CFRP與鈦合金疊層結構鉸孔刀具壽命的預測方法與流程
2023-05-02 18:38:57 2
本發明涉及碳纖維複合材料與鈦合金疊層裝配技術領域，尤其涉及一種CFRP與鈦合金疊層結構鉸孔刀具壽命的預測方法。
背景技術：
碳纖維複合材料(CFRP)具有密度低、強度高、比強度大、吸振性好等一系列優點，在航空航天、汽車、飛彈等領域得到廣泛的應用。例如，波音787客機機身表面90％都採用了碳纖維複合材料，我國新型航空飛行器也逐漸增加碳纖維複合材料使用的比例，航空飛行器複合材料及鈦合金的應用比例已經成為衡量其先進性的重要指標之一。
隨著先進航空飛行器廣泛使用碳纖維複合材料，碳纖維複合材料與鈦合金疊層裝配結構的制孔需求越來越大，波音787客機裝配需要加工400萬個碳纖維複合材料與鈦合金疊層結構孔。由於碳纖維複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、制孔質量不易保證、零件報廢率難以控制的突出問題。據報導，國內外飛機組裝過程中，因制孔加工產生的復材分層/撕裂缺陷而導致報廢的碳纖維複合材料零件數量佔全部報廢零件的60％以上。
碳纖維複合材料與鈦合金疊層結構鉸孔條件複雜，鉸刀結構參數和鉸孔工藝參數對鉸刀刀具壽命影響較大，鉸孔刀具使用壽命難以準確預測。由於缺少有效的疊層結構鉸孔刀具壽命預測方法，操作人員難以判斷在當前鉸孔條件下，鉸刀何時達到使用壽命極限。為了避免因超過刀具有效使用壽命而導致的低合格率和高零件報廢率，只能根據經驗減少制孔數量，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。
針對碳纖維複合材料與鈦合金疊層結構鉸孔刀具壽命的預測方法，國內外進行了大量的研究工作，提出了面向鉸孔質量、後刀面磨損等評價指標的鉸刀壽命預測方法。這些預測方法存在以下不足：(1)現有預測方法僅適用於碳纖維複合材料單獨鉸孔條件，沒有提出碳纖維複合材料與鈦合金疊層結構鉸孔條件下有效的鉸刀壽命預測方法，由於沒有考慮疊層結構鉸孔過程中鈦合金材料對鉸孔刀具磨損的影響以及複合材料對鈦合金鉸削排屑的阻礙影響，因而這些預測方法不適用於疊層結構；(2)現有預測方法基於單一刀具壽命評價指標進行使用壽命的預測，預測結果不能綜合反映達到使用壽命極限後鉸孔過程孔徑尺寸誤差和刀具後刀面磨損情況。
技術實現要素：
針對現有技術的缺陷，本發明提供一種CFRP與鈦合金疊層結構鉸孔刀具壽命的預測方法，綜合考慮孔徑尺寸精度和鉸孔刀具後刀面磨損兩種約束，能有效的預測CFRP與鈦合金疊層結構鉸孔的最大制孔數量，降低因超出刀具壽命而導致的零件不合格率和報廢率，並使制孔刀具發揮出最大的鉸孔能力。
一種CFRP與鈦合金疊層結構鉸孔刀具壽命的預測方法，具體步驟如下：
步驟1、設置疊層結構鉸孔孔徑尺寸精度標準；
步驟2、設置疊層結構鉸孔鉸刀磨鈍標準為鉸刀後刀面磨損值VB不大於0.06mm；
步驟3、設置並輸入初始鉸孔數量；
步驟4、根據疊層結構平穩鉸孔階段孔徑尺寸誤差隨制孔數量變化的映射關係模型，計算在當前鉸刀結構幾何參數、鉸孔工藝參數和鉸孔數量條件下的孔徑尺寸誤差；所述孔徑尺寸誤差隨制孔數量變化的映射關係模型如式(1)所示；
D＝1.214N+0.15216+Df (1)
其中，D為孔徑尺寸誤差，N為鉸孔數量，Df為孔徑尺寸誤差修正值，Df的計算如式(2)所示；
其中，kr為鉸刀主偏角，αr為鉸刀外緣后角，Vc為鉸孔切削速度，fr為鉸孔每轉進給量；
步驟5、如果步驟4計算獲得的孔徑尺寸誤差小於步驟1設置的孔徑尺寸精度，則繼續執行步驟6，否則執行步驟9；
步驟6、根據疊層結構鉸孔平穩初始階段鉸刀後刀面磨損值隨制孔數量變化的映射關係模型，計算在當前鉸刀結構幾何參數、鉸孔工藝參數和鉸孔數量條件下的鉸刀後刀面磨損值VB；所述鉸刀後刀面磨損值隨制孔數量變化的映射關係模型如式(3)所示；
VB＝0.001333N-0.01333+VBf (3)
其中，VB為鉸刀後刀面磨損值，VBf為後刀面磨損修正值，VBf的計算如式(4)所示；
步驟7、如果步驟6計算獲得的VB值小於步驟2設置的磨鈍標準VB值，則繼續執行步驟8，否則執行步驟9；
步驟8、鉸孔數量增加1個，返回步驟4；
步驟9、預測分析過程結束，設置疊層結構鉸孔刀具壽命為當前制孔數量，輸出鉸孔刀具壽命、孔徑尺寸誤差和鉸刀後刀面磨損值VB。
由上述技術方案可知，本發明的有益效果在於：本發明提供的CFRP與鈦合金疊層結構鉸孔刀具壽命的預測方法，建立了CFRP與鈦合金疊層結構鉸孔孔徑尺寸誤差分析模型、鉸刀後刀面磨損(VB值)分析模型，採用多種指標評價鉸刀刀具壽命，綜合考慮了疊層結構鉸孔過程中孔徑尺寸精度和鉸孔刀具後刀面磨損兩種約束，依據當前鉸刀結構參數和制孔工藝參數，預測分析鉸刀的有效使用壽命，鉸刀使用壽命預測結果準確性高，能有效的預測疊層結構鉸孔的最大制孔數量，降低因超出刀具壽命而導致的零件不合格率和報廢率，並使制孔刀具發揮出最大的鉸孔能力。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的CFRP與鈦合金疊層結構鉸孔刀具壽命的預測方法流程圖；
圖2為本發明實施例提供的刀具壽命預測分析過程孔徑尺寸誤差和後刀面磨損值VB隨制孔數量變化的示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
以T300碳纖維複合材料與TC6鈦合金疊層結構鉸孔過程為例，該疊層結構鉸孔條件及精度要求如下：
(1)鉸刀結構幾何參數：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(硬質合金)；
(3)鉸孔工藝參數：切削速度為20m/min，進給量為0.03mm/r；
(4)鉸孔尺寸精度要求：孔徑尺寸滿足H9精度；
(5)T300複合材料板厚度為5mm，TC6鈦合金板厚度為3mm。
如圖1所示，本實施例的方法如下所述。
步驟1、設置疊層結構鉸孔孔徑尺寸精度標準。
根據本實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Dmax＝0.036mm。
步驟2、設置疊層結構鉸孔鉸刀磨鈍標準。
綜合考慮鉸孔質量和鉸刀磨、破損情況，設置疊層結構鉸孔鉸刀的磨鈍標準為鉸刀後刀面磨損值VB不大於0.06mm，即VBmax＝0.06mm。
步驟3、設置並輸入初始鉸孔數量為5個。
步驟4、根據疊層結構平穩鉸孔階段孔徑尺寸誤差隨制孔數量變化的映射關係模型，計算在當前鉸刀結構幾何參數、鉸孔工藝參數和鉸孔數量條件下的孔徑尺寸誤差；所述孔徑尺寸誤差隨制孔數量變化的映射關係模型如式(1)所示；
D＝1.214N+0.15216+Df (1)
其中，D為孔徑尺寸誤差，N為鉸孔數量，Df為孔徑尺寸誤差修正值，Df的計算如式(2)所示；
其中，kr為鉸刀主偏角，αr為鉸刀外緣后角，Vc為鉸孔切削速度，fr為鉸孔每轉進給量。
本實施例中，根據上述的孔徑尺寸誤差隨制孔數量變化的映射關係模型計算的當前孔徑尺寸誤差為0.0041mm。
步驟5、如果步驟4計算獲得的孔徑尺寸誤差小於步驟1設置的孔徑尺寸精度，則繼續執行步驟6，否則執行步驟9。
本實施例中，當前孔徑尺寸誤差0.0041mm小於尺寸精度公差0.036mm，則執行步驟6。
步驟6、根據疊層結構鉸孔平穩初始階段鉸刀後刀面磨損值隨制孔數量變化的映射關係模型，計算在當前鉸刀結構幾何參數、鉸孔工藝參數和鉸孔數量條件下的鉸刀後刀面磨損值VB；所述鉸刀後刀面磨損值隨制孔數量變化的映射關係模型如式(3)所示；
VB＝0.001333N-0.01333+VBf (3)
其中，VB為鉸刀後刀面磨損值，VBf為後刀面磨損修正值，VBf的計算如式(4)所示。
本實施例中，根據上述的鉸刀後刀面磨損值隨制孔數量變化的映射關係模型計算的當前鉸刀後刀面磨損VB值為0.02mm。
步驟7、如果步驟6計算獲得的VB值小於步驟2設置的磨鈍標準VB值，則繼續執行步驟8，否則執行步驟9。
本實施例中，步驟6中計算的當前鉸刀後刀面磨損VB值0.02mm小於磨鈍標準VBmax＝0.06mm，則執行步驟8。
步驟8、鉸孔數量增加1個，返回步驟4，重複執行步驟4至步驟8，直到孔徑尺寸精度不滿足或磨鈍標準不滿足時，執行步驟9。
步驟9、預測分析過程結束，設置疊層結構鉸孔刀具壽命為當前制孔數量，輸出鉸孔刀具壽命、孔徑尺寸誤差和鉸刀後刀面磨損值VB。
執行過程中，孔徑尺寸誤差和後刀面磨損值VB隨制孔數量的變化如圖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標準，但孔徑尺寸誤差為0.0361mm，大於設置的孔徑尺寸公差0.036mm，所以鉸刀的有效刀具壽命預測分析結果為41個制孔數量。
本實施例建立了T300與TC6疊層結構鉸孔孔徑尺寸誤差分析模型、鉸刀後刀面磨損(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後刀面磨損兩種約束的刀具壽命預測方法，依據當前鉸刀結構參數和制孔工藝參數，預測分析鉸刀的有效使用壽命。採用該方法，可以有效預測疊層結構鉸孔的最大制孔數量，降低因超出刀具壽命而導致的零件不合格率和報廢率，並使制孔刀具發揮出最大的鉸孔能力。
最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明權利要求所限定的範圍。