本發(fā)明屬于機(jī)械切削加工
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多向?qū)雍习宓你娤髁︻A(yù)測模型的建立方法。
背景技術(shù)：
：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)具有比強(qiáng)度、比剛度高，以及耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)良特性，近年來在航空航天等領(lǐng)域的用量逐年增多。在復(fù)合材料構(gòu)件制造過程中，銑削加工由于加工軌跡靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、加工質(zhì)量高，已成為復(fù)合材料的重要加工手段。由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料呈典型的各向異性，加工損傷對銑削力變化極為敏感，過大的銑削力極易導(dǎo)致分層、崩邊等損傷。因此，實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料銑削力的準(zhǔn)確預(yù)測，進(jìn)而控制銑削力成為復(fù)合材料的高質(zhì)高效加工亟待解決的問題。在銑削力難以預(yù)測的情況下，工藝技術(shù)人員在選定銑削加工參數(shù)時(shí)，通常使用兩種方法，即試切法和經(jīng)驗(yàn)法。試切法是通過保守的切削用量進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，以確定最終的加工方案，此種方法操作過程復(fù)雜，效率低下，同時(shí)將耗費(fèi)大量的人力、物力以及時(shí)間成本。實(shí)驗(yàn)法是工藝技術(shù)人員通過加工經(jīng)驗(yàn)選取加工參數(shù)，主觀性強(qiáng)，可靠性低，零件的加工質(zhì)量難以保證。然而，建立銑削力預(yù)測模型可以迅速預(yù)測銑削力，工藝人員可以先試選參數(shù)，通過預(yù)測模型得到銑削力，然后根據(jù)加工質(zhì)量、效率等要求進(jìn)行調(diào)整，快速便捷地制定加工工藝方案，經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高。韓勝超等人在復(fù)合材料學(xué)報(bào)上發(fā)表的《多齒銑刀側(cè)銑加工多層CFRP銑削力的建模與仿真》，2014，31(5)：1375-1381，通過線性回歸獲得了單向板銑削力系數(shù)，進(jìn)而通過線性疊加的方法建立了多向?qū)雍习邈娤髁︻A(yù)測模型。對于多向?qū)雍习鍋碚f，由于其不同方向?qū)娱g的材料性能存在明顯差異，致使其材料去除過程不同于單向?qū)雍习?，切削力發(fā)生明顯變化。因此，針對直接通過線性疊加單向板銑削力獲得多向板銑削力的方法往往存在精度不足的問題，必須建立考慮非同向?qū)雍闲?yīng)銑削力預(yù)測模型，以此準(zhǔn)確預(yù)測CFRP多向?qū)影宓你娤髁?，為工程?shí)際提供可靠數(shù)據(jù)支撐。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的存在的上述不足，發(fā)明一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削力預(yù)測模型的建立方法，該方法基于銑削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，引入對纖維切削角、切削速度和瞬時(shí)切削面積三種對銑削力系數(shù)影響顯著的因素的考慮，得到一種考慮了復(fù)合材料各向異性和非同向?qū)雍闲?yīng)，預(yù)測精度更高，更有工程應(yīng)有意義的CFRP多向?qū)雍习邈娤髁︻A(yù)測模型。本發(fā)明是采用的技術(shù)方案是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削力預(yù)測模型的建立方法，其特征在于，該方法先獲取銑削力系數(shù)數(shù)據(jù)，然后創(chuàng)建和訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，分析非同向?qū)雍闲?yīng)對多向?qū)雍习逯袉蜗驅(qū)鱼娤髁Φ挠绊?，?0°和135°鋪層的鋪層狀態(tài)分為單側(cè)異向支撐和雙側(cè)異向支撐兩種，并進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)獲得對應(yīng)的修正系數(shù)，進(jìn)而得到CFRP多向板不同鋪層方式的銑削力預(yù)測模型；方法的具體步驟如下：第一步，獲取銑削力系數(shù)數(shù)據(jù)對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向板進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，加工方式為側(cè)銑加工，獲得不同參數(shù)下的銑削力數(shù)據(jù)，根據(jù)銑削力時(shí)域曲線與切削過程的對應(yīng)的關(guān)系，計(jì)算得到纖維切削角，瞬時(shí)切削面積、切削速度所對應(yīng)的銑削力系數(shù)數(shù)據(jù)；設(shè)刀刃的瞬時(shí)切削厚度ac為：其中，fz為銑削過程中的每齒進(jìn)給量，為刀具旋轉(zhuǎn)角。在逆銑過程中，測力儀所采出的切削力信號為沿進(jìn)給方向的銑削力Fx和垂直于進(jìn)給方向的銑削力Fy，為將其轉(zhuǎn)化為沿切削速度方向的力Fc和垂直于切削速度方向的力Ft，進(jìn)行坐標(biāo)變換，坐標(biāo)變換的公式為：將刀具沿刀刃方向分割為若干個(gè)微元，每個(gè)微元上在某一時(shí)刻對工件微元進(jìn)行切削，此時(shí)的纖維切削角、瞬時(shí)切削厚度、切削速度可以定量表述，假設(shè)此時(shí)的切削力與切削面積的大小成線性比例關(guān)系，最后將各個(gè)時(shí)刻的切削力進(jìn)行積分即可得到最終的銑削力，計(jì)算公式為：{dFc=KC·dAcdFt=Kt·dAc---(3)]]>其中，Kc、Kt是沿切削速度方向的銑削力系數(shù)和垂直于切削速度方向的銑削力系數(shù)，dAc是瞬時(shí)切削面積，即這一時(shí)刻未變形切屑的橫截面積。在銑削加工過程中，切削刀具做擺線運(yùn)動，同時(shí)隨著刀具的運(yùn)動，瞬時(shí)切削厚度ac不斷發(fā)生變化，瞬時(shí)切削厚度可以用式(1)來計(jì)算，瞬時(shí)切削面積為：則：銑削試驗(yàn)中測力儀所使用的采樣頻率為f＝20000HZ，因此對應(yīng)的采樣間隔時(shí)間Tr為：Tr=1f=0.00005s---(6)]]>因此一個(gè)單齒切削周期內(nèi)可以獲得采樣點(diǎn)的數(shù)量m是：m=TsTr---(7)]]>記第k,k＝1,2,3,4,5…,m個(gè)采樣點(diǎn)對應(yīng)的刀齒旋轉(zhuǎn)角為：則第k個(gè)采樣點(diǎn)對應(yīng)的纖維切削角θk為：ψ為纖維方向角；對應(yīng)的瞬時(shí)切削厚度ack為：對應(yīng)的瞬時(shí)切削面積Ack為：第二步，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測銑削力系數(shù)：基于已獲得的銑削力系數(shù)數(shù)據(jù)源，首先對其進(jìn)行歸一化處理，方法如下式所示x^=(x^max-x^min)×(x-xmin)xmax-xmin+x^min---(12)]]>其中,為歸一化處理后的數(shù)值，x為原始輸入數(shù)值；創(chuàng)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層的神經(jīng)元數(shù)量為3，分別為纖維切削角、瞬時(shí)切削面積、切削速度，隱藏層的神經(jīng)元數(shù)量為18，輸出層的神經(jīng)元數(shù)量為2，分別為沿切削速度方向的銑削力系數(shù)和垂直于切削速度方向的銑削力系數(shù)，傳遞函數(shù)均采用S型正切函數(shù)Tansig(x)：Tansig(x)=ex-e-xex+e-x---(13)]]>對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，然后利用獲得數(shù)據(jù)樣本對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，數(shù)據(jù)樣本分為80％訓(xùn)練樣本，10％確認(rèn)樣本和10％測試樣本，訓(xùn)練函數(shù)采用基于Levenberg-Marquadt反傳算法的TRAINLM，適應(yīng)型學(xué)習(xí)函數(shù)采用具動量的梯度下降法LEARNGD；通過上述步驟可以獲得對寬范圍切削參數(shù)下銑削力系數(shù)預(yù)測值的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；第三步，由于非同向?qū)雍闲?yīng)對多向?qū)雍习逯袉蜗驅(qū)鱼娤髁Φ挠绊?，?0°和135°鋪層的鋪層狀態(tài)分為單側(cè)意向支撐和雙側(cè)異向支撐兩種，并進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)獲得對應(yīng)的修正系數(shù)，進(jìn)而得到CFRP多向板不同鋪層方式的銑削力預(yù)測模型；利用式(2)和(5)計(jì)算纖維方向角是0°、45°、90°、135°的纖維鋪層銑削力沿進(jìn)給方向的銑削力分量Fx0Fx45Fx90Fx135，和垂直于進(jìn)給方向的銑削力分量Fy0、Fy45、Fy90、Fy135；CFRP多向板的銑削力計(jì)算公式為：Fx=mFx0+nFx45+(l1x′p1+l1x′′p2)Fx90+(l2x′q1+l2x′′q2)Fx135Fy=mFy0+nFy45+(l1y′p1+l1y′′p2)Fx90+(l2y′q1+l2y′′q2)Fy135---(14)]]>其中，m、n分別是纖維方向角是0°、45°的單向鋪層的數(shù)量，p1是單側(cè)異向鋪層支撐的90°纖維方向鋪層的層數(shù)，p2是雙側(cè)異向鋪層支撐的90°纖維方向鋪層的層數(shù)，q1是單側(cè)異向鋪層支撐的135°纖維方向鋪層的層數(shù)，q2是雙側(cè)異向鋪層支撐的135°纖維方向鋪層的層數(shù)，l′1x和l″1x分別為90°纖維方向鋪層的單側(cè)異向支撐和雙側(cè)異向支撐的修正系數(shù)，l'2x和l″2x分別為135°纖維方向鋪層的單側(cè)異向支撐和雙側(cè)異向支撐的修正系數(shù)，F(xiàn)x和Fy是CFRP多向?qū)雍习宓你娤髁ρ剡M(jìn)給方向的銑削力和沿垂直于進(jìn)給方向的銑削力。對修正系數(shù)進(jìn)行擬合，使用與CFRP單向板試驗(yàn)相同的加工方式和加工參數(shù)對CFRP多向?qū)雍习暹M(jìn)行銑削工藝實(shí)驗(yàn)，取切削周期段0.2Ts-TS銑削力數(shù)據(jù)的平均值作為擬合數(shù)據(jù)，使用最小二乘法，以方差最小為目標(biāo)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終獲得修正系數(shù)的具體值。本發(fā)明的有益效果是該方法基于不同纖維方向角下的銑削力系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到單向?qū)訌?fù)合材料的寬范圍切削參數(shù)：纖維切削角、瞬時(shí)切削面積、切削速度的銑削力系數(shù)數(shù)據(jù)，并引入了非同向?qū)雍闲?yīng)對單向?qū)硬牧先コ^程的影響，即對線性疊加進(jìn)行了修正，最終建立了CFRP多向?qū)雍习邈娤髁︻A(yù)測模型，使得銑削力預(yù)測模型具有更高的預(yù)測精度，為工程實(shí)際提供可靠數(shù)據(jù)支撐，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。附圖說明圖1銑削過程示意圖，圖中：1.刀齒，2.刀具軌跡，CFRP為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，ac為瞬時(shí)切削深度，為刀具旋轉(zhuǎn)角，F(xiàn)x為沿進(jìn)給方向的銑削力，F(xiàn)y為沿垂直于進(jìn)給方向的銑削力，F(xiàn)c為切削速度方向的力，F(xiàn)t為垂直于切削速度方向的力；圖2a)第一種情況對應(yīng)的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)銑削力Fx曲線對比圖,其中，1-預(yù)測銑削力Fx曲線，2-實(shí)驗(yàn)銑削力Fx曲線。圖2b)第一種情況對應(yīng)的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)銑削力Fy曲線對比圖，其中，1-預(yù)測銑削力Fy曲線，2-實(shí)驗(yàn)銑削力Fy曲線。圖3a)第二種情況對應(yīng)的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)銑削力Fx曲線對比圖,其中，1-預(yù)測銑削力Fx曲線，2-實(shí)驗(yàn)銑削力Fx曲線。圖3b)第二種情況對應(yīng)的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)銑削力Fy曲線對比圖，其中，1-預(yù)測銑削力Fy曲線，2-實(shí)驗(yàn)銑削力Fy曲線。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施。本發(fā)明考慮纖維鋪層方向和非同向?qū)雍托?yīng)的，建立具有普適性的CFRP多向?qū)雍习邈娤髁︻A(yù)測模型，利用銑削工藝實(shí)驗(yàn)，獲得CFRP單向銑削力時(shí)域曲線并進(jìn)行計(jì)算處理，進(jìn)而獲得CFRP單向板銑削力系數(shù)數(shù)據(jù)，然后建立并訓(xùn)練了能預(yù)測CFRP單向?qū)雍习宓你娤髁ο禂?shù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，最后考慮非同向?qū)雍托?yīng)對層合疊加方法進(jìn)行優(yōu)化，建立準(zhǔn)確度較高的CFRP多向?qū)雍习邈娤髁︻A(yù)測模型。本實(shí)施例中采用PCD雙直刃銑刀，刀具直徑為10mm，前角為3°，后角為5°，刀尖刃圓半徑為7μm。實(shí)驗(yàn)樣件使用CFRP單向?qū)影骞?5層，厚度為3mm，鋪層方向?yàn)?°、45°、90°、135°，使用金剛石鋸片將固化好的CFRP樣件的尺寸裁為50mm×50mm。使用測力儀對銑削過程中的銑削力信號進(jìn)行測量。單向?qū)雍习邈娤鲗?shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。表1實(shí)施例1包括以下步驟：第一步，銑削力系數(shù)的獲取。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)參數(shù)與設(shè)置，對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向板進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，加工方式為側(cè)銑加工，獲得不同參數(shù)下的銑削力數(shù)據(jù)。切削階段的切削力曲線與理論計(jì)算切削過程是一一對應(yīng)的，因此可以根據(jù)切削力信號曲線提取出各切削位置對應(yīng)的切削力。根據(jù)式1-11可計(jì)算出切削力數(shù)據(jù)點(diǎn)所對應(yīng)的切削位置，即可計(jì)算出纖維切削角、切削速度和瞬時(shí)切削面積對應(yīng)的Kc和Kt，共獲得有效銑削力數(shù)據(jù)點(diǎn)3720組。第二步，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測銑削力系數(shù)。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，然后將獲得的3720組數(shù)據(jù)中的80％列為訓(xùn)練樣本，10％列為確認(rèn)樣本，10％列為測試樣本，最后對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行創(chuàng)建和訓(xùn)練。獲得可以實(shí)現(xiàn)寬范圍切削參數(shù)的銑削力系數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。第三步，由于非同向?qū)雍托?yīng)對多向?qū)雍习逯袉蜗蜾亴鱼娤髁Φ挠绊?，?0°和135°鋪層的鋪層狀態(tài)分為單側(cè)意向支撐和雙側(cè)異向支撐兩種，并進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)獲得對應(yīng)的修正系數(shù)，進(jìn)而得到CFRP多向板不同鋪層方式的銑削力預(yù)測模型式(12)。為了對修正系數(shù)進(jìn)行擬合，使用與第一步中CFRP單向板實(shí)驗(yàn)相同加工方式和加工參數(shù)對CFRP多向?qū)雍习暹M(jìn)行銑削工藝實(shí)驗(yàn)，除軸向切深選擇CFRP多向板板厚為4mm外，纖維方向角如表2所示。表2其它參數(shù)均與單向板實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同。本次取切削周期0.2Ts～Ts段銑削力數(shù)據(jù)的平均值作為擬合數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)如表3所示。表3使用最小二乘法，以方差最小為目標(biāo)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終獲得的對沿切削速度方向的銑削力Fx的修正系數(shù)和垂直于切削速度方向的銑削力Fy的修正系數(shù)分別為：l′1x＝0.94，l″1x＝0.92，l'2x＝0.94，l″2x＝0.84l′1y＝0.92，l″1y＝0.71，l'2y＝0.52，l″2y＝0.48將以上修正系數(shù)帶入到公式(12)中即可得到多向板的銑削力的疊加預(yù)測公式。為對實(shí)驗(yàn)預(yù)測模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，選用表4中的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)。表4使用第二步建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測單向板銑削力系數(shù)，獲得各方向的單向鋪層銑削力。第一種情況：單側(cè)異向支撐的90°纖維方向鋪層共有8層，雙側(cè)異向支撐的90°纖維方向鋪層共有2層，單側(cè)異向支撐的135°纖維方向鋪層共有10層，雙側(cè)異向支撐的纖維方向鋪層共有0層，45°纖維方向鋪層共有10層，0°纖維方向鋪層共有12層。代入公式(12)得出計(jì)算此切削方向下的CFRP多向板的銑削力計(jì)算公式為：Fx=12Fx0+10Fx45+(0.92×8+0.92×2)Fx90+10×0.94Fx135Fy=12Fy0+10Fy45+(0.92×8+0.71×2)Fy90+10×0.52Fy135]]>由上述公式得到第一種情況對應(yīng)的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)銑削力Fx、Fy曲線對比圖如圖2a)、2b)所示。第二種情況：單側(cè)異向支撐的90°纖維方向鋪層共有2層，雙側(cè)異向支撐的90°纖維方向鋪層共有10層；單側(cè)異向支撐的135°纖維方向鋪層共有0層，雙側(cè)異向支撐的135°纖維方向鋪層共有10層，45°纖維方向鋪層共有10層，0°纖維方向鋪層共有10層，代入公式(12)得出在第二種情況下的CFRP多向板的銑削力計(jì)算公式為：Fx=10Fx0+10Fx45+(0.94×2+0.92×10)Fx90+10×0.84Fx135Fy=10Fy0+10Fy45+(0.92×8+0.71×2)Fy90+10×0.48Fy135]]>由上述公式得到第二種情況對應(yīng)的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)銑削力Fx、Fy曲線對比圖如圖3a)、3b)所示。從圖2和圖3可以看出，使用建立的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多向?qū)雍习邈娤髁︻A(yù)測模型能較好地預(yù)測不同鋪層方式、鋪層厚度的多向板銑削力，精度較高，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。當(dāng)前第1頁1 2 3