[发明专利]一种超声振动辅助钻削CFRP的轴向力预测方法

说明书

本发明提出一种超声振动辅助钻削CFRP的轴向力预测方法，首先根据超声振动条件下钻削特点，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；其次根据麻花钻的主切削刃和横刃在钻削过程中起到的作用不同，分别对主切削刃和横刃上的轴向力进行了分析与计算，计算CFRP纤维切削角，建立主切削刃上的切削宽度的微分单元与钻头半径的微分单元的关系；最后根据建立的主切削刃上轴向力和建立的刀具横刃上的轴向力获得总的轴向力，对不同参数下的轴向力进行预测；利用本发明的预测方法，其预测结果更加符合实际加工状况，提高了预测精度。

技术领域

本发明属于超声振动辅助钻削加工技术领域，特别是一种超声振动辅助钻削CFRP的轴向力预测方法。

背景技术

碳纤维复合材料(简称CFRP)以其优良的物理性能(高比硬度、高比强度、耐高温、耐热冲击等)，使其成为航空航天结构件中的主流材料。然而CFRP材料呈各向异性、层间强度低、导热性差，在机械加工过程中，特别是在钻孔过程中极易产生分层和毛刺等损伤。其中分层损伤是加工中存在的主要问题，会严重降低材料的力学性能和零部件的使用性能。有研究表明，CFRP的钻孔过程中存在一个临界轴向力，当轴向力小于该临界轴向力值就不会发生分层，因此通过控制轴向钻削力可以有效减少分层损伤。现有研究显示，超声振动辅助钻削技术是解决这一问题的理想途径。

钻削力是衡量加工过程稳定性的重要指标，钻削力的大小直接影响加工的状态和质量。因此，钻削加工过中的轴向力预测对实际钻削加工具有重要的指导意义。目前已有的基于理论分析的钻削力模型，例如文献Meng QX,Zhang KF,Cheng H.An analyticalmethod for predicting the fluctuation of thrust force during drilling ofunidirectional carbon fiber reinforced plastics,Journal of CompositeMaterials,2014,49(6):699-711.发表了一种基于CFRP力学特性的数学模型，考虑到了加工参数和刀具结构对钻削力的影响，但是该模型只适用于无超声条件下，并不能用于超声条件下钻削CFRP轴向力的预测。由于CFRP特殊的力学性能，其去除机理和其他材料完全不同，在其他材料上考虑到超声作用所建的数学模型也不适用于预测CFRP钻削过程的轴向力。因此，目前在对超声辅助钻削CFRP轴向力方面的研究还存在不足，所建的模型适用性较差，预测精度欠佳。

发明内容

本发明的目的旨在解决现有轴向力建模中，未能同时考虑到振动参数和CFRP的材料特殊的去除机理对轴向力的影响，预测精度不准的问题，提出了一种超声振动辅助钻削CFRP的轴向力预测方法，能够提高CFRP材料超声振动辅助钻削过程中轴向力的准确度。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种超声振动辅助钻削CFRP的轴向力预测方法，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z_a(θ)和z_b(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z_a(θ)和z_b(θ)；

步骤2、计算钻削CFRP过程中的动态轴向钻削厚度h_D和一个振动周期内的平均钻削厚度h_Dav：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h_D；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h_Dav；