CFRTP/Ti叠层制孔钻削力和材料去除机理分析方法技术

本发明专利技术提供了一种CFRTP/Ti叠层制孔钻削力和材料去除机理分析方法，该方法包括：建立包含材料的应变硬化、应变速率强化以及热软化效应的钻削加工热力耦合材料本构模型；对CFRTP/Ti叠层制孔过程进行有限元仿真分析；搭建包括数控加工中心、钻削力测量系统、夹具、计算机的CFRTP/钛合金叠层构件钻削试验平台，对CFRTP/Ti叠层构件试验，通过实验验证模型的准确性。本申请通过建立钻削加工热力耦合有限元模型，完成对CFRTP/Ti叠层制孔过程的有限元仿真分析，并通过实验验证模型的准确性，为叠层制孔过程力热分布及缺陷形成机理提供理论支撑。基于仿真得到的钻削轴向力

【技术实现步骤摘要】
CFRTP/Ti叠层制孔钻削力和材料去除机理分析方法


[0001]本专利技术涉及CFRTP/Ti叠层材料去除机理分析
，特别地涉及一种CFRTP/Ti叠层制孔钻削力和材料去除机理分析方法。

技术介绍

[0002]碳纤维复合材料(CFRTP)和钛合金均具有质量轻、比强度高、耐疲劳及耐腐蚀等优点，且两者都在航空制造领域得到广泛应用，CFRTP和钛合金的用量占比已成为衡量飞机先进性的重要技术指标之一。CFRTP与钛合金的叠层结构广泛应用在现代飞机中，这种叠层结构的强度高达830MPa而密度只有约4g/cm3，可大幅减轻飞机重量、减少油耗。但由于CFRTP和钛合金加工性能的差异性，加工参数难以统一，易形成双阶孔现象，这种叠层结构的制孔是飞机装配连接中的一大难题。对叠层制孔过程进行仿真分析，有助于从机理上把握缺陷形成的原因，对合理规划加工参数，改善加工后孔壁质量及提高刀具寿命等具有重要意义。

技术实现思路

[0003]针对上述现有技术中，叠层制孔机理不明确的问题，本申请提出了一种CFRTP/Ti叠层制孔钻削力和材料去除机理分析方法。切削加工是一个热力耦合条件下的材料复杂的失效破坏过程，对于CFRTP/Ti叠层构件，在实际生产中，材料性能、刀具的几何参数、钻削参数等，都是影响加工最终尺寸精度、形位精度及表面质量的重要因素。为探究上述因素对加工过程的影响，本申请建立了一种叠层制孔热力耦合有限元模型，用于模拟CFRTP/Ti叠层构件加工过程的钻削力，切屑形貌等数据，为把握叠层材料钻孔过程力热情况及分析加工缺陷形成机理提供更直观的参考。
[0004]本专利技术的CFRTP/Ti叠层制孔钻削力和材料去除机理分析方法，包括：建立包含材料的应变硬化、应变速率强化以及热软化效应的钻削加工热力耦合材料本构模型；对CFRTP/Ti叠层制孔过程进行有限元仿真分析；搭建包括数控加工中心、钻削力测量系统、专用夹具、计算机的CFRTP/钛合金叠层构件钻削试验平台，对CFRTP/Ti叠层构件试验，通过实验验证模型的准确性。
[0005]优选地，所述材料本构模型为：
[0006][0007]式中，σ为流动应力，A、B、n、C和m为材料相关的系数，ε
p
为应变，为应变率，为参考应变率，T
room
和T
melt
分别为室温和材料熔化温度，T为材料温度变量。
[0008]优选地，纤维拉伸破坏以及纤维压缩破坏失效因子计算式为：
[0009][0010]基体拉伸破坏σ
22
≥0以及基体压缩破坏σ
22
＜0失效因子计算式为：
[0011][0012]式中，σ
11
、σ
22
和τ
12
分别为面内拉应力、面内压应力和面内剪应力，纤维拉伸破坏σ
11
≥0，纤维压缩破坏σ
11
＜0，基体拉伸破坏σ
22
≥0，基体压缩破坏σ
22
＜0；m和f分别表示基体和纤维；C和T分别表示压缩和拉伸；为纤维纵向拉伸强度，为纤维纵向压缩强度；为基体横向拉伸强度,基体横向压缩强度；为剪切强度；α为剪应力对纤维拉伸破坏的影响系数，和分别表示纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸和基体压缩起始因子。
[0013]优选地，所述有限元仿真分析包括：首先，把CFRTP/Ti叠层板的四边和底面固定，U
x
＝U
y
＝U
z
＝UR
x
＝UR
y
＝UR
z
＝0，从而确保在有限元仿真过程中工件不会移动；然后限制钻头延X、Y方向的移动和转动，U
x
＝U
y
＝UR
x
＝UR
y
＝0，并赋予钻头延Z方向的移动速度，以及Z方向的转动转速；
[0014]其中，U
x
、U
y
和U
z
分别表示沿X、Y和Z方向的平动，UR
x
、UR
y
和UR
z
分别表示以X、Y和Z为轴的转动。
[0015]优选地，对CFRTP/Ti叠层构件的试验包括5个阶段：第1阶段，刀具钻尖从刚刚接触CFRTP直到完全钻入CFRTP，这个过程的钻削轴向力不断增加，从0N上升至126.6N；第2阶段，此时的刀具完全切削CFRTP直到钻尖接近钛合金板上表面，这个过程的钻削轴向力先增加后降低，波动较为平稳，从126.6N先上升至153.5N后下降为114.7N；第3阶段，刀具钻尖从刚刚接触钛合金直到完全钻入钛合金，这个过程的刀具同时切削CFRTP和钛合金，且钻削轴向力急速增加，从114.7N上升至528.6N；第4阶段，此时刀具完全切削钛合金直到钻尖接近钻出钛合金，这个过程的钻削轴向力先增加后降低，波动较为平稳，从528.6N先上升至633.2N后下降为539.6N；第5阶段，刀具钻尖从刚刚钻出钛合金直到结束，基于仿真得到的钻削轴向力
‑
时间曲线，对钻削过程中五个阶段的轴向受力情况进行分析。
[0016]上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本专利技术的目的。
[0017]本专利技术提供的一种CFRTP/Ti叠层制孔钻削力和材料去除机理分析方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：本申请通过建立钻削加工热力耦合有限元模型，完成对CFRTP/Ti叠层制孔过程的有限元仿真分析，并通过实验验证模型的准确性，为叠层制孔过程力热分布及缺陷形成机理提供理论支撑。基于仿真得到的钻削轴向力
‑
时间曲线，对钻削过程中五个阶段的轴向受力情况进行分析。基于仿真结果分析了切屑形成机理。CFRTP/Ti两种材料产生的切屑形貌不同，CFRTP切屑为粉末状，钛合金切屑为螺旋带状。钛合金切屑在排出过程中易造成已加工孔壁表面划伤、撕裂和烧伤，降低叠层材料的使用性能，通过合适的辅助措施可有效提升钻孔质量。对钻削过程的仿真研究，可以为钻孔技术的革新提供理论支撑。随着对CFRTP/Ti叠层构件钻削的理解更加深入，复合材料装配连接问题逐步解决，为航空制造等领域打下坚实的基础。该研究受到基础加强计划
基金项目(2019
‑
JCJQ
‑
JJ
‑
341)的资助。
附图说明
[0018]在下文中将基于实施例并参考附图来对本专利技术进行更详细的描述。其中：
[0019]图1为刀具几何模型图；
[0020]图2为有限元仿真分析图；
[0021]图3为CFRTP/钛合金叠层构件钻削试验平台示意图；
[0022]图4为实验和有限元的钻削力对比图；
[0023]图5为钻削轴向力随时间的变化特征曲线图；
[0024]图6为叠层构件切削过程分析图；
[0025]图7为CFRTP/Ti叠层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CFRTP/Ti叠层制孔钻削力和材料去除机理分析方法，其特征在于，建立包含材料的应变硬化、应变速率强化以及热软化效应的钻削加工热力耦合材料本构模型；对CFRTP/Ti叠层制孔过程进行有限元仿真分析；搭建包括数控加工中心、钻削力测量系统、夹具、计算机的CFRTP/Ti叠层构件钻削试验平台，对CFRTP/Ti叠层构件试验，通过实验验证模型的准确性。2.根据权利要求1所述的CFRTP/Ti叠层制孔钻削力和材料去除机理分析方法，其特征在于，所述材料本构模型为：式中，σ为流动应力，A、B、n、C和m为材料相关的系数，ε
p
为应变，为应变率，为参考应变率，T
room
和T
melt
分别为室温和材料熔化温度，T为材料温度变量。3.根据权利要求2所述的CFRTP/Ti叠层制孔钻削力和材料去除机理分析方法，其特征在于，纤维拉伸破坏以及纤维压缩破坏失效因子计算式为：基体拉伸破坏σ
22
≥0以及基体压缩破坏σ
22
＜0失效因子计算式为：式中，σ
11
、σ
22
和τ
12
分别为面内拉应力、面内压应力和面内剪应力，纤维拉伸破坏σ
11
≥0，纤维压缩破坏σ
11
＜0，基体拉伸破坏σ
22
≥0，基体压缩破坏σ
22
＜0；m和f分别表示基体和纤维；C和T分别表示压缩和拉伸；为纤维纵向拉伸强度，为纤维纵向压缩强度；为基体横向拉伸强度,基体横向压缩强度；为剪切强度；α为剪应力对纤维拉伸破坏的影响系数，和分别表示纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸和基体压缩起始因子。4.根据权利要求1所述的CFRTP/Ti叠层制孔钻削力和材料去除机理分析方法，其特征在于，所述有限元仿真分析包括：首先，把CFRTP/Ti叠层板的四边和底面...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐振超，李丰臣，戴仡智，杨洁，孙家豪，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：