本發(fā)明涉及碳纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層裝配技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉸孔刀具壽命的預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)具有密度低、強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大、吸振性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、導(dǎo)彈等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。例如，波音787客機(jī)機(jī)身表面90％都采用了碳纖維復(fù)合材料，我國新型航空飛行器也逐漸增加碳纖維復(fù)合材料使用的比例，航空飛行器復(fù)合材料及鈦合金的應(yīng)用比例已經(jīng)成為衡量其先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。

隨著先進(jìn)航空飛行器廣泛使用碳纖維復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層裝配結(jié)構(gòu)的制孔需求越來越大，波音787客機(jī)裝配需要加工400萬個碳纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)孔。由于碳纖維復(fù)合材料與鈦合金的難加工特性及其相互制約、影響，制孔過程存在著制孔刀具壽命低、制孔質(zhì)量不易保證、零件報廢率難以控制的突出問題。據(jù)報道，國內(nèi)外飛機(jī)組裝過程中，因制孔加工產(chǎn)生的復(fù)材分層/撕裂缺陷而導(dǎo)致報廢的碳纖維復(fù)合材料零件數(shù)量占全部報廢零件的60％以上。

碳纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉸孔條件復(fù)雜，鉸刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和鉸孔工藝參數(shù)對鉸刀刀具壽命影響較大，鉸孔刀具使用壽命難以準(zhǔn)確預(yù)測。由于缺少有效的疊層結(jié)構(gòu)鉸孔刀具壽命預(yù)測方法，操作人員難以判斷在當(dāng)前鉸孔條件下，鉸刀何時達(dá)到使用壽命極限。為了避免因超過刀具有效使用壽命而導(dǎo)致的低合格率和高零件報廢率，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)減少制孔數(shù)量，因此極大的降低了鉸孔刀具的有效使用壽命，人為提高了制孔成本。

針對碳纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉸孔刀具壽命的預(yù)測方法，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究工作，提出了面向鉸孔質(zhì)量、后刀面磨損等評價指標(biāo)的鉸刀壽命預(yù)測方法。這些預(yù)測方法存在以下不足：(1)現(xiàn)有預(yù)測方法僅適用于碳纖維復(fù)合材料單獨(dú)鉸孔條件，沒有提出碳纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉸孔條件下有效的鉸刀壽命預(yù)測方法，由于沒有考慮疊層結(jié)構(gòu)鉸孔過程中鈦合金材料對鉸孔刀具磨損的影響以及復(fù)合材料對鈦合金鉸削排屑的阻礙影響，因而這些預(yù)測方法不適用于疊層結(jié)構(gòu)；(2)現(xiàn)有預(yù)測方法基于單一刀具壽命評價指標(biāo)進(jìn)行使用壽命的預(yù)測，預(yù)測結(jié)果不能綜合反映達(dá)到使用壽命極限后鉸孔過程孔徑尺寸誤差和刀具后刀面磨損情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉸孔刀具壽命的預(yù)測方法，綜合考慮孔徑尺寸精度和鉸孔刀具后刀面磨損兩種約束，能有效的預(yù)測CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉸孔的最大制孔數(shù)量，降低因超出刀具壽命而導(dǎo)致的零件不合格率和報廢率，并使制孔刀具發(fā)揮出最大的鉸孔能力。

一種CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉸孔刀具壽命的預(yù)測方法，具體步驟如下：

步驟1、設(shè)置疊層結(jié)構(gòu)鉸孔孔徑尺寸精度標(biāo)準(zhǔn)；

步驟2、設(shè)置疊層結(jié)構(gòu)鉸孔鉸刀磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為鉸刀后刀面磨損值VB不大于0.06mm；

步驟3、設(shè)置并輸入初始鉸孔數(shù)量；

步驟4、根據(jù)疊層結(jié)構(gòu)平穩(wěn)鉸孔階段孔徑尺寸誤差隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型，計算在當(dāng)前鉸刀結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、鉸孔工藝參數(shù)和鉸孔數(shù)量條件下的孔徑尺寸誤差；所述孔徑尺寸誤差隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型如式(1)所示；

D＝1.214N+0.15216+D_f (1)

其中，D為孔徑尺寸誤差，N為鉸孔數(shù)量，D_f為孔徑尺寸誤差修正值，D_f的計算如式(2)所示；

其中，k_r為鉸刀主偏角，α_r為鉸刀外緣后角，Vc為鉸孔切削速度，fr為鉸孔每轉(zhuǎn)進(jìn)給量；

步驟5、如果步驟4計算獲得的孔徑尺寸誤差小于步驟1設(shè)置的孔徑尺寸精度，則繼續(xù)執(zhí)行步驟6，否則執(zhí)行步驟9；

步驟6、根據(jù)疊層結(jié)構(gòu)鉸孔平穩(wěn)初始階段鉸刀后刀面磨損值隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型，計算在當(dāng)前鉸刀結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、鉸孔工藝參數(shù)和鉸孔數(shù)量條件下的鉸刀后刀面磨損值VB；所述鉸刀后刀面磨損值隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型如式(3)所示；

VB＝0.001333N-0.01333+VB_f (3)

其中，VB為鉸刀后刀面磨損值，VB_f為后刀面磨損修正值，VB_f的計算如式(4)所示；

步驟7、如果步驟6計算獲得的VB值小于步驟2設(shè)置的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB值，則繼續(xù)執(zhí)行步驟8，否則執(zhí)行步驟9；

步驟8、鉸孔數(shù)量增加1個，返回步驟4；

步驟9、預(yù)測分析過程結(jié)束，設(shè)置疊層結(jié)構(gòu)鉸孔刀具壽命為當(dāng)前制孔數(shù)量，輸出鉸孔刀具壽命、孔徑尺寸誤差和鉸刀后刀面磨損值VB。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供的CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉸孔刀具壽命的預(yù)測方法，建立了CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉸孔孔徑尺寸誤差分析模型、鉸刀后刀面磨損(VB值)分析模型，采用多種指標(biāo)評價鉸刀刀具壽命，綜合考慮了疊層結(jié)構(gòu)鉸孔過程中孔徑尺寸精度和鉸孔刀具后刀面磨損兩種約束，依據(jù)當(dāng)前鉸刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和制孔工藝參數(shù)，預(yù)測分析鉸刀的有效使用壽命，鉸刀使用壽命預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性高，能有效的預(yù)測疊層結(jié)構(gòu)鉸孔的最大制孔數(shù)量，降低因超出刀具壽命而導(dǎo)致的零件不合格率和報廢率，并使制孔刀具發(fā)揮出最大的鉸孔能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的CFRP與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉸孔刀具壽命的預(yù)測方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的刀具壽命預(yù)測分析過程孔徑尺寸誤差和后刀面磨損值VB隨制孔數(shù)量變化的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

以T300碳纖維復(fù)合材料與TC6鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉸孔過程為例，該疊層結(jié)構(gòu)鉸孔條件及精度要求如下：

(1)鉸刀結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)：直徑為6.6mm，主偏角為45度，外緣后角為12度；

(2)刀具材料為K6UF(硬質(zhì)合金)；

(3)鉸孔工藝參數(shù)：切削速度為20m/min，進(jìn)給量為0.03mm/r；

(4)鉸孔尺寸精度要求：孔徑尺寸滿足H9精度；

(5)T300復(fù)合材料板厚度為5mm，TC6鈦合金板厚度為3mm。

如圖1所示，本實(shí)施例的方法如下所述。

步驟1、設(shè)置疊層結(jié)構(gòu)鉸孔孔徑尺寸精度標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)本實(shí)施例中鉸孔尺寸精度需要滿足H9精度要求，直徑為6.6mm的孔徑尺寸公差為0.036mm，即D_max＝0.036mm。

步驟2、設(shè)置疊層結(jié)構(gòu)鉸孔鉸刀磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。

綜合考慮鉸孔質(zhì)量和鉸刀磨、破損情況，設(shè)置疊層結(jié)構(gòu)鉸孔鉸刀的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為鉸刀后刀面磨損值VB不大于0.06mm，即VB_max＝0.06mm。

步驟3、設(shè)置并輸入初始鉸孔數(shù)量為5個。

步驟4、根據(jù)疊層結(jié)構(gòu)平穩(wěn)鉸孔階段孔徑尺寸誤差隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型，計算在當(dāng)前鉸刀結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、鉸孔工藝參數(shù)和鉸孔數(shù)量條件下的孔徑尺寸誤差；所述孔徑尺寸誤差隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型如式(1)所示；

D＝1.214N+0.15216+D_f (1)

其中，D為孔徑尺寸誤差，N為鉸孔數(shù)量，D_f為孔徑尺寸誤差修正值，D_f的計算如式(2)所示；

其中，k_r為鉸刀主偏角，α_r為鉸刀外緣后角，Vc為鉸孔切削速度，fr為鉸孔每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。

本實(shí)施例中，根據(jù)上述的孔徑尺寸誤差隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型計算的當(dāng)前孔徑尺寸誤差為0.0041mm。

步驟5、如果步驟4計算獲得的孔徑尺寸誤差小于步驟1設(shè)置的孔徑尺寸精度，則繼續(xù)執(zhí)行步驟6，否則執(zhí)行步驟9。

本實(shí)施例中，當(dāng)前孔徑尺寸誤差0.0041mm小于尺寸精度公差0.036mm，則執(zhí)行步驟6。

步驟6、根據(jù)疊層結(jié)構(gòu)鉸孔平穩(wěn)初始階段鉸刀后刀面磨損值隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型，計算在當(dāng)前鉸刀結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、鉸孔工藝參數(shù)和鉸孔數(shù)量條件下的鉸刀后刀面磨損值VB；所述鉸刀后刀面磨損值隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型如式(3)所示；

VB＝0.001333N-0.01333+VB_f (3)

其中，VB為鉸刀后刀面磨損值，VB_f為后刀面磨損修正值，VB_f的計算如式(4)所示。

本實(shí)施例中，根據(jù)上述的鉸刀后刀面磨損值隨制孔數(shù)量變化的映射關(guān)系模型計算的當(dāng)前鉸刀后刀面磨損VB值為0.02mm。

步驟7、如果步驟6計算獲得的VB值小于步驟2設(shè)置的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB值，則繼續(xù)執(zhí)行步驟8，否則執(zhí)行步驟9。

本實(shí)施例中，步驟6中計算的當(dāng)前鉸刀后刀面磨損VB值0.02mm小于磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB_max＝0.06mm，則執(zhí)行步驟8。

步驟8、鉸孔數(shù)量增加1個，返回步驟4，重復(fù)執(zhí)行步驟4至步驟8，直到孔徑尺寸精度不滿足或磨鈍標(biāo)準(zhǔn)不滿足時，執(zhí)行步驟9。

步驟9、預(yù)測分析過程結(jié)束，設(shè)置疊層結(jié)構(gòu)鉸孔刀具壽命為當(dāng)前制孔數(shù)量，輸出鉸孔刀具壽命、孔徑尺寸誤差和鉸刀后刀面磨損值VB。

執(zhí)行過程中，孔徑尺寸誤差和后刀面磨損值VB隨制孔數(shù)量的變化如圖2所示，由圖2可知，鉸削到42個孔時，雖然刀面磨損仍然滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但孔徑尺寸誤差為0.0361mm，大于設(shè)置的孔徑尺寸公差0.036mm，所以鉸刀的有效刀具壽命預(yù)測分析結(jié)果為41個制孔數(shù)量。

本實(shí)施例建立了T300與TC6疊層結(jié)構(gòu)鉸孔孔徑尺寸誤差分析模型、鉸刀后刀面磨損(VB值)分析模型，提出一種綜合考慮孔徑尺寸精度和鉸孔刀具后刀面磨損兩種約束的刀具壽命預(yù)測方法，依據(jù)當(dāng)前鉸刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和制孔工藝參數(shù)，預(yù)測分析鉸刀的有效使用壽命。采用該方法，可以有效預(yù)測疊層結(jié)構(gòu)鉸孔的最大制孔數(shù)量，降低因超出刀具壽命而導(dǎo)致的零件不合格率和報廢率，并使制孔刀具發(fā)揮出最大的鉸孔能力。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。