sin\λ}}_s\\ {\mathrm{dF}}_z^M=F_z^M({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}},{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\β}},a_c\frac{\cos \left(\arcsin \frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\ρ}}\right)}{{\mathrm{sin\κ}}_t{\mathrm{cos\λ}}_s}d\mathrm{\ρ})\end{array}\right.$

式中γ_α、γ_β、a_c、ω、ρ、κ_t、λ_s分别是钻头的前角、后角、切削厚度、半横刃宽度、极径、半锋角和刃倾角；分别为金属直角切削模型中的径向力和切向力。

计算钻头主切削刃切削复合材料时微元上的切削力

式中θ为纤维方向角； 分别为复合材料直角切削模型中的径向力和切向力。

计算任意特定微元在钻头轴向的作用力

式中γ_d为切削角，可以表示为

式中：D为钻头直径。

对设定的一段主切削刃上的微元轴向力进行积分，即可获得该切削刃的轴向切削力；第四，根据钻削过程中每个时刻切削刃和工件材料的相对状态，将叠层钻削过程划分为五个阶段，确定每个阶段的积分上下限；

以横刃刚接触叠层结构表面为时间零点，即有

t₀＝0那么在恒速进给的前提下，可以得到

$t_4=\frac{H_C+H_M}{f}$

式中：H_C为复合材料板厚度；H_M为金属板厚度；Z_E为主切削刃沿钻头轴线的投影高度；为横刃斜角。

阶段Ⅰ(t₀～t₁)积分上限和下限分别是

阶段Ⅱ(t₁～t₂)积分上限和下限分别是

LU＝R

阶段Ⅲ(t₂～t₃)积分上下限与阶段Ⅱ相同，积分分界线是

阶段Ⅳ(t₃～t₄)积分上下限与阶段Ⅱ相同，阶段Ⅴ(t₄～t₅)积分上下限

第五，得到一个完整周期的瞬时钻削轴向力：

式中：为复合材料主切削刃微元力轴向分量，为金属主切削刃微元力轴向分量，为复合材料横刃微元力轴向分量，为金属横刃微元力轴向分量。

所述的初级参数主要包括钻削时的转速、进给率及刀具几何参数。

所述的钻头为麻花钻。

所述的次级参数主要包括切削厚度、工作前角、工作后角和刃倾角。本发明的有益效果：

本发明通过建立叠层结构全周期瞬时钻削力预测模型，克服了现有方法在预测叠层结构钻削力时丢失瞬时波动信息的不足。与现有复合材料钻削力预测方法相比，考虑了每个切削微元的纤维方向角实时变化，提高了复合材料钻削力预测精度；将钻削过程划分为五个阶段，展现了钻削过程中不同时刻切削刃和工件材料的不同切削状态，完成了叠层钻削全周期瞬时轴向力预测。通过调节工艺参数从而限定轴向力，适用于钻削过程中损伤尤其是分层损伤抑制。

附图说明

图1是纤维方向角随极径变化规律图。

图2是叠层结构钻削阶段划分示意图。

图3是实施实例叠层钻削轴向力预测曲线图。

图中：θ-纤维方向角；ρ-极径。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示。

一种纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法，它包括以下步骤：

首先，获取初级参数。CFRP铺层顺序为[0°/-45°/90°/45°]_5S，每层厚度0.125mm，总计厚度5mm，纵向杨氏模量为140GPa，横向杨氏模量8.5GPa，泊松比0.34；铝合金厚度为5mm，杨氏模量70GPa，泊松比0.34；钻头直径3.5mm，锋角118°，名义螺旋角30°，静态参考后角12°，横刃宽度0.7mm，横刃斜角126°；主轴转速4000r/min，进给0.06mm/s。将麻花钻主切削刃和横刃均划分为无限小的微元，根据经典金属钻削几何关系由钻削初级参数求解次级参数。

其次，确定钻削过程中，主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角，如图1所示。

第三，计算主切削刃切削金属时微元上的切削力。首先引入细观层面的切削力模型作为输入，引入经典铝合金直角切削模型(参见文献Altintas Y(2012)Manufacturingautomation:metal cutting mechanics,machine tool vibrations,and CNCdesign.Cambridge university press,Cambridge)：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{x0}^M=b{a}_c\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_M{\mathrm{sin\φ}}_M+{\mathrm{\σ}}_s{\mathrm{cos\φ}}_M}{{\mathrm{sin\φ}}_M}\right)\\ F_{z0}^M=b{a}_c\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_M{\mathrm{cos\φ}}_M-{\mathrm{\σ}}_s{\mathrm{sin\φ}}_M}{{\mathrm{sin\φ}}_M}\right)\end{array}\right.$

根据斜角变换关系，可以得到斜角切削公式：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x^M={\mathrm{ba}}_c\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_M{\mathrm{sin\φ}}_M+{\mathrm{\σ}}_M{\mathrm{cos\φ}}_M}{{\mathrm{sin\φ}}_M}\right)\\ F_y^M={\mathrm{ba}}_c{\mathrm{tan\λ}}_s\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_M{\mathrm{sin\φ}}_M+{\mathrm{\σ}}_M{\mathrm{cos\φ}}_M}{{\mathrm{sin\φ}}_M}\right)\\ F_z^M={\mathrm{ba}}_c\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_M{\mathrm{cos\φ}}_M-{\mathrm{\σ}}_M{\mathrm{sin\φ}}_M}{{\mathrm{sin\φ}}_M}\right)\end{array}\right.$

引入单向复合材料细观直角切削模型

计算任意设定微元在钻头轴向的作用力

对所设定的一段主切削刃上的微元轴向力进行积分，即可获得该切削刃轴向切削力。

第四，根据钻削过程中每个时刻切削刃和工件材料的相对状态，将叠层钻削过程划分为五个阶段，如图2所示。确定每个阶段的积分上下限。

以横刃刚接触叠层结构表面为时间零点，即有t₀＝0那么在恒速进给的前提下，可以得到

阶段Ⅰ(t₀～t₁)积分上限和下限分别是：

阶段Ⅱ(t₁～t₂)积分上限和下限分别是

LU＝R＝1.75mm

阶段Ⅲ(t₂～t₃)积分上下限与阶段Ⅱ相同，积分分界线是

$LM=\mathrm{\ρ}\left(t\right)=\sqrt{{\[0.0999(t-0.78)+0.2543\]}^2+0.1225}mm$

阶段Ⅳ(t₃～t₄)积分上下限与阶段Ⅱ相同，阶段Ⅴ(t₄～t₅)积分上下限

$LD=\mathrm{\ρ}\left(t\right)=\sqrt{{\[0.0999(t-7.50)+0.2543\]}^2+0.1225}mm$

LU＝R＝1.75mm

第五，根据分段函数各自积分计算出一个完整周期的瞬时钻削轴向力，计算公式如下：

计算结果如图3所示。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法，其特征是：

首先，获取钻削所需的初级参数，将钻头主切削刃和横刃均划分为无限小的微元，由初级参数求解次级参数；

其次，确定钻削过程中，钻头主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角；

第三，计算钻头主切削刃切削金属时微元上的切削力；

第四，根据钻削过程中每个时刻钻头切削刃和工件材料的相对状态，将叠层钻削过程划分为五个阶段，确定每个阶段的积分上下限；

第五，根据积分公式得到一个完整周期的瞬时钻削轴向力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是它包括以下具体步骤：

首先，获取钻削所需的初级参数，并将钻头主切削刃和横刃均划分为无限小的微元，根据经典金属钻削几何关系由钻削初级参数求解得到次级参数；

其次，确定钻削过程中，主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角θ；假设主切削刃上任意一点的极径为ρ，距离横刃的垂直高度为z，那么该点所处层距离表层的高度Hg为：

Hg＝ft-z

式中f为进给速度，t为钻削时间；

该点所处层距离表层的层数差距kp通过取整求得：

$kp=\[\frac{Hg}{H_{ply}}\]=\[\frac{ft-z}{H_{ply}}\]$

根据层数和CFRP的铺层方式确定该层的铺层角度g，求式中H_ply为复合材料单层厚度；

解得到任意微元处的纤维方向角：

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{cos\mathrm{\ψ}}{\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\κ}}_t+{\sin }^2{\mathrm{\κ}}_t{\cos }^2\mathrm{\ψ}}}$

式中κ_t为钻头半锋角；ψ是横刃和纤维方向之间的平面角度，可以由下式求解：

ψ＝2πnt+ψ₀+g

其中ψ₀是钻头横刃接触CFRP表层时横刃和纤维方向之间的初始角度，取值为0到π；n为自然数；

第三，引入经典金属细观切削和复材细观切削的预测模型，并计算主切削刃切削金属时微元上的切削力：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dF}}_x^M=F_{x0}^M\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}},{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\β}},a_c,\frac{\cos \left(\arcsin \frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\ρ}}\right)}{{\mathrm{sin\κ}}_t{\mathrm{cos\λ}}_s}d\mathrm{\ρ}\right){\mathrm{cos\λ}}_s\\ {\mathrm{dF}}_y^M=F_{x0}^M\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}},{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\β}},a_c,\frac{\cos \left(\arcsin \frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\ρ}}\right)}{{\mathrm{sin\κ}}_t{\mathrm{cos\λ}}_s}d\mathrm{\ρ}\right){\mathrm{sin\λ}}_s\\ {\mathrm{dF}}_z^M=F_z^M\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}},{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\β}},a_c,\frac{\cos \left(\arcsin \frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\ρ}}\right)}{{\mathrm{sin\κ}}_t{\mathrm{cos\λ}}_s}d\mathrm{\ρ}\right)\end{array}\right.$

式中γ_α、γ_β、a_c、ω、ρ、κ_t、λ_s分别是钻头的前角、后角、切削厚度、半横刃宽度、极径、半锋角和刃倾角；分别为金属直角切削模型中的径向力和切向力；

计算钻头主切削刃切削复合材料时微元上的切削力：

式中θ为纤维方向角； 分别为复合材料直角切削模型中的径向力和切向力；

计算任意微元在钻头轴向的作用力：

式中γ_d为切削角，可以表示为：

式中：D为钻头直径；

对设定的一段主切削刃上的微元轴向力进行积分，即可获得该切削刃的轴向切削力；其中：表示：主切削刃切削金属材料时轴向切削力，表示：主切削刃切削复合材料时轴向切削力；

第四，根据钻削过程中每个时刻切削刃和工件材料的相对状态，将叠层钻削过程划分为五个阶段，确定每个阶段的积分上下限；

以横刃刚接触叠层结构表面为时间零点，即有

t₀＝0那么在恒速进给的前提下，可以得到

式中：H_C为复合材料板厚度；H_M为金属板厚度；Z_E为主切削刃沿钻头轴线的投影高度；为横刃斜角；

阶段Ⅰ(t₀～t₁)积分上限和下限分别是：

阶段Ⅱ(t₁～t₂)积分上限和下限分别是：

LU＝R

阶段Ⅲ(t₂～t₃)积分上下限与阶段Ⅱ相同，积分分界线是：

阶段Ⅳ(t₃～t₄)积分上下限与阶段Ⅱ相同，阶段Ⅴ(t₄～t₅)积分上下限：

LU＝R第五，得到一个完整周期的瞬时钻削轴向力：

式中：为复合材料主切削刃微元力轴向分量，为金属主切削刃微元力轴向分量，为复合材料横刃微元力轴向分量，为金属横刃微元力轴向分量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的初级参数主要包括钻削时的转速、进给率及刀具几何参数。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的钻头为麻花钻。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的次级参数主要包括纤维方向角、切削厚度、工作前角、工作后角和刃倾角。