基于钻削力控制的碳纤维增强复合材料层合板无分层钻孔方法技术

一种基于钻削力控制的碳纤维增强复合材料层合板无分层钻孔方法，其在钻头钻削碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板的过程中，控制钻头的钻削轴向力始终小于钻孔分层临界推力值Fa；Fa由下述步骤确定：建立CFRP层合板的分层稳定状态方程；通过建立小挠度薄板的极坐标方程和钻头钻削时的CFRP层合板挠度公式，求出CFRP层合板的最大挠度值X；建立钻削时CFRP层合板的弯曲变形能公式，并求出钻头钻削时CFRP层合板的弯曲变形能U；根据所求得的最大挠度X、弯曲变形能U和建立的CFRP层合板的分层稳定状态方程，确定钻孔分层临界推力值Fa。本发明专利技术实现了CFRP层合板的无分层钻孔加工，避免了钻孔的分层损伤缺陷，提升了产品质量，降低了成本，提高了效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种钻加工方法，具体涉及一种，属于机械加工

技术介绍
碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)是一种新型的以碳或石墨纤维为增强体的树脂基复合材料，因其具有强度高、比刚度高、耐疲劳性能好以及可设计性强等优点广泛应用于制造先进飞机上的主承力结构件，如飞机蒙皮、壁板、机翼中间梁、机身隔框和舱门等部件。在CFRP的切削加工中，钻削是使用最多、应用最广的一种材料加工方式，同时也是航空结构件装配的最终环节。钻削制孔质量的好坏，直接关系·到整个飞机的装配质量和服役寿命。由于CFRP特有的各向异性以及层间接触强度低等特点，使其成为一种典型的难加工材料。在CFRP钻孔过程中，除会出现传统金属材料的制孔缺陷(孔的尺寸误差、圆度误差、位置误差、垂直度误差等)外，还会产生复合材料特有的缺陷，主要表现为入口剥离分层、出口分层、层间分层、撕裂与毛边、孔周表面纤维抽出等，其中分层损伤是最主要的制孔缺陷。据统计，飞机在最后组装时，因钻孔分层而造成的报废率高达60%以上。CFRP层合板钻孔分层缺陷是一种由钻削轴向力引起的I型裂纹(张开型裂纹)而造成的层与层之间的脱胶损伤，因而实现无分层钻孔的关键在于控制住CFRP层合板在钻削分层时的推力，使之小于产生分层缺陷的临界推力值，进而实现无分层制孔加工。目前，有关分层临界推力值的确定大都通过实验加数学拟合的方法来间接求解，即通过测量和记录CFRP层合板在不同切削参数下钻削轴向力值和相应的分层系数，然后通过数值拟合法建立轴向力和分层系数之间的函数关系，进而求解出无分层时的临界推力值。该方法对于原始数据依赖性大，求解精度往往取决于原始数据的采集量以及拟合函数的精度；并且实际钻削加工中CFRP层合板的分层损伤常常不易于观察和检测，尤其是层与层之间的分层损伤，往往需要将材料切开并通过化学剂清洗才能够观察到，在分层区域确定时又常常取决于操作者的实验经验，人为因素影响较大，实验操作繁琐且误差大。经过对现有文献的检索，至今未发现碳纤维增强复合材料层合板无分层钻孔方法的公开报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有碳纤维增强复合材料层合板钻孔方法的不足，提供一种，其基于板壳理论、断裂力学和弹性力学相关知识，通过建立临界推力模型确定出不同钻头钻削CFRP时的临界推力值，并在实际钻孔中控制钻头推力小于该临界推力值，进而实现CFRP层合板的无分层钻孔加工。本专利技术是通过以下技术方案实现的—种，其特征在于，在钻头钻削所述碳纤维增强复合材料层合板的过程中，控制所述钻头的钻削轴向力始终小于钻孔分层临界推力值Fa。所述的钻孔分层临界推力值Fa由下述步骤确定第一步，建立所述碳纤维增强复合材料层合板的分层稳定状态方程Fa · dX- Δ U-Gic · dA = O其中，W是钻削轴向力沿层合板挠度方向所做功，Λ U是弯曲势能， Fa是钻孔分层临界推力值，dX是碳纤维增强复合材料层合板沿钻头位移方向上最大挠度的微分位移，Gic是由轴向力引起的I型裂纹上每单位面积上的临界裂纹传播能，dA为表面能面积的微分面积，该表面能面积是指分层区域最大面积；第二步，将碳纤维增强复合材料层合板简化为一薄板部件，并通过建立小挠度薄板的极坐标方程和钻头钻削时的碳纤维增强复合材料层合板挠度公式，求出碳纤维增强复合材料层合板的最大挠度值X ；所述的小挠度薄板的极坐标方程为「 (d2 I d I O2 V d2w I dw Iq—— 4----1—；--r —rr H----1—z--—=— [^dr r dr r 8Θ~ JIk dr r dr r— δθ J D^ /；=ΤΙ(Γ7)D是碳纤维增强复合材料层合板的抗弯刚度，w是碳纤维增强复合材料层合板在钻削方向的挠度，q是碳纤维增强复合材料层合板中面单位面积上所作用的载荷；所述的层合板挠度公式为W = I*丄[/.(丄 I ^~chA + 丄(In/·-1 +丄/))厂2 + (..’Inr + EJ ,, J J r J ο 4 ' 1 4其中，w是碳纤维增强复合材料层合板在钻削方向的挠度，q是碳纤维增强复合材料层合板中面单位面积上所作用的载荷，A、B、C和E为待定常数；所述的最大挠度值为X = Iim Μ； imx其中，X是碳纤维增强复合材料层合板在钻削方向的最大挠度值；第三步，建立钻削时所述碳纤维增强复合材料层合板的弯曲变形能公式，并根据第二步中所求得的碳纤维增强复合材料层合板在钻削方向的最大挠度值X，求出钻头钻削时碳纤维增强复合材料层合板的弯曲变形能U ;所述的碳纤维增强复合材料层合板弯曲变形能公式为ττ D rrf dzx I /Χ丫』JU 二 — ———+--dxdv 2 y、dr - r dr ) "其中，U是碳纤维增强复合材料层合板的弯曲变形能，D是碳纤维增强复合材料层合板的抗弯刚度，D1是积分面积，X是碳纤维增强复合材料层合板在钻削方向的最大挠度值；第四步，根据第二步中所求得的碳纤维增强复合材料层合板的最大挠度X、第三步中所求得的碳纤维增强复合材料层合板的弯曲变形能U和第一步中建立的碳纤维增强复合材料层合板的分层稳定状态方程，确定钻孔分层临界推力值Fa。所述的控制所述钻头的钻削轴向力始终小于钻孔分层临界推力值Fa是通过调整该钻头的钻削参数来实现的。 与现有技术相比，本专利技术的有益效果是基于CFRP (碳纤维增强复合材料层合板)钻孔分层损伤发生的根本原因，通过板壳理论、断裂力学、弹性力学以及能量法相结合的方法，推导出钻头钻削CFRP时的临界推力模型，进而可确定出特定钻头和特定材料下钻孔分层时的临界推力值，在实际生广加工中控制钻头的钻削轴向力始终小于该钻孔分层临界推力值，实现了 CFRP层合板的无分层钻孔加工，从而避免了钻孔中产生的分层损伤缺陷，降低了因分层缺陷而造成的产品报废，提高了生产效率，降低了生产成本，提升了产品质量。附图说明图I为本专利技术中CFRP层合板简化等效模型。图2为本专利技术的变形能积分区域示意图。图3为本专利技术的CFRP层合板固定边界条件示意图。图4为本专利技术的载荷简化示意图。具体实施例方式本专利技术所述的，针对CFRP层合板钻孔分层临界推力的难以预测性，基于板壳理论、断裂力学和弹性力学相关理论，建立起CFRP层合板钻孔分层临界推力模型，从而确定出钻孔分层临界推力值Fa，并在钻头钻削CFRP层合板的过程中，控制所述钻头的钻削轴向力始终小于钻孔分层临界推力值Fa，从而实现CFRP层合板的无分层钻孔加工。所述的钻孔分层临界推力值Fa的确定步骤具体包括根据CFRP层合板钻孔分层临界状态为应变能(钻削轴向力沿CFRP层合板挠度方向所做功与CFRP层合板的弯曲势能之差)恰好等于形成新裂纹表面所需要吸收的表面能的原理，首先建立CFRP层合板的分层稳定状态方程；然后通过坐标转化法将小挠度薄板的基本微分方程转化为基于极坐标下的挠度方程，根据CFRP层合板所受的等效简化力情况以及载荷边界条件，求出CFRP层合板在钻孔时的最大挠度值；再后利用弹性力学相关理论，并结合层合板在钻削加工时的边界固定条件，建立钻削时CFRP层合板的弯曲变形能公式并求出钻削时CFRP层合板内部所储存的弯曲变形能；最后利用所求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于钻削力控制的碳纤维增强复合材料层合板无分层钻孔方法，其特征在于，在钻头钻削所述碳纤维增强复合材料层合板的过程中，控制所述钻头的钻削轴向力始终小于钻孔分层临界推力值Fa。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：安庆龙，徐锦泱，蔡晓江，魏莹莹，陈明，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：