CN106624166A - Cfrp与钛合金叠层结构铰孔工艺的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种CFRP与钛合金叠层结构铰孔工艺的优化方法，涉及碳纤维复合材料与钛合金叠层装配技术领域。该方法综合考虑孔径尺寸误差、铰孔刀具后刀面磨损和铰孔刀具使用寿命等约束的碳纤维复合材料与钛合金叠层结构铰孔工艺优化方法，依据当前铰刀结构参数、孔径尺寸精度标准和制孔数量，优化铰孔的切削速度和进给量。本发采用多种约束条件优化叠层结构铰孔工艺，有效的提高CFRP与钛合金叠层结构铰孔效率，降低零件的不合格率和报废率，并使制孔刀具发挥出最大的铰孔能力。

Description

CFRP与钛合金叠层结构铰孔工艺的优化方法

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料与钛合金叠层装配技术领域，尤其涉及一种CFRP与钛合金叠层结构铰孔工艺的优化方法。

背景技术

碳纤维复合材料(CFRP)具有密度低、强度高、比强度大、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车、导弹等领域得到广泛的应用。例如，波音787客机机身表面90％都采用了碳纤维复合材料，我国新型航空飞行器也逐渐增加碳纤维复合材料使用的比例，航空飞行器复合材料及钛合金的应用比例已经成为衡量其先进性的重要指标之一。

随着先进航空飞行器广泛使用碳纤维复合材料，碳纤维复合材料与钛合金叠层装配结构的制孔需求越来越大，波音787客机装配需要加工400万个碳纤维复合材料与钛合金叠层结构孔。由于碳纤维复合材料与钛合金的难加工特性及其相互制约、影响，制孔过程存在着制孔效率低、制孔质量不易保证、零件不合格率和报废率难以控制的突出问题。

碳纤维复合材料与钛合金叠层结构铰孔条件复杂，由于缺少有效的叠层结构铰孔工艺优化方法，工艺设计和操作人员难以选择与当前铰刀几何参数、铰孔刀具磨钝标准、铰孔刀具寿命等因素相匹配的铰孔切削速度和每转进给量。采用不合理的铰孔工艺，导致铰孔刀具的快速磨损、孔径尺寸误差超出的精度标准、铰孔刀具有效使用寿命的降低。

针对碳纤维复合材料与钛合金叠层结构铰孔工艺的优化方法，国内外进行了大量的研究工作，提出了基于制孔试验、遗传算法、神经元网络等方法的铰孔工艺参数优化方法和变工艺参数等优化方法。这些优化方法存在以下不足：(1)现有优化方法没有考虑铰刀主偏角、外缘后角等结构几何参数对铰孔工艺的影响，因而不能根据铰刀结构的变化合理优化叠层结构的制孔工艺参数；(2)现有优化方法约束条件不全面，优化结果不能综合反映叠层结构铰孔过程孔径尺寸误差、铰刀后刀面磨损、刀具寿命对叠层结构铰孔工艺参数的影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种CFRP与钛合金叠层结构铰孔工艺的优化方法，能有效提高叠层结构铰孔效率，降低零件的不合格率和报废率，并使制孔刀具发挥出最大的铰孔能力。

一种CFRP与钛合金叠层结构铰孔工艺的优化方法，具体步骤如下：

步骤1、设置叠层结构铰孔孔径尺寸公差；

步骤2、设置叠层结构铰孔铰刀磨钝标准为铰刀后刀面磨损值VB不大于0.06mm；

步骤3、设置叠层结构优化范围，即最大许用切削速度与最小许用切削速度、最大许用每转进给量与最小许用每转进给量和最大铰孔数量与最小铰孔数量；

步骤4、输入初始铰孔数量；

步骤5、输入切削速度和每转进给量；

步骤6、如果输入的切削速度和每转进给量分别小于等于步骤3设置的最大许用切削速度和最大许用每转进给量，则继续执行步骤7，否则执行步骤12；

步骤7、根据叠层结构铰孔平稳阶段孔径尺寸误差随制孔数量变化的映射关系模型，计算在当前铰刀结构几何参数、铰孔工艺参数和铰孔数量条件下，铰刀孔径尺寸误差值；所述孔径尺寸误差随制孔数量变化的映射关系模型如式(1)所示；

D＝1.214N+0.15216+D_f (1)

其中，D为孔径尺寸误差，N为铰孔数量，D_f为孔径尺寸误差修正值，D_f的计算如式(2)所示；

其中，k_r为铰刀主偏角，α_r为铰刀外缘后角，Vc为铰孔切削速度，fr为铰孔每转进给量；

步骤8、如果步骤7计算获得的孔径尺寸误差值小于步骤1设置的尺寸公差值，则继续执行步骤9，否则执行步骤12；

步骤9、根据叠层结构铰孔平稳初始阶段铰刀后刀面磨损值随制孔数量变化的映射关系模型，计算在当前铰刀结构几何参数、铰孔工艺参数和铰孔数量条件下，铰刀后刀面磨损值VB；所述铰刀后刀面磨损值随制孔数量变化的映射关系模型如式(3)所示；

VB＝0.001333N-0.01333+VB_f (3)

其中，VB为铰刀后刀面磨损值，VB_f为后刀面磨损修正值，VB_f的计算如式(4)所示；

步骤10、如果步骤9计算获得的VB值小于步骤2设置的磨钝标准VB值，则继续执行步骤11，否则执行步骤12；

步骤11、增加切削速度和每转进给量，返回步骤6；

步骤12、增加1个铰孔数量；

步骤13、如果铰孔数量小于等于步骤3设置的最大铰孔数量，则返回步骤5，否则结束优化过程，输出最优的切削速度、每转进给量和铰孔数量。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的CFRP与钛合金叠层结构铰孔工艺的优化方法，采用多种约束条件优化叠层结构铰孔工艺，综合考虑孔径尺寸误差、铰孔刀具后刀面磨损和铰孔刀具使用寿命等约束的铰孔工艺优化方法，依据当前铰刀结构参数、孔径尺寸精度标准和制孔数量，优化铰孔的切削速度和每转进给量，铰孔工艺优化结果合理、准确，能有效提高CFRP与钛合金叠层结构铰孔效率，降低零件的不合格率和报废率，并使制孔刀具发挥出最大的铰孔能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的CFRP与钛合金叠层结构铰孔工艺的优化方法流程图；

图2为本发明实施例提供的铰孔工艺优化过程孔径尺寸误差与铰刀后刀面磨损VB值变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

以T300碳纤维复合材料与TC6钛合金叠层结构铰孔过程为例，该叠层结构铰孔条件及精度要求如下：

(1)铰刀结构几何参数：直径为6.6mm，主偏角为45度，外缘后角为12度；

(2)刀具材料为K6UF(硬质合金)；

(3)铰孔尺寸精度要求：孔径尺寸满足H9精度；

(4)T300复合材料板厚度为5mm，TC6钛合金板厚度为3mm。

如图1所示，本实施例的方法如下所述。

步骤1、设置叠层结构铰孔孔径尺寸精度标准。

根据本实施例中铰孔尺寸精度需要满足H9精度要求，直径为6.6mm的孔径尺寸公差为0.036mm，即D_max＝0.036mm。

步骤2、设置叠层结构铰孔铰刀磨钝标准。

综合考虑铰孔质量和铰刀磨、破损情况，设置叠层结构铰孔刀具的磨钝标准为铰刀后刀面磨损值VB不大于0.06mm，即VB_max＝0.06mm。

步骤3、设置叠层结构优化范围，切削速度最大许用值Vc_max为40m/min，最小许用值Vc_min为20m/min；每转进给量最大许用值fr_max为0.04mm/r，最小许用值fr_min为0.01mm/r；铰孔数量最大值N_max为100，最小值N_min为5。

步骤4、输入初始铰孔数量N为5；

步骤5、输入切削速度20m/min，每转进给量为0.01mm/r；

步骤6、如果输入的切削速度和每转进给量分别小于等于步骤3设置的最大许用切削速度和最大许用每转进给量，则继续执行步骤7，否则执行步骤12。

本实施例中，输入的切削速度和每转进给量分别小于步骤3设置的最大许用切削速度和最大许用每转进给量，则执行步骤7。

步骤7、根据叠层结构铰孔平稳阶段孔径尺寸误差随制孔数量变化的映射关系模型，计算在当前铰刀结构几何参数、铰孔工艺参数和铰孔数量条件下，铰刀孔径尺寸误差值；所述孔径尺寸误差随制孔数量变化的映射关系模型如式(1)所示；

D＝1.214N+0.15216+D_f (1)

其中，D为孔径尺寸误差，N为铰孔数量，D_f为孔径尺寸误差修正值，D_f的计算如式(2)所示；

其中，k_r为铰刀主偏角，α_r为铰刀外缘后角，Vc为铰孔切削速度，fr为铰孔每转进给量。

本实施例中，根据上述的孔径尺寸误差随制孔数量变化的映射关系模型计算的当前孔径尺寸误差为0.0041mm。

步骤8、如果步骤7计算获得的孔径尺寸误差值小于步骤1设置的尺寸公差值，则继续执行步骤9，否则执行步骤12。

本实施例中，当前孔径尺寸误差0.0041mm小于尺寸精度公差0.036mm，则执行步骤9。

步骤9、根据叠层结构铰孔平稳初始阶段铰刀后刀面磨损值随制孔数量变化的映射关系模型，计算在当前铰刀结构几何参数、铰孔工艺参数和铰孔数量条件下，铰刀后刀面磨损值VB；所述铰刀后刀面磨损值随制孔数量变化的映射关系模型如式(3)所示；

VB＝0.001333N-0.01333+VB_f (3)

其中，VB为铰刀后刀面磨损值，VB_f为后刀面磨损修正值，VB_f的计算如式(4)所示。

本实施例中，根据上述的铰刀后刀面磨损值随制孔数量变化的映射关系模型计算的当前铰刀后刀面磨损VB值为0.02mm。

步骤10、如果步骤9计算获得的VB值小于步骤2设置的磨钝标准VB值，则继续执行步骤11，否则执行步骤12。

本实施例中，步骤9中计算的当前铰刀后刀面磨损VB值0.02mm小于磨钝标准VB_max＝0.06mm，则执行步骤11。

步骤11、增加切削速度为21m/min，每转进给量为0.011mm/min，返回步骤6，重复步骤6至步骤10，直到输入的切削速度和每转进给量超出设置范围或孔径尺寸标准不满足或磨钝标准不满足时，执行步骤12；

步骤12、增加1个铰孔数量；

步骤13、如果铰孔数量小于等于步骤3设置的最大铰孔数量，则返回步骤5，重复执行步骤5至步骤12，直到铰孔数量超过设置的最大值，则结束优化过程，输出最优的切削速度、每转进给量和铰孔数量。

本实施例中，铰削到35个孔时，孔径尺寸误差超过公差要求，工艺优化过程结束，获得的最优切削速度为32m/min、每转进给量为0.024mm/r，铰孔数量为34个，在此过程中，孔径尺寸误差与铰刀后刀面磨损VB值的变化如图2所示。

本实施例针对T300碳纤维复合材料与TC6钛合金叠层结构铰孔工艺受到叠层材料的难加工特性、铰刀的结构几何参数等因素的影响，工艺参数不易合理选择，导致铰孔效率低、零件不合格率和报废率高的突出问题，采用多种约束条件优化叠层结构铰孔工艺，综合考虑了叠层结构铰孔过程中孔径尺寸误差、铰刀后刀面磨损和刀具寿命的约束，铰孔工艺优化结果合理、准确，可以有效的提高叠层结构铰孔效率、降低零件的不合格率和报废率，并使制孔刀具发挥出最大的铰孔能力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种CFRP与钛合金叠层结构铰孔工艺的优化方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤1、设置叠层结构铰孔孔径尺寸公差；

步骤2、设置叠层结构铰孔铰刀磨钝标准为铰刀后刀面磨损值VB不大于0.06mm；

步骤3、设置叠层结构优化范围，即最大许用切削速度与最小许用切削速度、最大许用每转进给量与最小许用每转进给量和最大铰孔数量与最小铰孔数量；

步骤4、输入初始铰孔数量；

步骤5、输入切削速度和每转进给量；

步骤6、如果输入的切削速度和每转进给量分别小于等于步骤3设置的最大许用切削速度和最大许用每转进给量，则继续执行步骤7，否则执行步骤12；

步骤7、根据叠层结构铰孔平稳阶段孔径尺寸误差随制孔数量变化的映射关系模型，计算在当前铰刀结构几何参数、铰孔工艺参数和铰孔数量条件下，铰刀孔径尺寸误差值；所述孔径尺寸误差随制孔数量变化的映射关系模型如式(1)所示；

D＝1.214N+0.15216+D_f (1)

其中，D为孔径尺寸误差，N为铰孔数量，D_f为孔径尺寸误差修正值，D_f的计算如式(2)所示；

$D_f=(\frac{0.174(k_r-45)}{5}+\frac{0.216({\mathrm{\α}}_r-12)}{4}+\frac{0.348(Vc-60)}{10}+\frac{0.262(fr-0.02)}{0.01})*4.9961---\left(2\right)$

其中，k_r为铰刀主偏角，α_r为铰刀外缘后角，Vc为铰孔切削速度，fr为铰每转孔进给量；

步骤8、如果步骤7计算获得的孔径尺寸误差值小于步骤1设置的尺寸公差值，则继续执行步骤9，否则执行步骤12；

步骤9、根据叠层结构铰孔平稳初始阶段铰刀后刀面磨损值随制孔数量变化的映射关系模型，计算在当前铰刀结构几何参数、铰孔工艺参数和铰孔数量条件下，铰刀后刀面磨损值VB；所述铰刀后刀面磨损值随制孔数量变化的映射关系模型如式(3)所示；

VB＝0.001333N-0.01333+VB_f (3)

其中，VB为铰刀后刀面磨损值，VB_f为后刀面磨损修正值，VB_f的计算如式(4)所示；

${\mathrm{VB}}_f=(\frac{0.174(k_r-45)}{5}+\frac{0.217({\mathrm{\α}}_r-12)}{4}+\frac{0.348(Vc-60)}{10}+\frac{0.261(fr-0.03)}{0.01})*0.02---\left(4\right)$

步骤10、如果步骤9计算获得的VB值小于步骤2设置的磨钝标准VB值，则继续执行步骤11，否则执行步骤12；

步骤11、增加切削速度和每转进给量，返回步骤6；

步骤12、增加1个铰孔数量；

步骤13、如果铰孔数量小于等于步骤3设置的最大铰孔数量，则返回步骤5，否则结束优化过程，输出最优的切削速度、每转进给量和铰孔数量。