CFRP与钛合金叠层结构铰孔刀具寿命的预测方法与流程

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铰孔条件复杂，铰刀结构参数和铰孔工艺参数对铰刀刀具寿命影响较大，铰孔刀具使用寿命难以准确预测。由于缺少有效的叠层结构铰孔刀具寿命预测方法，操作人员难以判断在当前铰孔条件下，铰刀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，因此极大的降低了铰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铰孔刀具寿命的预测方法，国内外进行了大量的研究工作，提出了面向铰孔质量、后刀面磨损等评价指标的铰刀寿命预测方法。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铰孔条件，没有提出碳纤维复合材料与钛合金叠层结构铰孔条件下有效的铰刀寿命预测方法，由于没有考虑叠层结构铰孔过程中钛合金材料对铰孔刀具磨损的影响以及复合材料对钛合金铰削排屑的阻碍影响，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铰孔过程孔径尺寸误差和刀具后刀面磨损情况。

技术实现要素：

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刀具寿命的预测方法，综合考虑孔径尺寸精度和铰孔刀具后刀面磨损两种约束，能有效的预测CFRP与钛合金叠层结构铰孔的最大制孔数量，降低因超出刀具寿命而导致的零件不合格率和报废率，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刀具寿命的预测方法，具体步骤如下：

步骤1、设置叠层结构铰孔孔径尺寸精度标准；

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、设置并输入初始铰孔数量；

步骤4、根据叠层结构平稳铰孔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的孔径尺寸误差；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5、如果步骤4计算获得的孔径尺寸误差小于步骤1设置的孔径尺寸精度，则继续执行步骤6，否则执行步骤9；

步骤6、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的铰刀后刀面磨损值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7、如果步骤6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8，否则执行步骤9；

步骤8、铰孔数量增加1个，返回步骤4；

步骤9、预测分析过程结束，设置叠层结构铰孔刀具寿命为当前制孔数量，输出铰孔刀具寿命、孔径尺寸误差和铰刀后刀面磨损值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与钛合金叠层结构铰孔刀具寿命的预测方法，建立了CFRP与钛合金叠层结构铰孔孔径尺寸误差分析模型、铰刀后刀面磨损(VB值)分析模型，采用多种指标评价铰刀刀具寿命，综合考虑了叠层结构铰孔过程中孔径尺寸精度和铰孔刀具后刀面磨损两种约束，依据当前铰刀结构参数和制孔工艺参数，预测分析铰刀的有效使用寿命，铰刀使用寿命预测结果准确性高，能有效的预测叠层结构铰孔的最大制孔数量，降低因超出刀具寿命而导致的零件不合格率和报废率，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刀具寿命的预测方法流程图；

图2为本发明实施例提供的刀具寿命预测分析过程孔径尺寸误差和后刀面磨损值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)铰孔工艺参数：切削速度为20m/min，进给量为0.03mm/r；

(4)铰孔尺寸精度要求：孔径尺寸满足H9精度；

(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，设置叠层结构铰孔铰刀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、设置并输入初始铰孔数量为5个。

步骤4、根据叠层结构平稳铰孔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的孔径尺寸误差；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5、如果步骤4计算获得的孔径尺寸误差小于步骤1设置的孔径尺寸精度，则继续执行步骤6，否则执行步骤9。

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6。

步骤6、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的铰刀后刀面磨损值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7、如果步骤6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8，否则执行步骤9。

本实施例中，步骤6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8。

步骤8、铰孔数量增加1个，返回步骤4，重复执行步骤4至步骤8，直到孔径尺寸精度不满足或磨钝标准不满足时，执行步骤9。

步骤9、预测分析过程结束，设置叠层结构铰孔刀具寿命为当前制孔数量，输出铰孔刀具寿命、孔径尺寸误差和铰刀后刀面磨损值VB。

执行过程中，孔径尺寸误差和后刀面磨损值VB随制孔数量的变化如图2所示，由图2可知，铰削到42个孔时，虽然刀面磨损仍然满足相关标准，但孔径尺寸误差为0.0361mm，大于设置的孔径尺寸公差0.036mm，所以铰刀的有效刀具寿命预测分析结果为41个制孔数量。

本实施例建立了T300与TC6叠层结构铰孔孔径尺寸误差分析模型、铰刀后刀面磨损(VB值)分析模型，提出一种综合考虑孔径尺寸精度和铰孔刀具后刀面磨损两种约束的刀具寿命预测方法，依据当前铰刀结构参数和制孔工艺参数，预测分析铰刀的有效使用寿命。采用该方法，可以有效预测叠层结构铰孔的最大制孔数量，降低因超出刀具寿命而导致的零件不合格率和报废率，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。