CFRP与钛合金叠层结构钻孔工艺的优化方法

摘要

本发明提供一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔工艺的优化方法，涉及碳纤维复合材料与钛合金叠层装配技术领域。该方法综合考虑复材钻孔缺陷、钻孔刀具后刀面磨损和钻孔刀具使用寿命等约束，依据当前钻头结构参数、复材分层/撕裂缺陷标准和制孔数量，优化钻孔的切削速度和进给量。本发明能有效提高CFRP与钛合金叠层结构钻孔效率，降低零件的不合格率和报废率，并使制孔刀具发挥出最大的钻孔能力。

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料与钛合金叠层装配技术领域，尤其涉及一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔工艺的优化方法。

背景技术

碳纤维复合材料(CFRP)具有密度低、强度高、比强度大、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车、导弹等领域得到广泛的应用。例如，波音787客机机身表面90％都采用了碳纤维复合材料，我国新型航空飞行器也逐渐增加碳纤维复合材料使用的比例，航空飞行器复合材料及钛合金的应用比例已经成为衡量其先进性的重要指标之一。

随着先进航空飞行器广泛使用碳纤维复合材料，碳纤维复合材料与钛合金叠层装配结构的制孔需求越来越大，波音787客机装配需要加工400万个碳纤维复合材料与钛合金叠层结构孔。由于碳纤维复合材料与钛合金的难加工特性及其相互制约、影响，制孔过程存在着制孔效率低、制孔质量不易保证、零件不合格率和报废率难以控制的突出问题。

碳纤维复合材料与钛合金叠层结构钻孔条件复杂，由于缺少有效的叠层结构钻孔工艺优化方法，工艺设计和操作人员难以选择与当前钻头几何参数、钻孔刀具磨钝标准、复材分层/撕裂缺陷标准等因素相匹配的钻孔切削速度和每转进给量。采用不合理的钻孔工艺，导致钻孔刀具的快速磨损、复材缺陷超出允许的缺陷标准、钻孔刀具有效使用寿命的降低。

针对碳纤维复合材料与钛合金叠层结构钻孔工艺的优化方法，国内外进行了大量的研究工作，提出了基于制孔试验、遗传算法、神经元网络等方法的钻孔工艺参数优化方法和变工艺参数等优化方法。这些优化方法存在以下不足：(1)没有考虑钻头螺旋角、顶角、外缘后角等结构几何参数对钻孔工艺的影响，因而不能根据钻头结构的变化合理优化叠层结构的制孔工艺参数；(2)约束条件不全面，优化结果不能综合反映叠层结构钻孔过程复材缺陷、钻头后刀面磨损、刀具寿命对叠层结构钻孔工艺参数的影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔工艺的优化方法，综合考虑复材钻孔缺陷、钻孔刀具后刀面磨损和钻孔刀具使用寿命等约束，依据当前钻头结构参数、复材分层/撕裂缺陷标准和制孔数量，优化钻孔的切削速度和进给量，能有效提高叠层结构钻孔效率，降低零件的不合格率和报废率，并使制孔刀具发挥出最大的钻孔能力。

一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔工艺的优化方法，具体步骤如下：

步骤1、设置分层缺陷和撕裂缺陷的标准，即分层缺陷区域的最大直径和撕裂缺陷区域的最大直径；

步骤2、设置叠层结构钻孔钻头磨钝标准为钻头后刀面磨损值VB不大于0.08mm；

步骤3、设置叠层结构优化范围，即最大钻孔数量与最小钻孔数量、最大许用切削速度与最小许用切削速度和最大许用每转进给量与最小许用每转进给量；

步骤4、输入钻孔数量；

步骤5、输入切削速度和每转进给量；

步骤6、如果输入的切削速度和每转进给量分别小于等于步骤3设置的最大许用切削速度和最大许用每转进给量，则执行步骤7，否则执行步骤14；

步骤7、根据叠层结构钻孔平稳初始阶段钻孔动态实时轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型，计算动态实时轴向切削力；所述钻孔动态实时轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型如式(1)所示；

F_z＝1.136N+102.927+F_zf>

其中，F_z为钻孔轴向切削力，N为钻孔数量，F_zf为钻孔轴向切削力修正值，F_zf的计算如式(2)所示；

其中，β为钻头螺旋角，α_r为钻头外缘后角，为钻头顶角，Vc为钻孔切削速度，fr为钻孔每转进给量；

步骤8、根据步骤1设置的缺陷标准、分层缺陷评价分析模型和撕裂缺陷评价分析模型，计算分层缺陷临界切削力和撕裂缺陷临界切削力；所述分层缺陷评价分析模型和撕裂缺陷评价分析模型分别如式(3)和式(4)所示；

其中，D_m为分层缺陷区域的最大直径，D_L为分层缺陷区域钻孔直径，D′_m为撕裂缺陷区域的最大直径，D_T为撕裂缺陷区域钻孔直径；

步骤9、如果步骤7计算获得的动态实时轴向切削力小于步骤8计算获得的分层缺陷临界切削力，则执行步骤10，否则执行步骤14；

步骤10、如果步骤7计算获得的动态实时轴向切削力小于步骤8计算获得的撕裂缺陷临界切削力，则执行步骤11，否则执行步骤14；

步骤11、根据叠层结构钻孔平稳初始阶段钻头后刀面磨损值VB随制孔数量变化的映射关系模型，计算在当前钻头结构几何参数、钻孔工艺参数和钻孔数量条件下的钻头后刀面磨损值VB；所述钻头后刀面磨损值VB随制孔数量变化的映射关系模型如式(5)所示；

VB＝0.001333N-0.01333+VB_f>

其中，VB为钻头后刀面磨损值，VB_f为后刀面磨损修正值，VB_f的计算如式(6)所示；

步骤12、如果步骤11计算获得的VB值小于步骤2设置的磨钝标准VB值，则执行步骤13，否则执行步骤14；

步骤13、增加切削速度和每转进给量，返回步骤6；

步骤14、增加1个钻孔数量；

步骤15、如果钻孔数量小于等于步骤3设置的最大钻孔数量，则返回执行步骤5，否则结束优化过程，输出最优的切削速度、每转进给量和钻孔数量。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的CFRP与钛合金叠层结构钻孔工艺的优化方法，采用多种约束条件优化叠层结构钻孔工艺，综合考虑了叠层结构钻孔过程中复材分层缺陷、撕裂缺陷、钻头后刀面磨损和刀具寿命的约束，钻孔工艺优化结果合理、准确，能有效提高叠层结构钻孔效率，降低零件的不合格率和报废率，并使制孔刀具发挥出最大的钻孔能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的CFRP与钛合金叠层结构钻孔工艺的优化方法流程图；

图2为本发明实施例提供的钻孔工艺优化过程中动态实时切削力与钻头后刀面磨损VB值示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

以T300碳纤维复合材料与TC6钛合金叠层结构钻孔过程为例，该叠层结构钻孔条件及缺陷要求如下：

(1)钻头结构几何参数：直径为6mm、螺旋角为25度、外缘后角为10度、顶角为140度；

(2)刀具材料为K6UF(硬质合金)；

(3)钻孔缺陷要求：钻孔后复材不允许出现分层缺陷，允许一定的撕裂缺陷存在；

(4)T300复合材料板厚度为5mm，TC6钛合金板厚度为3mm。

如图1所示，CFRP与钛合金叠层结构钻孔工艺的优化方法的具体步骤如下。

步骤1、设置分层缺陷和撕裂缺陷的标准，根据钻孔缺陷要求，缺陷标准设置为：分层缺陷的最大允许直径D_m设置为6.0mm，撕裂缺陷的最大允许直径D′_m设置为7.0mm。

步骤2、设置叠层结构钻孔钻头磨钝标准，综合考虑钻孔质量和钻头磨、破损情况，设置叠层结构钻孔钻头的磨钝标准为VB不大于0.08mm，即VB_max＝0.08mm。

步骤3、设置叠层结构优化范围，钻孔数量最大值N_max为100，钻孔数量最小值N_min为5；切削速度最大值Vc_max为40m/min，切削速度最小值Vc_min为20m/min；每转进给量最大值fr_max为0.04mm/r，每转进给量最小值fr_min为0.01mm/r。

步骤4、输入钻孔数量N为5。

步骤5、输入切削速度Vc为20m/min，每转进给量fr为0.01mm/r。

步骤6、如果输入的切削速度和每转进给量分别小于等于步骤3设置的最大许用切削速度和最大许用每转进给量，则执行步骤7，否则执行步骤14。

本实施例中，输入的切削速度和每转进给量分别小于步骤3设置的最大许用切削速度和最大许用每转进给量，则执行步骤7。

步骤7、根据叠层结构钻孔平稳初始阶段钻孔动态实时轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型，计算动态实时轴向切削力；所述钻孔动态实时轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型如式(1)所示。

F_z＝1.136N+102.927+F_zf>

其中，F_z为钻孔轴向切削力，N为钻孔数量，F_zf为钻孔轴向切削力修正值，F_zf的计算如式(2)所示。

其中，β为钻头螺旋角，α_r为钻头外缘后角，为钻头顶角，Vc为钻孔切削速度，fr为钻孔每转进给量。

本实施例中，根据上述的钻孔动态实时轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型计算的动态实时切削力为116.007N。

步骤8、根据步骤1设置的缺陷标准和分层缺陷评价分析模型、撕裂缺陷评价分析模型，计算分层缺陷临界切削力F_L和撕裂缺陷临界切削力F_T。分层缺陷评价分析模型和撕裂缺陷评价分析模型分别如式(3)和式(4)所示。

其中，D_m为分层缺陷区域的最大直径，D_L为分层缺陷区域钻孔直径，D′_m为撕裂缺陷区域的最大直径，D_T为撕裂缺陷区域钻孔直径。

本实施例中，通过测量试验，测得T300复合材料板材的单层厚度为0.297mm；通过相关材料手册，得到T300复合材料的相关特性为：裂纹扩展能量为285J/m²、弹性模量为115Gpa、泊松比为0.34。计算得到满足分层缺陷标准的临界轴向切削力F_L为159.713N，满足撕裂缺陷标准的临界轴向切削力F_T为176.545N。

步骤9、如果步骤7计算获得的动态实时轴向切削力F_z小于步骤8计算获得的分层缺陷临界切削力F_L，则执行步骤10，否则执行步骤14。

本实施例中，动态实时轴向切削力F_z(116.007N)小于分层缺陷临界切削力F_L(159.713)，不产生分层缺陷，则执行步骤10。

步骤10、如果步骤7计算获得的动态实时轴向切削力F_z小于步骤8计算获得的撕裂缺陷临界切削力F_T，则执行步骤11，否则执行步骤14。

本实施例中，动态实时轴向切削力F_z(116.007N)小于撕裂缺陷临界切削力F_T(176.545N)，因而不产生撕裂缺陷，则执行步骤11。

步骤11、则根据叠层结构钻孔平稳初始阶段钻头后刀面磨损值VB随制孔数量变化的映射关系模型，计算在当前钻头结构几何参数、钻孔工艺参数和钻孔数量条件下的钻头后刀面磨损值VB。钻头后刀面磨损值VB随制孔数量变化的映射关系模型如式(5)所示。

VB＝0.001333N-0.01333+VB_f>

其中，VB为钻头后刀面磨损值，VB_f为后刀面磨损修正值，VB_f的计算公式如式(6)所示。

本实施例中，根据上述的钻头后刀面磨损值VB随制孔数量变化的映射关系模型计算的当前钻头后刀面磨损VB值为0.02mm。

步骤12、如果步骤11计算获得的VB值小于步骤2设置的磨钝标准VB值，则执行步骤13，否则执行步骤14。

本实施例中，当前钻头后刀面磨损VB值(0.02mm)小于磨钝标准(VB_max＝0.08mm)，执行步骤13。

步骤13、增加切削速度和每转进给量，返回步骤6，重复执行步骤6至步骤13，直到判断为切削速度大于步骤3设置的最大许用切削速度或者每转进给量大于步骤3设置的最大许用每转进给量或者产生分层/撕裂缺陷或者当前钻头后刀面磨损VB值大于磨钝标准，则执行步骤14。

本实施例中，增加切削速度为21m/min，每转进给量为0.011mm/r，重复执行步骤(6)至步骤(9)，执行结果如图2所示。从图2可知，钻孔数量为5时，复材没有复材分层/撕裂缺陷，后刀面磨损值VB远小于磨钝标准，应该继续进行工艺优化，执行步骤4。

步骤14、增加1个钻孔数量。

步骤15、如果钻孔数量小于等于步骤3设置的最大钻孔数量，则返回步骤5，重复执行步骤5至步骤14，否则结束优化过程，输出最优的切削速度、每转进给量和钻孔数量。

增加1个钻孔数量后，仍小于等于步骤3设置的最大钻孔数量，则重复执行步骤5至步骤14，直到钻孔数量大于步骤3设置的最大钻孔数量100个后，结束优化过程，输出最优的切削速度、每转进给量和钻孔数量。

本实施例提供的一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔工艺的优化方法，针对碳纤维复合材料T300与TC6钛合金叠层结构钻孔工艺受到叠层材料的难加工特性、钻头的结构几何参数等因素的影响，工艺参数不易合理选择，导致叠层结构钻孔效率低、零件不合格率和报废率高的突出问题，采用多种约束条件优化叠层结构钻孔工艺，综合考虑了叠层结构钻孔过程中复材分层缺陷、撕裂缺陷、钻头后刀面磨损和刀具寿命的约束，钻孔工艺优化结果合理、准确，能有效提高叠层结构钻孔效率，降低零件的不合格率和报废率，并使制孔刀具发挥出最大的钻孔能力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。