CN105930569A

CN105930569A - 控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法

Info

Publication number: CN105930569A
Application number: CN201610236333.3A
Authority: CN
Inventors: 姚振强; 胡永祥; 宋尧
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2036-04-15
Also published as: CN105930569B

Abstract

本发明提出一种控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法，利用钻削力经验公式和钻削力试验数据，通过数学统计学方法确定钻削力经验公式中的待定系数，获得待优化工况加工过程的钻削力可信预测值，根据现有的理论建立层叠板变形理论模型，通过搜索调试的方式确定层叠板变形理论模型的叠层板相互挤压的挤压区域范围，得到层间间隙最大值与压紧力大小的函数关系，结合给定的层间间隙控制目标阈值，对压紧力大小进行参数优化，即可获得最优的压紧力。本发明通过调整可获得最优的压紧力，使叠层板的层间间隙降低到理想的范围内，从而可以有效的控制层间毛刺的高度，同时又尽可能的避免了由压紧带来的副作用。

Description

控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法

技术领域

本发明涉及叠层板结构钻孔技术，特别涉及的是一种控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法。

背景技术

飞机的生产过程主要包括零部件生产和飞机机体装配，其中装配质量直接影响飞机使用性能和安全性能。机体装配会消耗大量的人力和生产成本，据统计，其工作量最高可占到飞机制造总体工作量的40％～50％。飞机机身、机翼等部件之间的定位和联接大量使用铆接，而钻孔作为铆接的前道工序直接影响了铆接的质量。据统计，70％的飞机机体疲劳失效事故起始于结构连接部位，其中80％的疲劳裂纹产生于连接孔处。

钻孔的过程中总会产生毛刺，其存在容易引起孔壁疲劳裂纹的产生，本身也会划伤紧贴的其它零件的表面，脱落后甚至还可能导致周围电子器件的短路。所以飞机连接孔的毛刺是飞机制造和装配过程中必须要控制的关键因素。对于简单的单层结构而言，毛刺均产生在工件外表面，可以很方便的去除。而对于飞机机身、机翼和机尾各部件连接处经常出现的叠层式结构，如图1所示，例如纵向搭接叠层板或横向搭接叠层板，当钻头进入叠层材料的其中一层时，各层薄壁材料由于自身材料属性和受力不同而产生不同的挠曲变形，随之产生的局部层间间隙，为层间毛刺的生长提供空间，从而无法避免的出现层间毛刺；当层间毛刺的高度超出了加工精度的要求，就必须拆除工装分层并完全去除，额外增加了装配的工装时间和成本，大大影响了效率。所以如何有效的控制层间毛刺的生长，节省额外的装配成本，成为了飞机装配需要解决的一个重要的问题。

目前针对叠层材料层间毛刺的有效控制，国内外还没有比较通用和成熟的解决方案。大量试验表明，层间毛刺高度主要受到钻削过程中层间间隙大小的影响，所以有效的控制层间间隙的大小，对控制层间毛刺高度具有重要的意义。国内外已经有学者发现，可以使用简单的压紧装置，对钻孔区域附近施加一定的压紧力，来减小毛刺尺寸。例如中国专利局公开的公开号为CN102303261A的发明申请文件中，提出了一种压紧结构，可以适应复杂的待加工曲面，并施加压紧力；但是如何获得合适的压紧力，其并没有提出成熟有效的方法。此外，目前的自动化制孔设备并不能自动化的针对不同的材料、钻削参数等完成压紧力的选择，而必须要依靠装配现场的经验进行调整，或者只能选择固定不变的压紧力，控制压紧力的效率不稳定，而且容易引起过压紧或压紧不足等的问题。

综上，叠层板钻削过程中，控制层间间隙的最大值，对于控制层间毛刺的高度有决定性的作用，通过施加合适的压紧力，可以将层间间隙最大值限制在要求的范围之内，进而也就使得层间毛刺得到有效的控制。所以高效的压紧力自动化优化方法，对于飞机叠层板制孔而言愈发不可或缺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法，通过调整可获得最优的压紧力，使叠层板的层间间隙降低到理想的范围内，从而可以有效的控制层间毛刺的高度，同时又尽可能的避免了由压紧带来的副作用。

为解决上述问题，本发明提出一种控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法，包括以下步骤：

S1：根据钻削力经验公式和钻削力试验数据，确定钻削力预测公式，以获得在与钻削力试验数据相同的钻削硬件条件下的待优化工况的钻削力可信预测值；

S2：根据薄板静力变形假设和经典板壳理论，建立层叠板变形理论模型，分别得到上层板、下层板的变形挠度的数学关系，从而获得在钻削力和压紧力作用下层叠板的层间间隙最大值与压紧力的初步数学关系，所述钻削力可信预测值和待调整压紧力作为所述初步数学关系的输入值，层间间隙最大值作为输出值；

S3：在上层板、下层板接触的部分满足变形完全相同的条件下，搜索获得层叠板的挤压区域范围，结合初步数学关系确定上下层板挠度与压紧力的关系曲线，以获得关于层间间隙最大值与压紧力的函数关系；

S4：对关于层间间隙最大值与压紧力的函数关系，进行参数优化，以获得调整后的作用到层叠板上的压紧力。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S1中，所述钻削力经验公式为

F = C_{1} f^{y_{F}} v^{n_{F}}

其中，C₁、y_F和n_F均为待定系数，f为进给率，v为刀具转速，F为钻削力；所述进给率、刀具钻速和钻削力为钻削力试验数据。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S1中，利用最小二乘法或高斯过程，通过多组钻削力试验数据对所述钻削力经验公式进行数据拟合，从而确定钻削力经验公式中的待定系数，以获得钻削力预测公式。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S1中，所述钻削硬件条件至少包括钻头类型、叠层板的材料。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S2中，上层板和下层板均为圆形薄板，圆形薄板的弹性模量和泊松比分别为E和v，上层板和下层板的变形挠度的数学关系为：

(\frac{d^{2}}{{dr}^{2}} + \frac{1}{r} \frac{d}{d r}) (\frac{d^{2} w (r)}{{dr}^{2}} + \frac{1}{r} \frac{d w (r)}{d r}) = \frac{q (r)}{D}

其中，0≤r≤R，R为圆形薄板的半径；w(r)表示薄板在半径r处的挠度；q(r)表示作用于圆形薄板的轴对称分布力；D是一个表示薄板属性的常数，表达为

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S2中，结合上层板、下层板各处的边界条件及上下层板间相互挤压出应满足的条件，求解根据上层板和下层板的变形挠度的数学关系获得的方程组，以获得在钻削力和压紧力作用下层叠板的层间间隙最大值与压紧力的初步数学关系。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S3中，在上层板、下层板接触的部分满足变形完全相同的条件下，搜索获得层叠板的挤压区域范围包括：

假定挤压区域范围为最小值或接近最小值或预设值，代入至所述初步数学关系中进行计算，若实际挤压区域范围小于假定的挤压区域范围，则计算获得的下层板挠度曲线在某些区域出现在上层挠度曲线之上；

扩大假定的挤压区域范围，重新代入至所述初步数学关系中进行计算，直至下层板挠度曲线处处低于上层板挠度曲线，从而确定初步数学关系中的待定系数，以获得上下层板挠度与压紧力的关系曲线。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S3中，确定上下层板挠度与压紧力的关系曲线之后，得到钻削力作用点处的上下层板的挠度之差，所述钻削力作用点处的上下层板的挠度之差表征钻削力作用点处的层间间隙最大值，关于层间间隙最大值与压紧力的函数关系：

Zgap＝g(F_a，F_c)＝abs(w_l|r＝0-w_u|r＝0)

其中，w_l|r＝0和w_u|r＝0分别为下层板和上层板在钻削力作用点处的挠度值，abs()函数为绝对值函数，F_a为钻削力，F_c为压紧力。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S4中，所述参数优化包括：从压紧力最小的情况开始，逐步增大压紧力使层间间隙最大值减小，并小于目标阈值或小于目标阈值且具有一定的裕度为止。

根据本发明的一个实施例，校核上层板在参数优化后的压紧力作用下的最大Mises应力，使得最大Mises应力不超过上层板材料的屈服极限且具有一定的裕度。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：首先利用钻削力经验公式和钻削力试验数据，通过数学统计学方法确定钻削力经验公式中的待定系数，获得待优化工况加工过程的钻削力可信预测值，根据现有的理论建立层叠板变形理论模型，通过搜索调试的方式确定层叠板变形理论模型的叠层板相互挤压的挤压区域范围，得到层间间隙最大值与压紧力大小的函数关系，结合给定的层间间隙控制目标阈值，对压紧力大小进行参数优化，即可获得最优的压紧力。

本发明通过在叠层板钻孔区域附近施加均匀的预压紧力，可以将钻削过程中叠层板间的层间间隙控制到目标阈值之内，便可使层间毛刺的高度得到有效的控制；本发明建立了压紧力参数优化的数值方法，可以脱离现场实际测量和有限元建模进行分析，过程简单，可操作性强，代码化后可以作为自动化钻孔设备非常重要的组成部分，对于压紧力的自动高效优化提供了可行的方案；本发明可以建立在不同钻削参数、材料参数等条件下可靠的最优压紧力数据库，对于装配现场的工艺规划和实践操作具有非常高的参考价值，可以用于替代不稳定的加工经验。

附图说明

图1是飞机的叠层结构示意图；

图2是本发明实施例的控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法的简易流程示意图；

图3是本发明实施例的控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法的流程示意图；

图4是本发明实施例的叠层板受力情况分析及变形情况示意图；

图5是本发明实施例的叠层板层间间隙随压紧力变化的关系图；

图6是本发明实施例的参数优化调整压紧力的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

参看图1，本发明的控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法可以用于飞机叠层板钻孔中，例如机身舱段A和机身舱段B之间的横向搭接钻孔，或者机身舱段A或机身舱段B自身的纵向对接中，但不限制于此。

参看图2和图3，本实施例的控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法，包括以下步骤：

下面对步骤S1～S4进行详细的实施例描述，但不应理解为对本发明的限制。

在步骤S1中，提供一现有的钻削力经验公式，然后可以进行试验工况下的测试获得多组钻削力试验数据，钻削力试验数据可以代入到钻削力经验公式中，从而在多组数据的拟合下，可以获得钻削力经验公式中的待定系数，从而确定钻削力预测公式。在钻削力预测公式确定之后，仅需钻削参数便可获得相应的钻削力，因此，可以获得在与钻削力试验数据相同的钻削硬件条件下的待优化工况的钻削力可信预测值。

具体的，钻削力经验公式可以为

F = C_{1} f^{y_{F}} v^{n_{F}}

其中，C₁、y_F和n_F均为待定系数，f为进给率，v为刀具转速，F为钻削力；进给率、刀具钻速和钻削力为钻削力试验数据。

在获得钻削力试验数据的工况和待优化调整压紧力的工况中，钻削硬件条件相同，至少钻头类型、叠层板的材料是相同的。每组钻削力试验参数的钻削参数最好是不同的，以便在多组不同试验数据下进行数据拟合。

下面给出一个具体获得钻削力试验数据的实施例，钻头使用直径6mm的高速麻花钻头，其刀尖角和旋转角分别为135°和33°，待加工材料为7075T6铝合金，钻削参数分别为刀具转速v和进给f，如下：

钻削力试验数据为：n组试验所采用的钻削参数，包括每组试验采用的刀具转速和进给率；及每组试验所测得的钻削力数据。

进一步来说，在步骤S1中，由于具有钻削力经验公式，因而可以通过统计学方式采用多组试验数据来确定钻削力经验公式中的待定系数。具体可以利用最小二乘法或高斯过程，通过多组钻削力试验数据对钻削力经验公式进行数据拟合，从而确定钻削力经验公式中的待定系数，以获得钻削力预测公式。

执行步骤S1之后，可以由确定的钻削参数来得到相应的钻削力，压紧力是需要被优化的，钻削力和压紧力作为步骤S2中的输入参数。

接着执行步骤S2，根据薄板静力变形假设和经典板壳理论，建立层叠板变形理论模型，分别得到上层板、下层板的变形挠度的数学关系，在钻削力和压紧力作用下层叠板发生挠性变形，如图4所示，钻削力q_a应作用于下层板上表面上，而压紧力q_c作用在上层板上表面上，上下层板接触的地方存在相互挤压，故有相互作用力q_x1和q_x2，两者大小相等方向相反，下上层板的变形挠度的数学关系根据上下层板之间的关系联合起来，从而可以获得在挠性变形处的层间间隙最大值与压紧力的初步数学关系，钻削力可信预测值和待调整压紧力作为初步数学关系的输入值，层间间隙最大值作为输出值。

在钻削力和压紧力这两个力的作用下，叠层板会发生变形，因为上下层板挠度的不同，就会在钻削力作用的地方取到最大的层间间隙，但是由于挤压区域范围不同时，得到的公式不同，无法直接确定，因此步骤S2只是建立了含有待定系数的模型。

在一个实施例中，上层板和下层板均为圆形薄板，根据薄板静力变形假设和经典板壳理论，圆形薄板的弹性模量和泊松比分别为E和v，上层板和下层板的变形挠度的数学关系为：

(\frac{d^{2}}{{dr}^{2}} + \frac{1}{r} \frac{d}{d r}) (\frac{d^{2} w (r)}{{dr}^{2}} + \frac{1}{r} \frac{d w (r)}{d r}) = \frac{q (r)}{D}

下上层板的变形挠度的数学关系根据上下层板之间的关系联合方式可以是：结合上层板、下层板各处的边界条件及上下层板间相互挤压出应满足的条件，求解根据上层板和下层板的变形挠度的数学关系获得的方程组，以获得在钻削力和压紧力作用下层叠板的层间间隙最大值与压紧力的初步数学关系。

由于叠层板的挤压区域范围R_x未知，下上层板的变形挠度的数学关系的求解存在两种情况：

1)挤压不充分，即R₂＜R_x≤R，此时下上层板的变形挠度的数学关系分别为：

w_{u} (r) = \{\begin{matrix} w_{0} (r) & R_{x} < r \leq R \\ \frac{q_{c} (R_{2}^{4} - R_{1}^{4})}{64 D_{u}} + A_{1} \ln (r) + A_{2} r^{2} \ln (r) + A_{3} r^{2} + A_{4} & R_{2} < r \leq R_{x} \\ \frac{q_{c} (r^{4} - R_{1}^{4})}{64 D_{u}} + A_{5} \ln (r) + A_{6} r^{2} \ln (r) + A_{7} r^{2} + A_{8} & R_{1} < r \leq R_{2} \\ A_{9} r^{2} + A_{10} & 0 \leq r \leq R_{1} \end{matrix}

w_{l} (r) = \{\begin{matrix} w_{0} (r) & R_{x} < r \leq R \\ \frac{q_{a} R_{a}^{4}}{64 D_{l}} + B_{1} \ln (r) + B_{2} r^{2} \ln (r) + B_{3} r^{2} + B_{4} & R_{a} < r \leq R_{x} \\ \frac{q_{a} r^{4}}{64 D_{l}} + B_{5} r^{2} + B_{6} & 0 \leq r \leq B_{a} \end{matrix}

2)挤压较充分，即R₁＜R_x≤R₂，此时下上层板的变形挠度的数学关系分别为：

w_{u} (r) = \{\begin{matrix} w_{0} (r) & R_{x} < r \leq R \\ \frac{q_{c} (r^{4} - R_{1}^{4})}{64 D_{u}} + C_{1} \ln (r) + C_{2} r^{2} \ln (r) + C_{3} r^{2} + C_{4} & R_{1} < r \leq R_{x} \\ C_{5} r^{2} + C_{6} & 0 \leq r \leq R_{1} \end{matrix} - - - (8)

w_{l} (r) = \{\begin{matrix} w_{0} (r) & R_{x} < r \leq R \\ \frac{q_{a} R_{a}^{4}}{64 D_{l}} + D_{1} \ln (r) + D_{2} r^{2} \ln (r) + D_{3} r^{2} + D_{4} & R_{a} < r \leq R_{x} \\ \frac{q_{a} r^{4}}{64 D_{l}} + D_{5} r^{2} + D_{6} & 0 \leq r \leq R_{a} \end{matrix} - - - (9)

可见，叠层板挤压区域范围R_x未知的情况下，存在两种情况，必须先确定R_x的确切值，才能最终确定挠度曲线公式。

其中，w₀为上下层板相互挤压区域两层半的挠度，即满足下列公式中时的变形挠度：

w₀(r)＝w_u(r)＝w_l(r) R_x≤r＜R

参看图4，q_a为压紧力分布系数，q_c为钻削力分布系数，R₁和R₂分别为压紧力作用的环形范围的内外径，R_x为叠层板挤压区域的范围，D_u和D_l分别为上下层板的材料性能参数，A_i、B_i、C_i和D_i(i＝1,2,…,8)为待定参数，需要结合连续性方程和各处的边界条件求解。

接着执行步骤S3，确定步骤S2的在挠性变形处的层间间隙最大值与压紧力的初步数学关系中的待定参数，从而确定层叠板变形理论模型。在上层板、下层板接触的部分满足变形完全相同的条件下，通过设定值调试搜索获得层叠板的挤压区域范围，在搜索过程中可以根据初步数学关系调试获得实际的挤压区域范围，从而确定上下层板挠度与压紧力的关系曲线，在关系曲线确定的情况下，便可获得关于层间间隙最大值与压紧力的函数关系。

在步骤S3中，在上层板、下层板接触的部分满足变形完全相同的条件下，搜索获得层叠板的挤压区域范围包括：

换而言之，搜索的方式为：参看图5，钻削力作用在上层板的上表面，压紧力作用在下层板的上表面，q_a为压紧力分布系数，q_c为钻削力分布系数，先假定挤压区域范围为某一个比较小的值进行计算，参看图5的(b)中的挤压区域范围R_x0，代入初步数学关系后可以得到步骤S2中初步数学关系的待定系数，得到上下层板组合的挠度曲线，但是跟实际情况通常是有出入的，因而就需要增大挤压区域范围，参看图5的(c)中的挤压区域范围R_x0，挤压区域范围调整对应为r＝R_x0重新进行计算，直至满足实际情况，参看图5的(d)中的挤压区域范围R_x0，从而就完全确定了步骤S2的层叠板变形理论模型。层叠板变形理论模型的输入是钻削力和压紧力，输出是层间间隙最大值，而其中钻削力在选定的钻削参数下是固定不变的，因而可以确定关于层间间隙最大值与压紧力的函数关系。

在步骤S3中，确定上下层板挠度与压紧力的关系曲线之后，得到钻削力作用点处的上下层板的挠度之差，钻削力作用点处的上下层板的挠度之差表征钻削力作用点处的层间间隙最大值，关于层间间隙最大值与压紧力的函数关系：

ZgaP＝g(F_a，F_c)＝abs(w_l|r＝0-w_u|r＝0)

其中，w_l|r＝₀和w_u|r＝0分别为下层板和上层板在钻削力作用点处的挠度值，abs()函数为绝对值函数，F_a为钻削力，F_c为压紧力。

接着执行步骤S4，由于层间间隙最大值仅与压紧力有关(前述Zgap公式)，对关于层间间隙最大值与压紧力的函数关系，进行参数优化，以获得调整后的作用到层叠板上的压紧力。

参看图6，在步骤S4中，参数优化可以包括：从压紧力最小的情况(预压紧力Fc)开始，逐步增大压紧力使层间间隙最大值减小，并小于目标阈值Zmax或小于目标阈值Zmax且具有一定的裕度为止。

较佳的，还包括校核步骤，校核上层板在参数优化后的压紧力作用下的最大Mises应力(Mises应力为一维屈服应力在多轴应力状态下的等效表达)，使得最大Mises应力不超过上层板材料的屈服极限且具有一定的裕度。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述钻削力经验公式为

F = V_{1} f^{y^{F}} v^{n_{F}}

3.如权利要求1或2所述的控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法，其特征在于，在所述步骤S1中，利用最小二乘法或高斯过程，通过多组钻削力试验数据对所述钻削力经验公式进行数据拟合，从而确定钻削力经验公式中的待定系数，以获得钻削力预测公式。

4.如权利要求1所述的控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述钻削硬件条件至少包括钻头类型、叠层板的材料。

5.如权利要求1所述的控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法，其特征在于，在所述步骤S2中，上层板和下层板均为圆形薄板，圆形薄板的弹性模量和泊松比分别为E和v，上层板和下层板的变形挠度的数学关系为：

(\frac{d^{2}}{{dr}^{2}} + \frac{1}{r} \frac{d}{d r}) (\frac{d^{2} w (r)}{{dr}^{2}} + \frac{1}{r} \frac{d w (r)}{d r}) = \frac{q (r)}{D}

6.如权利要求1或5所述的控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法，其特征在于，在所述步骤S2中，结合上层板、下层板各处的边界条件及上下层板间相互挤压出应满足的条件，求解根据上层板和下层板的变形挠度的数学关系获得的方程组，以获得在钻削力和压紧力作用下层叠板的层间间隙最大值与压紧力的初步数学关系。

7.如权利要求1所述的控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法，其特征在于，在所述步骤S3中，在上层板、下层板接触的部分满足变形完全相同的条件下，搜索获得层叠板的挤压区域范围包括：

8.如权利要求1或7所述的控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法，其特征在于，在所述步骤S3中，确定上下层板挠度与压紧力的关系曲线之后，得到钻削力作用点处的上下层板的挠度之差，所述钻削力作用点处的上下层板的挠度之差表征钻削力作用点处的层间间隙最大值，关于层间间隙最大值与压紧力的函数关系：

Zgap＝g(F_a，F_c)＝abs(w_l|_r＝0-w_u|_r＝0)

其中，w_l|_r＝0和w_u|_r＝0分别为下层板和上层板在钻削力作用点处的挠度值，abs()函数为绝对值函数，F_a为钻削力，F_c为压紧力。

9.如权利要求1所述的控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述参数优化包括：从压紧力最小的情况开始，逐步增大压紧力使层间间隙最大值减小，并小于目标阈值或小于目标阈值且具有一定的裕度为止。

10.如权利要求1所述的控制叠层板钻孔层间毛刺的压紧力调整方法，其特征在于，校核上层板在参数优化后的压紧力作用下的最大Mises应力，使得最大Mises应力不超过上层板材料的屈服极限且具有一定的裕度。