纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法
【专利摘要】一种纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法，其特征是它包括以下步骤：首先，确定初级参数，将麻花钻主切削刃和横刃均划分为无限小的微元，求解次级参数。其次，确定钻削过程中，主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角。第三，计算主切削刃切削金属时微元上的切削力。第四，根据钻削过程中每个时刻切削刃和工件材料的相对状态，将叠层钻削过程划分为五个阶段，确定每个阶段的积分上下限。第五，根据积分公式计算一个完整周期的瞬时钻削轴向力。本发明充分考虑了纤维方向角对切削微元的影响，给出了叠层钻削全周期五阶段钻削轴向力预测方法，体现了叠层结构钻削力时丢失瞬时波动信息。
【专利说明】
纤维増强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种机械加工技术，尤其是一种切削力预测方法，具体地说是一种纤 维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法。
【背景技术】
[0002] 在航空航天飞行器结构中，碳纤维增强复合材料逐步取代部分传统金属材料，形 成大量的复合材料/金属叠层结构（以下简称叠层结构）。叠层结构的机械连接是目前装配 中的主要连接工艺，需要使用麻花钻进行预制孔的加工。一方面复合材料由于其各向异性 和非均质的特点，本身就属于难加工材料，容易出现分层、撕裂、磨损等问题，另一方面叠层 材料的钻削工艺需要同时满足两种不同材料，因此叠层材料的钻削成为一项挑战性的任 务。钻削力是联通钻削工艺和终孔质量的桥梁，是钻削工艺参数决策、加工质量控制的基本 依据，高效、准确的叠层结构钻削力预测模型对保证终孔表面质量、延长刀具寿命以及提高 装配效率具有重要的指导意义。
[0003] 当前学者们对叠层结构钻削展开了基于试验观测的唯象研究，没有基于解析理论 的钻削力预测建模研究。国内外对金属钻削力建模的研究较为成熟，一般采用微元法，将切 削刃划分为足够小的微元，每个微元上采用经典剪切面模型预测微元力，然后将所有微元 力积分叠加。对复合材料钻削力的研究起步较晚，基本思路是借鉴金属钻削力建模的方法， 在微元上采用当量纤维方向角的概念均匀化差异性微元。这种方法处理较为简单，但不能 如实反映纤维方向角对微元力的决定性影响，仅仅得到了钻削力平均曲线，丢失了瞬时波 动的信息。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有的钻削和预测模型为能适应叠层材料需要，因此直接影 响叠层材料钻孔工艺参数决策的问题，为克服现有方法在预测叠层结构钻削力时丢失瞬时 波动信息的不足，发明一种面向纤维增强复合材料/金属叠层结构的麻花钻钻削轴向力预 测方法，它充分考虑了纤维方向角对切削微元的影响，给出了叠层钻削全周期五阶段钻削 轴向力预测方法。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] -种纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法，其特征是：
[0007] 首先，确定初级参数，将麻花钻主切削刃和横刃均划分为无限小的微元，根据经典 金属钻削几何关系（参见文献Altintas Y(2012Manufacturing automation :metal cutting mechanics,machine tool vibrations,and CNC design.Cambridge university press, Cambridge)由钻削初级参数求解次级参数。
[0008] 其次，确定钻削过程中，主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角。
[0009] 第三，引入经典金属细观切削和复材细观切削的预测模型（参见文献Guo DM，Wen Q,Gao H,Bao YJ(2012)Prediction of the cutting forces generated in the drilling of carbon-fibre-reinforced plastic composites using a twist drill.P I Mech Eng B-J Eng 226:28-42)，并计算主切削刃切削金属时微元上的切削力。
[0010] 第四，根据钻削过程中每个时刻切削刃和工件材料的相对状态，将叠层钻削过程 划分为五个阶段，确定每个阶段的积分上下限。
[0011] 第五，根据积分公式计算一个完整周期的瞬时钻削轴向力。
[0012] 具体步骤如下：
[0013] 首先，获取钻削所需的初级参数，并将钻头主切削刃和横刃均划分为无限小的微 元，根据经典金属钻削几何关系由钻削初级参数求解得到次级参数；
[0014] 其次，确定钻削过程中，主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角0;假设主切削 刃上任意一点的极径为P，距离横刃的垂直高度为z，那么该点所处层距离表层的高度Hg为：
[0015] Hg = ft-z
[0016] 式中f为进给速度，t为钻削时间。
[0017]该点所处层距离表层的层数差距kp通过取整求得：
[0019]根据层数和CFRP的铺层方式确定该层的铺层角度g，求式中Hply为复合材料单层厚 度。
[0020]解得到任意微元处的纤维方向角：
[0022] 式中Kt为钻头半锋角j是横刃和纤维方向之间的平面角度，可以由下式求解：
[0023] i]) = 23int+it〇+g
[0024]其中加是钻头横刃接触CFRP表层时横刃和纤维方向之间的初始角度，取值为0到 n;n为自然数；
[0025]第三，引入经典金属细观切削和复材细观切削的预测模型，并计算主切削刃切削 金属时微元上的切削力：
L0027」式中y a、yp、a。、《、P、Kt、As分别是钻头的前角、后角、切削厚度、半横刃宽度、极 径、半锋角和刃倾角;i=、if分别为金属直角切削模型中的径向力和切向力。
[0028]计算钻头主切削刃切削复合材料时微元上的切削力
式中0为纤维方向 角;分别为复合材料直角切削模型中的径向力和切向力。
[0030]计算任意特定微元在钻头轴向的作用力 \dFu =dF'1 cosv, sinA； -Jf',w(cosr/5cos/v*, +sin^?sin v-, sinr )
[0031] ^ ' ；. ' _ . ? ? 式中Td为切削角，可 \dh, = dr： cosyd sin k, - aFv \co^f co%Kt + sin (>9sin yd sin Kt) 以表示为
|式中：D为钻头直径。
[0033]对设定的一段主切削刃上的微元轴向力进行积分，即可获得该切削刃的轴向切削 Pf = \LU dF^! 力d 第四，根据钻削过程中每个时刻切削刃和工件材料的相对状态，将叠层 Fr=LdFi' 钻削过程划分为五个阶段，确定每个阶段的积分上下限；
[0034] 以横刃刚接触叠层结构表面为时间零点，即有
[0035] to = 0那么在恒速进给的前提下，可以得到
[0040]式中：HC为复合材料板厚度;Hm为金属板厚度;ZE为主切削刃沿钻头轴线的投影高 度;A为横刃斜角。
[0041]阶段1(如~以)积分上限和下限分别是
[0044]阶段n (以~〖2)积分上限和下限分别是 [0045] LU = R
[0047] 阶段m(t2~t3)积分上下限与阶段n相同，积分分界线是
[0048] L,M. - p{t) = ^[f -(t -t,)- tanKt - (0cot(p^\ + (0'
[0049] 阶段IV(t3~t4)积分上下限与阶段n相同，阶段V(t4~t 5)积分上下限
[0050] LD = p(r) =、/[/' (V -(.!)_ t.an/r, -wcc)ti^.]- + ftT: L" = /?第五，得到一个完整周期的 瞬时钻削轴向力：
[0052] 式中为复合材料主切削刃微元力轴向分量，if为金属主切削刃微元力轴向分 量，为复合材料横刃微元力轴向分量，禮为金属横刃微元力轴向分量。
[0053] 所述的初级参数主要包括钻削时的转速、进给率及刀具几何参数。
[0054] 所述的钻头为麻花钻。
[0055] 所述的次级参数主要包括切削厚度、工作前角、工作后角和刃倾角。本发明的有益 效果：
[0056] 本发明通过建立叠层结构全周期瞬时钻削力预测模型，克服了现有方法在预测叠 层结构钻削力时丢失瞬时波动信息的不足。与现有复合材料钻削力预测方法相比，考虑了 每个切削微元的纤维方向角实时变化，提高了复合材料钻削力预测精度;将钻削过程划分 为五个阶段，展现了钻削过程中不同时刻切削刃和工件材料的不同切削状态，完成了叠层 钻削全周期瞬时轴向力预测。通过调节工艺参数从而限定轴向力，适用于钻削过程中损伤 尤其是分层损伤抑制。
【附图说明】
[0057] 图1是纤维方向角随极径变化规律图。
[0058]图2是叠层结构钻削阶段划分示意图。
[0059]图3是实施实例叠层钻削轴向力预测曲线图。
[0060] 图中：0_纤维方向角;P-极径。
【具体实施方式】
[0061] 下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。
[0062] 如图1-3所示。
[0063] -种纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法，它包括以下 步骤：
[0064] 首先，获取初级参数。CFRP铺层顺序为[0°/-45°/90°/45° ]5S，每层厚度0? 125mm，总 计厚度5mm，纵向杨氏模量为140GPa，横向杨氏模量8.5GPa，泊松比0.34;铝合金厚度为5mm， 杨氏模量70GPa，泊松比0.34;钻头直径3.5mm，锋角118°，名义螺旋角30°，静态参考后角 12°，横刃宽度0 ? 7mm，横刃斜角126° ;主轴转速4000r/min，进给0 ? 06mm/s。将麻花钻主切削 刃和横刃均划分为无限小的微元，根据经典金属钻削几何关系由钻削初级参数求解次级参 数。
[0065]其次，确定钻削过程中，主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角，如图1所示。 [0066]第三，计算主切削刃切削金属时微元上的切削力。首先引入细观层面的切削力模 型作为输入，引入经典错合金直角切削模型（参见文献Altintas Y(2012Manufacturing automat ion:metal cutting mechanics,machine tool vibrations,and CNC design.Cambridge university press,Cambridge)：
[0068]根据斜角变换关系，可以得到斜角切削公式：
[0070]引入单向复合材料细观直角切削模型
计算任意设定微元 在钻头轴向的作用力 dF:1 =dF.'" cosZ/SinA； -dF.'1 (cos (pco?>K, +sin ^?sin y, sin/k；)
[0072] <.. ： ' . ?、对所设定的一段主 aF: = dF- cos ysm k, - dF. (cos cos a; + sin c-?sin y, sin j 切削刃上的微元轴向力进行积分，即可获得该切削刃轴向切削力。 fM - iLL ^PM
[0073] ' ^第四，根据钻削过程中每个时刻切削刃和工件材料的相对状态，将 叠层钻削过程划分为五个阶段，如图2所示。确定每个阶段的积分上下限。
[0074] 以横刃刚接触叠层结构表面为时间零点，即有to = 0那么在恒速进给的前提下， 可以得到
[0075]阶段I(t〇~t〇积分上限和下限分别是：
[0077] 阶段n (ti~t2)积分上限和下限分别是
[0078] LU = R=1.75mm
[0080]阶段m(t2~t3)积分上下限与阶段n相同，积分分界线是 [0081 ] LM = df) = V[0. 0999(，-0. 78) +0? 2543]2 +0? 1225mm
[0082] 阶段IV(t3~t4)积分上下限与阶段n相同，阶段v(t4~t 5)积分上下限
[0083] LD = p{t) = ^j[0. 0999(/-7.50) + 0. 2543f +0. 1225mm
[0084] LU = R= 1.75mm
[0085] 第五，根据分段函数各自积分计算出一个完整周期的瞬时钻削轴向力，计算公式 如下：
6
[0087]计算结果如图3所示。
[0088]本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
【主权项】
1. 一种纤维增强复合材料/金属叠层全周期瞬时钻削轴向力预测方法，其特征是： 首先，获取钻削所需的初级参数，将钻头主切削刃和横刃均划分为无限小的微元，由初 级参数求解次级参数； 其次，确定钻削过程中，钻头主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角； 第=，计算钻头主切削刃切削金属时微元上的切削力； 第四，根据钻削过程中每个时刻钻头切削刃和工件材料的相对状态，将叠层钻削过程 划分为五个阶段，确定每个阶段的积分上下限； 第五，根据积分公式得到一个完整周期的瞬时钻削轴向力。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是它包括W下具体步骤： 首先，获取钻削所需的初级参数，并将钻头主切削刃和横刃均划分为无限小的微元，根 据经典金属钻削几何关系由钻削初级参数求解得到次级参数； 其次，确定钻削过程中，主切削刃上任意切削微元处的纤维方向角0;假设主切削刃上 任意一点的极径为P，距离横刃的垂直高度为Z，那么该点所处层距离表层的高度Hg为： Hg = ft-z 式中f为进给速度，t为钻削时间；该点所处层距离表层扩 根据层数和CFRP的铺y为复合材料单层厚度； 解得到任意微元处的自 式中Kt为钻头半锋角是横刃和纤维方向之间的平面角度，可W由下式求解： 4 = 2町化+恥+邑 其中(60是钻头横刃接触CFRP表层时横刃和纤维方向之间的初始角度，取值为O到n;n为 自然数； 第S，引入经典金属细观切削和复材细观切削的预测模型，并计算主切削刃切削金属 时微元上的切削力：式中丫 a、丫 e、a。、CO、P、Kt、As分别是钻头的前角、后角、切削厚度、半横刃宽度、极径、半 锋角和刃倾角；说、诗分别为金属直角切削模型中的径向力和切向力； 计算钻头主切削刃切削复合材料时微元上的切削力：式中0为纤维方向角. 坑、巧分别为复合材料直角切削模型中的径向力和切向力； 计算任意微元在钻头轴向的作用力： 受中丫 d为切削角，可W表 示为：式中:D为钻头直径； 对设定的一段主切削刃上的微元轴向力进行积分，即可获得该切削刃的轴向切削力；美中：i","表示：主切削刃切削金属材料时轴向切削力，if表示:主切削刃切 削复合材料时轴向切削力； 第四，根据钻削过程中每个时刻切削刃和工件材料的相对状态，将叠层钻削过程划分 为五个阶段，确定每个阶段的积分上下限； W横刃刚接触叠层结构表面为时间零点，即有 to = 0那么在恒速进给的前提下，可W得到式中：此为复合材料板厚度;Hm为金属板厚度;Ze为主切削刃沿钻头轴线的投影高度;獲 为横刃斜角； 阶段Kto~ti)积分上限和下限分别是：阶段n (ti~t2)积分上限和下限分别是： LU = R阶段虹（t2~t3)积分上下限与阶段n相同，积分分界线是：阶段IV(t3~t4)积分上下限与阶段n相同，阶段V(t4~t5)积分上下限：春五，得到一个完整周期的瞬时钻 削轴向力：式中：巧为复合材料主切削刃微元力轴向分量，巧为金属主切削刃微元力轴向分量， 巧*为复合材料横刃微元力轴向分量，i端为金属横刃微元力轴向分量。3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的初级参数主要包括钻削时的转速、 进给率及刀具几何参数。4. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的钻头为麻花钻。5. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的次级参数主要包括纤维方向角、切 削厚度、工作前角、工作后角和刃倾角。
【文档编号】G06F19/00GK105912868SQ201610239660
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】齐振超, 丁力平, 陈文亮, 潘国威, 周平, 李志鹏, 刘斌彦
【申请人】南京航空航天大学