CN111027191B - 一种单向复合材料钻削轴向力分布的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种单向复合材料钻削轴向力分布的测定方法属于纤维增强复合材料加工技术领域，涉及一种纤维增强复合材料钻削轴向力随纤维切削角度分布的测定方法。在该方法中，首先对复合材料样件进切割处理，在其表面形成凹槽结构。在现有钻削测力实验平台上进行制孔加工，制得通孔需与样件切割凹槽相交。提取钻削阶段的轴向力曲线，对比正常轴向力曲线寻找其突变点，并判断突变点即凹槽所处位置的纤维切削角度。根据加工参数计算轴向力波动周期，推算出全部周期轴向力随纤维切削角分布。本测定方法不改变钻削加工状态，不需搭建新的测量试验平台，实验操作简单、方便，采用读取轴向力突变确定其分布规律，测定结果准确可靠。

Description

一种单向复合材料钻削轴向力分布的测定方法

技术领域

本发明属于纤维增强复合材料加工技术领域，涉及一种单向复合材料钻削轴向力分布的测定方法。

背景技术

纤维增强复合材料具有质轻、高强等优异力学性能特点，在航空航天等领域取得广泛的应用，生产制造时为满足零部件装配连接的需求，必须制备大量的连接孔，制孔质量直接决定了部件的连接性能。麻花钻刀具普遍应用于实际生产中，因为其优良的排屑能力和较高的制孔效率，在纤维复合材料制孔中表现出较好的加工性能。然而复合材料层间结合强度低，制孔过程中易出现分层、撕裂等损伤，钻削轴向力是导致分层损伤产生及演化的关键性因素。由于复合材料细观上为纤维、树脂和界面混合状态，宏观上呈现力学各向异性特点，使得钻削加工中刀刃切削各纤维方向的材料去除机理存在差异，当刀具依次处于不同纤维切削角时，轴向力会出现周期性的波动变化，并将会对损伤分布产生重要影响。但在钻削过程中，现有测力仪器无法识别刀具的旋转角度，很难做到同时检测刀具切削刃所处位置和轴向力数值变化，故难以准确测得轴向力随纤维切削角变化规律。

为了揭示轴向力随纤维切削角变化的规律，国内外开展了相关研究工作。目前已有基于正交切削过程建立钻削轴向力的理论预测模型，例如Meng Q等人发表的《Ananalytical method for predictingthe fluctuation of thrust forceduringdrilling of unidirectional carbon fiberreinforced plastics》一文在《Journal of Composite Materials》2015 年第49期第699至711页中，通过修正单向碳纤维增强复合材料正交切削模型，考虑了不同纤维切削角度对轴向力的影响，实现了全部制孔过程中轴向力随纤维切削角变化的理论预测。此外Hintze W等人发表的《Evaluation ofthe total cutting force in drilling of CFRP:a novel experimental method forthe analysis of the cutting mechanism》一文在《Production Engineering》2018年第12期第431至440页中提出了一种分析钻削力的实验方法，通过制备两种纤维角度互补的样件，使用一种新的实验装置并采用钻削半孔的方式，记录了所有切削力分量随钻削角度变化过程，获取全部周期轴向力随纤维切削角分布。但是现有研究理论推导计算过程复杂，半孔钻削实验繁琐且破坏了钻削排屑及散热的半封闭环境，均难以获得精确的结果。

发明内容：

本发明为了解决现有技术难题，发明一种单向复合材料钻削轴向力分布的测定方法。该方法选用单向纤维增强复合材料作为试验样件，并在样件表面特定位置切割出凹槽用以确定刀具旋转位置，钻削实验在现有的钻削测力实验平台上进行，钻得的通孔需与样件凹槽相交。获取钻削过程的轴向力时变曲线，对比正常力曲线寻找其任一波动周期内的突变点，即此时刀刃旋转至样件凹槽部位，判断凹槽所处位置的纤维切削角度，便可获得该纤维角度下的轴向力数值，进一步根据刀具旋转速度即可推算出全部周期内轴向力随纤维切削角分布。本发明不改变钻削加工状态，不需要搭建新的实验平台，实验易于操作，且实现了轴向力分布测定，结果准确可靠。该方法简单，准确的轴向力随纤维切削角分布测定方法，克服因改变钻削条件带来的误差。

本发明采用的技术方案是一种单向复合材料钻削轴向力分布的测定方法，其特征是，该方法对试验样件进行切割处理形成凹槽结构 A，开展钻孔测力实验获得圆孔B。提取钻削轴向力时变曲线，并对比正常轴向力曲线确定任一波动周期轴向力突变时刻。根据纤维方向 k、凹槽A和圆孔B位置，计算轴向力突变点纤维切削角度θ；由突变时刻轴向力及纤维切削角，结合加工参数进一步计算出全部周期轴向力随纤维切削角分布，具体的实验操作及计算过程如下：

1)样件不进行特殊处理，仅进行常规制圆孔和提取轴向力操作，获取正常钻削过程的轴向力随时间的变化曲线。

2)对合适尺寸的纤维增强复合材料板进行切割处理，工具切削方向垂直于样件加工表面，切割由样件边沿开始进给至中央位置停止，切割形成长度约为样件宽度一半的凹槽A，凹槽槽宽要远小于制孔孔径、深度等于样件板厚。

3)将制备好的样件装夹在钻削测力实验平台上，制孔刀具为复材加工常用的麻花钻刀具，调整钻尖位置对准样件表面的凹槽进行制孔获得圆孔B，提取轴向力数据。

4)定义沿纤维指向已加工表面方向为纤维方向k，刀具切削刃瞬时旋转方向即孔周任一点切线方向为速度方向v，定义纤维切削角θ为速度方向v与纤维方向k的夹角，角度范围0～180°。对于制孔完毕的样件，基于以上定义确定凹槽位置的纤维切削角θ。

5)分析轴向力曲线，通过对比步骤1)中正常的轴向力变化曲线，寻找任一周期内轴向力的突变时刻，此刻刀刃切削至凹槽位置，轴向力数值对应凹槽所处的纤维切削角。

6)根据实际加工参数，计算刀具旋转一周的时间，由于刀具旋转一周经历两次纤维切削角θ从180°至0°变化，故轴向力波动周期T为刀具旋转周期的一半，由180°开始取一个波动周期时间段轴向力曲线，即为轴向力沿180°～0°纤维切削角θ分布曲线。

其中，T-轴向力波动周期(s)，n-转速(r/min)；

7)根据上一步中获取的带有突变轴向力与纤维切削角度关系，将其力曲线与正常制孔轴向力峰值、最小值及力曲线趋势相对应，得出正常制孔轴向力随纤维切削角分布曲线。

本发明的有益效果是不需要改变现有钻削轴向力测量试验台，仅需对加工样件进行切割处理即可进行实验测定，方法操作简单易行。对样件切割形成的凹槽较小，几乎不改变刀具钻削的半封闭环境，保证了测得轴向力周期波动的稳定性。通过对比直接读取轴向力曲线的突变，以确定轴向力与纤维切削角度对应关系，可得到较为精确的轴向力随纤维切削角分布规律。

附图说明

图1为加工样件凹槽切割和钻削加工的示意图，其中，k-纤维方向，A-凹槽，B-圆孔，a)中纤维方向k为竖直方向，b)中纤维方向k为水平方向。

图2为纤维切削角度定义示意图，其中，k-纤维方向，v-速度方向，θ-纤维切削角度(度),n-转速(r/min)。

图3为两种不同角度轴向力突变曲线示意图。图4为正常制孔力随纤维切削角分布示意图。其中，横坐标-纤维切削角度(度)，纵坐标-轴向力(N)。

具体实施方式：

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。本实施例中选用的材料为单向T800级碳纤维强复合材料板，材料厚度为4mm，并切割成24mm×24mm试验件，实验所用刀具为直径6mm小顶角麻花钻，实验所用装置平台为通用的钻削轴向力测试平台，加工参数选用转速3000r/min，进给速度90mm/min，为确认方法的有效性测试两组不同的纤维排布，测定实验具体步骤如下：

1)不对样件进行处理，进行正常钻削制孔加工并测量刀具轴向力，提取制孔稳定阶段轴向力随时间的变化曲线，如图4所示，用于对比轴向力曲线突变现象。

2)选择安装样件的纤维方向k为竖直方向，使用金刚石线切割机对样件进行切割，金刚石线垂直于制孔表面，由试验件右侧边线中点处开始向左侧切割，切割距离为12mm至样件中央位置如附图1，形成的凹槽A宽度约为0.5mm、深度为4mm，取下样件完成制备操作。

3)将样件装夹在钻削实验平台上，手动调整钻头钻削位置，将钻尖对准样件中心的凹槽A，保证钻得的圆孔B与凹槽A相交，完成测力仪参数和机床加工参数设置后进行制孔操作，制孔完成取下样件如附图1中 a)所示，并提取测力仪数据进行分析。

4)在附图2中，根据样件表面纤维排布方向和制孔位置，确定凹槽位置纤维方向k、速度方向v，得到两者的夹角即该凹槽所处点的纤维切削角θ为180°。

5)提取麻花钻的钻削轴向力，关注钻头全部钻入材料阶段的轴向力波动曲线，通过与步骤1)中的轴向力曲线对比，寻找任意轴向力波动周期中的曲线突变点，此突变点对应180°纤维切削角。

6)计算轴向力波动周期为：

故由轴向力突变时刻开始取0.01s内的轴向力曲线，如附图3中 a) 即对应于180°～0°纤维切削角分布。

7)再选择安装样件的纤维方向k为水平方向，如附图1中 b)所示。重复操作1-5，获得纤维切削角θ为90°的凹槽结构和其对应的轴向力波动曲线，如附图3中 b)所示。

8)对比180°和90°两种纤维角度排布的轴向力与纤维切削角度关系，其实验结果基本相同，确认实验操作合理可行，此外根据有突变轴向力与正常制孔轴向力峰值、最小值及力曲线趋势，也可得出正常制孔轴向力随纤维切削角度分布图，如图4所示。

本发明实现了钻削单向纤维增强复合材料轴向力随纤维切削角分布的测定。使用常用的麻花钻进行加工实验，实验操作简单易行，不改变原有钻削测力实验平台。测定方法对钻削制孔加工影响较小，测得轴向力总体变化趋势与正常制孔过程基本相同。通过轴向力突变点标定其对应的纤维切削角，测定结果较为准确。综上，本发明为研究纤维增强复合材料钻削轴向力沿纤维切削角分布提供一种精确测定方法，为后续理论模型建模分析、优化刀具工艺以抑制损伤提供可靠的实验依据。

Claims (1)

1.一种单向复合材料钻削轴向力分布的测定方法，其特征是，该方法对试验样件进行切割处理形成凹槽A，开展钻孔测力实验获得圆孔B；提取钻削轴向力时变曲线，并对比正常轴向力曲线确定任一波动周期轴向力突变时刻；根据纤维方向k、凹槽A和圆孔B位置，计算纤维切削角度θ；由突变时刻轴向力及纤维切削角，结合加工参数进一步计算出全部周期轴向力随纤维切削角分布；具体的实验操作及计算过程如下：

1)样件不进行特殊处理，仅进行常规制圆孔和提取轴向力操作，获取正常钻削过程的轴向力随时间的变化曲线；

2)对合适尺寸的纤维增强复合材料板进行切割处理，工具切削方向垂直于样件加工表面，切割由样件边沿开始进给至中央位置停止，切割形成长度约为样件宽度一半的凹槽A，凹槽槽宽要远小于制孔孔径、深度等于样件板厚；

3)将制备好的样件装夹在钻削测力实验平台上，制孔刀具为复材加工常用的麻花钻刀具，调整钻尖位置对准样件表面的凹槽进行钻孔获得圆孔B，提取轴向力数据；

4)定义沿纤维指向已加工表面方向为纤维方向k，刀具切削刃瞬时旋转方向即孔周任一点切线方向为速度方向v，定义纤维切削角θ为速度方向v与纤维方向k的夹角，角度范围0～180°，对于制孔完毕的样件，基于以上定义确定凹槽位置的纤维切削角θ；

5)分析轴向力曲线，通过对比步骤1)中正常的轴向力变化曲线，寻找任一周期内轴向力的突变时刻，此刻刀刃切削至凹槽位置，轴向力数值对应凹槽所处的纤维切削角；

6)根据实际加工参数，计算刀具旋转一周的时间，由于刀具旋转一周经历两次纤维切削角θ从180°至0°变化，故轴向力波动周期T为刀具旋转周期的一半，由180°开始取一个波动周期时间段轴向力曲线，即为轴向力沿180°～0°纤维切削角分布曲线；

其中，T-轴向力波动周期，s；n-转速，r/min；

7)根据上一步中获取的带有突变轴向力与纤维切削角度关系，将其力曲线与正常制孔轴向力峰值、最小值及力曲线趋势相对应，得出正常制孔轴向力随纤维切削角分布曲线。

Images