一种旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构的全过程轴向力预测方法技术

本发明专利技术提出一种旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程轴向力预测方法，首先建立两个主切削刃轴向的运动轨迹方程，并得到钻削过程中的动态钻削厚度和一个振动周期内的平均钻削厚度；其次，对主切削刃和横刃上的轴向力进行了分析与计算，分别建立钻削CFRP时主切削刃上的轴向力微元和横刃上的轴向力微元表达式以及钻削Al时主切削刃上的轴向力微元和横刃上的轴向力微元表达式；再次将钻削全过程划分为钻入CFRP阶段、稳定钻削CFRP阶段、钻削CFRP/Al临界阶段、稳定钻削Al阶段和钻出Al阶段，针对各阶段的加工特性，分别建立五个阶段的轴向力预测模型，最终实现旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程轴向力预测。

A method of axial force prediction for rotary ultrasonic drilling of CFRP/Al laminated structure

The invention presents an axial force prediction method for the whole process of CFRP/Al laminated structure by rotary ultrasonic drilling. First, the motion trajectory equation of two main cutting edges is established, and the dynamic drilling thickness and the average drilling thickness in a vibration period are obtained. Secondly, the axial force on the main cutting edge and the transverse blade is carried out. In the analysis and calculation, the expression of axial force micro element and axial force on the main cutting edge of the main cutting edge of CFRP and the expression of the axial force micro element and the axial force on the main cutting edge of the main cutting edge when drilling Al and the axial force expression on the transverse edge are respectively established, and the whole drilling process is divided into the CFRP stage, the stable drilling CFRP stage and the drilling CFRP/A. The critical stage of L, the stable drilling of the Al stage and the Al stage of drilling. According to the processing characteristics of each stage, the axial force prediction model of five stages is established respectively. Finally, the axial force prediction of the whole process of rotary ultrasonic drilling CFRP/Al laminated structure is realized.

【技术实现步骤摘要】
一种旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构的全过程轴向力预测方法
本专利技术属于旋转超声钻削加工
，特别是一种旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构的全过程轴向力预测方法。
技术介绍
碳纤维复合材料(简称CFRP)由于具有轻质、高比强度、高比刚度等优良的机械性能，在现代制造业(例如军用飞机、航天飞机、船舶、汽车的制造)中得到越来越广泛的应用。由于目前金属材料还不能被完全替代，大量CFRP/金属的叠层结构出现在这些产品中，其中CFRP/Al(铝)叠层的应用最为普遍。CFRP/Al叠层结构需要利用螺栓或铆钉装配在一起，这就需要在连接处加工出大量的连接孔。为了提高装配精度和效率，连接孔采用叠层形式加工。叠层结构的钻削过程可以分为钻入CFRP阶段、稳定钻削CFRP阶段、钻削CFRP/Al临界阶段、稳定钻削Al阶段和钻出Al阶段五个阶段。第一阶段钻入CFRP时，由于材料呈各向异性，极易产生孔口撕裂损伤；第二阶段稳定钻削CFRP时，由于该材料层间强度低、导热性差，极易产生分层损伤；第三阶段钻削CFRP/Al临界部分时，由于切削CFRP产生粉末淤积在CFRP板和Al板之间的间隙中，导致Al板入口的加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程轴向力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立两个主切削刃轴向的运动轨迹方程z1(θ)和z2(θ)：首先根据钻头轴向所加的超声振动的轨迹方程得到钻头主切削刃上任意一点的轴向运动的轨迹方程，再根据钻头转过的角度和时间的关系，得到钻头轴向运动的轨迹方程；最终根据标准麻花钻两主切削刃转过的角度相差π，分别建立两主切削刃轴向的运动的轨迹方程z1(θ)和z2(θ)；步骤2、计算钻削过程中的动态轴向钻削厚度hD和一个振动周期内的平均钻削厚度hDav：首先根据任意一次刀具与工件接触的轨迹方程与前一次刀具与工件接触的轨迹方程的差值，计算钻削CFRP过程中的动...

【技术特征摘要】
1.一种旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程轴向力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立两个主切削刃轴向的运动轨迹方程z1(θ)和z2(θ)：首先根据钻头轴向所加的超声振动的轨迹方程得到钻头主切削刃上任意一点的轴向运动的轨迹方程，再根据钻头转过的角度和时间的关系，得到钻头轴向运动的轨迹方程；最终根据标准麻花钻两主切削刃转过的角度相差π，分别建立两主切削刃轴向的运动的轨迹方程z1(θ)和z2(θ)；步骤2、计算钻削过程中的动态轴向钻削厚度hD和一个振动周期内的平均钻削厚度hDav：首先根据任意一次刀具与工件接触的轨迹方程与前一次刀具与工件接触的轨迹方程的差值，计算钻削CFRP过程中的动态轴向钻削厚度hD；再对动态钻削厚度进行分析，计算一个振动周期内的平均钻削厚度hDav；步骤3、计算CFRP纤维切削角将主切削刃切削多向纤维铺层的CFRP假设为单向纤维铺层的CFRP，根据主切削刃在刀具端面内的投影在t时刻与纤维方向的夹角公式得到实际切削方向与纤维方向的夹角表达式；步骤4、建立主切削刃上的切削宽度的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系式：建立笛卡尔坐标系，根据主切削刃上的切削单元在水平面内的投影dx与dr的关系，利用刀具的钻心角，求得主切削刃上的切削宽度的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系式；步骤5、建立钻削CFRP时钻头主切削刃上轴向力微元的数学模型：根据刀具钻头结构得到刀具法向前角γn与刀具前角和参考角的关系式；再根据上述步骤3得到的实际切削方向与纤维方向的夹角表达式，并结合步骤4得到的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系式，得到钻削CFRP时主切削刃上轴向力微元的数学模型；步骤6、建立钻削Al时钻头主切削刃上轴向力微元的数学模型：基于金属切削经典理论，结合步骤4得到的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系式，得到钻削Al时主切削刃上轴向力微元的数学模型；步骤7、建立钻削CFRP时钻头横刃上的轴向力数学模型：由赫兹接触理论，把横刃压入材料部分近似为半径为re的圆柱体，根据半径re、横刃压入材料宽度的一半a、刀具的楔形角γw求得钻头横刃上的轴向力步骤8、建立钻削Al时钻头横刃上的轴向力数学模型：首先根据横刃压入工件的几何模型和金属材料力学分析，建立钻削Al横刃上的轴向力微元然后对整个横刃进行积分得到横刃上的轴向力步骤9、建立旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构五个阶段的轴向力模型：针对各阶段的加工特性，采用几何解析方法分别建立五个阶段主切削刃上的轴向力积分区间，积分得到主切削刃上的轴向力，接着，通过横刃切削区域分别确定横刃上轴向力，然后，综合主切削刃和横刃上的轴向力获得五个阶段的总轴向力；步骤10、建立旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程的轴向力模型：基于每个阶段切削时间的叠加，将以上五个阶段的预测模型合并成全过程的轴向力模型；步骤11、根据已建立的旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程的轴向力模型，对实际加工中的轴向力进行预测。2.如权利要求1所述的一种旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程轴向力预测方法，其特征在于，所述步骤1中两主切削刃轴向的运动的轨迹方程z1(θ)和z2(θ)分别表示为：其中，z1(θ)为1刃的轨迹方程，z2(θ)为2刃的轨迹方程；θ为钻头转过的角度；F为超声振动频率；A为超声振幅；vf为进给速度；n为转速。3.如权利要求2所述的一种旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程轴向力预测方法，其特征在于，当刀具一直与工件接触时，钻削厚度即为两条主切削刃的运动轨迹z1(θ)和z2(θ)的差值，动态轴向钻削厚度hD表示为：当钻头与工件间断性接触时，工件上某个要切除的表面将由1或者2切削刃经过多个周期后接触工件时产生，此时这个切削刃的轨迹方程表示为：钻头的动态轴向钻削厚度为：任意一次刀具与工件接触的轨迹方程与前一次刀具与工件接触的轨迹方程的差值，用下式表示：hD＝zm+1(θ)-max(z1(θ),z2(θ)...,zm(θ))其中，m为k的取值范围，m≥1，对动态钻削厚度进行分析可知，在刀具旋转过程中动态钻削厚度是呈周期性变化的，所以为获得平均钻削厚度只需要选取一个振动周期进行研究，在一个振动周期内平均钻削厚度可表示为：其中，AD，bD分别为一个振动周期内的切削面积和刀具运动的轨迹长度。4.如权利要求3所述的一种旋转超声钻削CFRP/Al叠层结构全过程轴向力预测方法，其特征在于，在单向纤维铺层的CFRP中，主切削刃在刀具端面内的投影在t时刻与纤维方向的夹角为：得到实际切削方向与纤维方向的夹角表达式为：其中，p是钻头的半锋角。5.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖文和，董松，郑侃，李志华，马文瑞，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32