CN106650119A - Cfrp与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命的预测方法，涉及碳纤维复合材料与钛合金叠层装配技术领域。该方法建立了碳纤维复合材料与钛合金叠层结构钻孔动态实时切削力分析模型、复材分层缺陷分析模型、复材撕裂缺陷分析模型和钻头后刀面磨损值分析模型，依据当前钻头结构参数和制孔工艺参数，预测分析钻头的有效使用寿命。本发明针对CFRP与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命不易准确预测，因超过刀具有效使用寿命而导致的低合格率和高零件报废率的突出问题，综合考虑复材钻孔缺陷和钻孔刀具后刀面磨损两种约束，能有效的预测叠层结构钻孔的最大制孔数量，降低因超出刀具寿命而导致的零件报废率，并使制孔刀具发挥出最大的钻孔能力。

Description

CFRP与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命的预测方法

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与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命的预测方法。

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客机装配需要钻削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刀具寿命低、制孔质量不易保证、零件报废率难以控制的突出问题。据报道，国内外飞机组装过程中，因制孔加工产生的复材分层/撕裂缺陷而导致报废的碳纤维复合材料零件数量占全部报废零件的60％以上。

碳纤维复合材料与钛合金叠层结构钻孔条件复杂，钻头结构参数和钻孔工艺参数对钻头刀具寿命影响较大，钻孔刀具使用寿命难以准确预测。由于缺少有效的叠层结构钻孔刀具寿命预测方法，操作人员难以判断在当前钻孔条件下，钻头何时达到使用寿命极限。为了避免因超过刀具有效使用寿命而导致的低合格率和高零件报废率，只能根据经验减少制孔数量，因此极大的降低了制孔刀具的有效使用寿命，人为提高了制孔成本。

针对碳纤维复合材料与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命的预测方法，国内外进行了大量的研究工作，提出了面向钻孔质量、后刀面磨损等评价指标的钻头寿命预测方法。这些预测方法存在以下不足：(1)现有预测方法仅适用于碳纤维复合材料单独钻孔条件，没有提出碳纤维复合材料与钛合金叠层结构钻孔条件下有效的钻头寿命预测方法。由于没有考虑叠层结构钻孔过程中钛合金材料对钻孔刀具磨损的影响以及复合材料对钛合金钻削排屑的阻碍影响，因而这些预测方法不适用于叠层结构；(2)现有预测方法基于单一刀具寿命评价指标进行使用寿命的预测，预测结果不能综合反映达到使用寿命极限后钻孔过程复材缺陷和刀具后刀面磨损情况。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命的预测方法，能有效预测叠层结构钻孔的最大制孔数量，降低因超出刀具寿命而导致的零件报废率，并使制孔刀具发挥出最大的钻孔能力。

一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命的预测方法，具体步骤如下：

步骤1、设置分层缺陷和撕裂缺陷的标准，即分层缺陷区域的最大直径和撕裂缺陷区域的最大直径；

步骤2、设置叠层结构钻孔钻头磨钝标准为钻头后刀面磨损值VB不大于0.08mm；

步骤3、根据公式(1)计算碳纤维复合材料产生分层缺陷的临界轴向切削力，根据公式(2)计算撕裂缺陷的临界轴向切削力；

其中，F_AL为产生分层缺陷的临界轴向切削力，D_m为分层缺陷区域最大直径，D_L为分层缺陷区域钻孔直径；F_AT为产生撕裂缺陷的临界轴向切削力，D′_m为撕裂缺陷区域最大直径，D_T为撕裂缺陷区域钻孔直径；

步骤4、输入初始钻孔数量；

步骤5、根据叠层结构平稳钻孔阶段钻孔动态实时轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型，计算在当前钻头结构几何参数、钻孔工艺参数和钻孔数量条件下，动态实时的钻孔轴向切削力；所述钻孔动态实时轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型如式(3)所示；

F_z＝1.136N+102.927+F_zf (3)

其中，F_z为钻孔轴向切削力，N为钻孔数量，F_zf为钻孔轴向切削力修正值，F_zf的计算如式(4)所示；

其中，β为钻头螺旋角，α_r为钻头外缘后角，为钻头顶角，Vc为钻孔切削速度，fr为钻孔每转进给量；

步骤6、根据分层缺陷的临界轴向切削力、撕裂缺陷的临界轴向切削力、动态实时的钻孔轴向切削力、分层缺陷评价分析模型和撕裂缺陷评价分析模型，计算当前动态实时钻孔轴向切削力能够产生的分层缺陷区域直径和撕裂缺陷区域直径；所述分层缺陷评价分析模型和撕裂缺陷评价分析模型分别如式(5)和式(6)所示；

如果动态实时钻孔轴向切削力小于分层缺陷的临界轴向切削力，分层缺陷区域直径D_L为0mm；如果动态实时钻孔轴向切削力小于撕裂缺陷的临界轴向切削力，撕裂缺陷区域直径D_T为0mm；

步骤7、如果步骤6计算获得的分层缺陷区域直径小于步骤1设置的分层缺陷区域最大直径，则继续执行步骤8，否则执行步骤12；

步骤8、如果步骤6计算获得的撕裂缺陷区域直径小于步骤1设置的撕裂缺陷区域最大直径，则继续执行步骤9，否则执行步骤12；

步骤9、根据叠层结构钻孔平稳初始阶段钻头后刀面磨损值随制孔数量变化的映射关系模型，计算在当前钻头结构几何参数、钻孔工艺参数和钻孔数量条件下，钻头后刀面磨损值VB；所述钻头后刀面磨损值VB随制孔数量变化的映射关系模型如式(7)所示；

VB＝0.001333N-0.01333+VB_f (7)

其中，VB为钻头后刀面磨损值，VB_f为后刀面磨损修正值，VB_f的计算如式(8)所示；

步骤10、如果步骤9计算获得的钻头后刀面磨损值VB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、钻孔数量增加1个，返回执行步骤5；

步骤12、预测分析过程结束，设置叠层结构钻孔刀具寿命为当前制孔数量，输出钻孔刀具寿命、分层缺陷区域直径、撕裂缺陷区域直径和钻头后刀面磨损值VB。

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与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命的预测方法，采用多种指标评价钻头刀具寿命，综合考虑了CFRP与钛合金叠层结构钻孔过程中复材分层缺陷、撕裂缺陷和钻头后刀面磨损的约束，钻头使用寿命预测结果准确性高，能有效降低因超出刀具寿命而导致的零件报废率，并使制孔刀具发挥出最大的钻孔能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的CFRP与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命的预测方法流程图；

图2为本发明实施例提供的分层缺陷区域直径和撕裂缺陷区域直径随制孔数量变化的示意图；

图3为本发明实施例提供的钻头后刀面磨损值VB随制孔数量变化的示意图。

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钛合金叠层结构钻孔过程为例，该叠层结构钻孔条件及缺陷要求如下：

(1)钻头结构几何参数：直径为6mm，螺旋角为25度，外缘后角为10度，顶角为140度；

(2)刀具材料为K6UF(硬质合金)；

(3)钻孔工艺参数：切削速度为30m/min，进给量为0.03mm/r；

(4)钻孔缺陷要求：钻孔后复材不允许出现分层缺陷，允许一定的撕裂缺陷存在；

(5)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、设置分层缺陷和撕裂缺陷的标准，根据钻孔缺陷要求，缺陷标准设置为：分层缺陷的最大允许直径Dm设置为6.0mm、撕裂缺陷的最大允许直径D′_m设置为7.0mm。

步骤2、设置叠层结构钻孔钻头磨钝标准，综合考虑钻孔质量和钻头磨、破损情况，设置叠层结构钻孔钻头的磨钝标准为钻头后刀面磨损值VB不大于0.08mm，即VB_max＝0.08mm。

步骤3、根据公式(1)计算碳纤维复合材料产生分层缺陷的临界轴向切削力，根据公式(2)计算撕裂缺陷的临界轴向切削力；

其中，F_AL为产生分层缺陷的临界轴向切削力，D_m为分层缺陷区域最大直径，D_L为分层缺陷区域钻孔直径；F_AT为产生撕裂缺陷的临界轴向切削力，D′_m为撕裂缺陷区域最大直径，D_T为撕裂缺陷区域钻孔直径。

本实施例中，通过测量试验，测得T300复合材料板材的单层厚度为0.297mm；通过相关材料手册，得到T300复合材料的相关特性为：裂纹扩展能量为285J/m²、弹性模量为115Gpa、泊松比为0.34。计算得到满足分层缺陷标准的临界轴向切削力为159.713N，计算得到满足撕裂缺陷标准的临界轴向切削力为176.545N。

步骤4、输入初始钻孔数量。本实施例中，设置初始钻孔数量为5个。

步骤5、根据叠层结构平稳钻孔阶段钻孔动态实时轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型，计算在当前钻头结构几何参数、钻孔工艺参数和钻孔数量条件下，动态实时的钻孔轴向切削力；所述钻孔动态实时轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型如式(3)所示；

F_z＝1.136N+102.927+F_zf (3)

其中，F_z为钻孔轴向切削力，N为钻孔数量，F_zf为钻孔轴向切削力修正值，F_zf的计算如式(4)所示；

其中，β为钻头螺旋角，α_r为钻头外缘后角，为钻头顶角，Vc为钻孔切削速度，fr为钻孔每转进给量。

本实施例中，计算当前动态实时的钻孔轴向切削力为116.007N，该动态实时切削力小于临界切削力(159.713或176.545N)，因而不产生分层和撕裂缺陷。

步骤6、根据分层缺陷的临界轴向切削力、撕裂缺陷的临界轴向切削力、动态实时的钻孔轴向切削力、分层缺陷评价分析模型和撕裂缺陷评价分析模型，计算当前动态实时钻孔轴向切削力能够产生的分层缺陷区域直径和撕裂缺陷区域直径；所述分层缺陷评价分析模型和撕裂缺陷评价分析模型分别如式(5)和式(6)所示；

如果动态实时钻孔切削力小于分层缺陷的临界轴向切削力，分层缺陷区域直径D_L为0mm；如果动态实时钻孔切削力小于撕裂缺陷的临界轴向切削力，撕裂缺陷区域直径D_T为0mm。

本实施例中，计算当前动态实时钻孔轴向切削力能够产生的分层缺陷区域直径和撕裂缺陷区域直径为0mm。

步骤7、如果步骤6计算获得的分层缺陷区域直径D_L小于步骤1设置的分层缺陷区域最大直径，则继续执行步骤8，否则执行步骤12。

本实施例中，当前动态实时钻孔轴向切削力能够产生的分层缺陷区域直径为0mm，小于步骤1中设置的缺陷标准分层缺陷的最大允许直径6.0mm，因此，执行步骤8。

步骤8、如果步骤6计算获得的撕裂缺陷区域直径小于步骤1设置的撕裂缺陷区域最大直径，则继续执行步骤9，否则执行步骤12。

本实施例中，当前动态实时钻孔轴向切削力能够产生的撕裂缺陷区域直径为0mm，小于步骤1中设置的缺陷标准撕裂缺陷的最大允许直径7.0mm，因此，执行步骤9。

步骤9、根据叠层结构钻孔平稳初始阶段钻头后刀面磨损值随制孔数量变化的映射关系模型，计算在当前钻头结构几何参数、钻孔工艺参数和钻孔数量条件下，钻头后刀面磨损值VB；所述钻头后刀面磨损值VB随制孔数量变化的映射关系模型如式(5)所示；

VB＝0.001333N-0.01333+VB_f (5)

其中，VB为钻头后刀面磨损值，VB_f为后刀面磨损修正值，VB_f的计算如式(6)所示；

本实施例中，计算当前钻头后刀面磨损值VB为0.02mm。

步骤10、如果步骤9计算获得的钻头后刀面磨损值VB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，当前钻头后刀面磨损值VB为0.02mm，小于步骤2设置的磨钝标准VB＝0.08mm，因此，执行步骤11。

步骤11、钻孔数量增加1个，返回执行步骤5，重复进行计算，直到缺陷标准不满足或磨钝标准不满足时，执行步骤12。

步骤12、预测分析过程结束，设置叠层结构钻孔刀具寿命为当前制孔数量，输出钻孔刀具寿命、分层缺陷区域直径、撕裂缺陷区域直径和钻头后刀面磨损值VB。

本实施例中，分层缺陷区域直径和撕裂缺陷区域直径随制孔数量的变化如图2所示，钻头后刀面磨损值VB随制孔数量的变化如图3所示，由图2和图3可知，钻削到44个孔时，虽然撕裂缺陷及后刀面磨损仍然满足相关标准，但分层缺陷区域的直径为6.001mm，大于设置的分层缺陷标准，因此，钻头的有效刀具寿命预测分析结果为43个制孔数量。

本实施例采用多种指标评价钻头刀具寿命，综合考虑了T300与TC6叠层结构钻孔过程中复材分层缺陷、撕裂缺陷和钻头后刀面磨损的约束，钻头使用寿命预测结果准确性高，可以有效的降低因超出刀具寿命而导致的零件报废率，并使制孔刀具发挥出最大的钻孔能力。

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与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命的预测方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：

步骤1、设置分层缺陷和撕裂缺陷的标准，即分层缺陷区域的最大直径和撕裂缺陷区域的最大直径；

步骤2、设置叠层结构钻孔钻头磨钝标准为钻头后刀面磨损值VB不大于0.08mm；

步骤3、根据公式(1)计算碳纤维复合材料产生分层缺陷的临界轴向切削力，根据公式(2)计算撕裂缺陷的临界轴向切削力；

$F_{AL}=\frac{{D_m}^2+4.259\×{D_L}^2}{0.02667\×{D_L}^2}---\left(1\right)$

$F_{AT}=\frac{D_m^{\′2}+3.423\×{D_T}^2}{0.021429\×{D_T}^2}{D}_m^{\′}---\left(2\right)$

其中，F_AL为产生分层缺陷的临界轴向切削力，D_m为分层缺陷区域最大直径，D_L为分层缺陷区域钻孔直径；F_AT为产生撕裂缺陷的临界轴向切削力，D′_m为撕裂缺陷区域最大直径，D_T为撕裂缺陷区域钻孔直径；

步骤4、输入初始钻孔数量；

步骤5、根据叠层结构平稳钻孔阶段钻孔动态实时轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型，计算在当前钻头结构几何参数、钻孔工艺参数和钻孔数量条件下，动态实时的钻孔轴向切削力；所述钻孔动态实时轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型如式(1)所示；

F_z＝1.136N+102.927+F_zf (1)

其中，F_z为钻孔轴向切削力，N为钻孔数量，F_zf为钻孔轴向切削力修正值，F_zf的计算如式(2)所示；

其中，β为钻头螺旋角，α_r为钻头外缘后角，为钻头顶角，Vc为钻孔切削速度，fr为钻孔每转进给量；

步骤6、根据分层缺陷的临界轴向切削力、撕裂缺陷的临界轴向切削力、动态实时的钻孔轴向切削力、分层缺陷评价分析模型和撕裂缺陷评价分析模型，计算当前动态实时钻孔轴向切削力能够产生的分层缺陷区域直径和撕裂缺陷区域直径；所述分层缺陷评价分析模型和撕裂缺陷评价分析模型分别如式(3)和式(4)所示；

$\frac{{D_m}^2}{{D_L}^2}=0.02667Fz-4.259---\left(3\right)$

$\frac{D_m^{\′2}}{{D_T}^2}=0.021429Fz-3.423---\left(4\right)$

如果动态实时钻孔轴向切削力小于分层缺陷的临界轴向切削力，分层缺陷区域直径D_L为0mm；如果动态实时钻孔轴向切削力小于撕裂缺陷的临界轴向切削力，撕裂缺陷区域直径D_T为0mm；

步骤7、如果步骤6计算获得的分层缺陷区域直径小于步骤1设置的分层缺陷区域最大直径，则继续执行步骤8，否则执行步骤12；

步骤8、如果步骤6计算获得的撕裂缺陷区域直径小于步骤1设置的撕裂缺陷区域最大直径，则继续执行步骤9，否则执行步骤12；

步骤9、根据叠层结构钻孔平稳初始阶段钻头后刀面磨损值随制孔数量变化的映射关系模型，计算在当前钻头结构几何参数、钻孔工艺参数和钻孔数量条件下，钻头后刀面磨损值VB；所述钻头后刀面磨损值VB随制孔数量变化的映射关系模型如式(5)所示；

VB＝0.001333N-0.01333+VB_f (5)

其中，VB为钻头后刀面磨损值，VB_f为后刀面磨损修正值，VB_f的计算如式(6)所示；

步骤10、如果步骤9计算获得的钻头后刀面磨损值VB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、钻孔数量增加1个，返回执行步骤5；

步骤12、预测分析过程结束，设置叠层结构钻孔刀具寿命为当前制孔数量，输出钻孔刀具寿命、分层缺陷区域直径、撕裂缺陷区域直径和钻头后刀面磨损值VB。