基于鉆削力控制的碳纖維增強復合材料層合板無分層鉆孔方法技術

一種基于鉆削力控制的碳纖維增強復合材料層合板無分層鉆孔方法，其在鉆頭鉆削碳纖維增強復合材料(CFRP)層合板的過程中，控制鉆頭的鉆削軸向力始終小于鉆孔分層臨界推力值Fa；Fa由下述步驟確定：建立CFRP層合板的分層穩定狀態方程；通過建立小撓度薄板的極坐標方程和鉆頭鉆削時的CFRP層合板撓度公式，求出CFRP層合板的最大撓度值X；建立鉆削時CFRP層合板的彎曲變形能公式，并求出鉆頭鉆削時CFRP層合板的彎曲變形能U；根據所求得的最大撓度X、彎曲變形能U和建立的CFRP層合板的分層穩定狀態方程，確定鉆孔分層臨界推力值Fa。本發明專利技術實現了CFRP層合板的無分層鉆孔加工，避免了鉆孔的分層損傷缺陷，提升了產品質量，降低了成本，提高了效率。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種鉆加工方法，具體涉及一種，屬于機械加工

技術介紹
碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,簡稱CFRP)是一種新型的以碳或石墨纖維為增強體的樹脂基復合材料，因其具有強度高、比剛度高、耐疲勞性能好以及可設計性強等優點廣泛應用于制造先進飛機上的主承力結構件，如飛機蒙皮、壁板、機翼中間梁、機身隔框和艙門等部件。在CFRP的切削加工中，鉆削是使用最多、應用最廣的一種材料加工方式，同時也是航空結構件裝配的最終環節。鉆削制孔質量的好壞，直接關系·到整個飛機的裝配質量和服役壽命。由于CFRP特有的各向異性以及層間接觸強度低等特點，使其成為一種典型的難加工材料。在CFRP鉆孔過程中，除會出現傳統金屬材料的制孔缺陷(孔的尺寸誤差、圓度誤差、位置誤差、垂直度誤差等)外，還會產生復合材料特有的缺陷，主要表現為入口剝離分層、出口分層、層間分層、撕裂與毛邊、孔周表面纖維抽出等，其中分層損傷是最主要的制孔缺陷。據統計，飛機在最后組裝時，因鉆孔分層而造成的報廢率高達60%以上。CFRP層合板鉆孔分層缺陷是一種由鉆削軸向力引起的I型裂紋(張開型裂紋)而造成的層與層之間的脫膠損傷，因而實現無分層鉆孔的關鍵在于控制住CFRP層合板在鉆削分層時的推力，使之小于產生分層缺陷的臨界推力值，進而實現無分層制孔加工。目前，有關分層臨界推力值的確定大都通過實驗加數學擬合的方法來間接求解，即通過測量和記錄CFRP層合板在不同切削參數下鉆削軸向力值和相應的分層系數，然后通過數值擬合法建立軸向力和分層系數之間的函數關系，進而求解出無分層時的臨界推力值。該方法對于原始數據依賴性大，求解精度往往取決于原始數據的采集量以及擬合函數的精度；并且實際鉆削加工中CFRP層合板的分層損傷常常不易于觀察和檢測，尤其是層與層之間的分層損傷，往往需要將材料切開并通過化學劑清洗才能夠觀察到，在分層區域確定時又常常取決于操作者的實驗經驗，人為因素影響較大，實驗操作繁瑣且誤差大。經過對現有文獻的檢索，至今未發現碳纖維增強復合材料層合板無分層鉆孔方法的公開報道。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有碳纖維增強復合材料層合板鉆孔方法的不足，提供一種，其基于板殼理論、斷裂力學和彈性力學相關知識，通過建立臨界推力模型確定出不同鉆頭鉆削CFRP時的臨界推力值，并在實際鉆孔中控制鉆頭推力小于該臨界推力值，進而實現CFRP層合板的無分層鉆孔加工。本專利技術是通過以下技術方案實現的—種，其特征在于，在鉆頭鉆削所述碳纖維增強復合材料層合板的過程中，控制所述鉆頭的鉆削軸向力始終小于鉆孔分層臨界推力值Fa。所述的鉆孔分層臨界推力值Fa由下述步驟確定第一步，建立所述碳纖維增強復合材料層合板的分層穩定狀態方程Fa · dX- Δ U-Gic · dA = O其中，W是鉆削軸向力沿層合板撓度方向所做功，Λ U是彎曲勢能， Fa是鉆孔分層臨界推力值，dX是碳纖維增強復合材料層合板沿鉆頭位移方向上最大撓度的微分位移，Gic是由軸向力引起的I型裂紋上每單位面積上的臨界裂紋傳播能，dA為表面能面積的微分面積，該表面能面積是指分層區域最大面積；第二步，將碳纖維增強復合材料層合板簡化為一薄板部件，并通過建立小撓度薄板的極坐標方程和鉆頭鉆削時的碳纖維增強復合材料層合板撓度公式，求出碳纖維增強復合材料層合板的最大撓度值X ；所述的小撓度薄板的極坐標方程為「 (d2 I d I O2 V d2w I dw Iq—— 4----1—；--r —rr H----1—z--—=— [^dr r dr r 8Θ~ JIk dr r dr r— δθ J D^ /；=ΤΙ(Γ7)D是碳纖維增強復合材料層合板的抗彎剛度，w是碳纖維增強復合材料層合板在鉆削方向的撓度，q是碳纖維增強復合材料層合板中面單位面積上所作用的載荷；所述的層合板撓度公式為W = I*丄[/.(丄 I ^~chA + 丄(In/·-1 +丄/))廠2 + (..’Inr + EJ ,, J J r J ο 4 ' 1 4其中，w是碳纖維增強復合材料層合板在鉆削方向的撓度，q是碳纖維增強復合材料層合板中面單位面積上所作用的載荷，A、B、C和E為待定常數；所述的最大撓度值為X = Iim Μ； imx其中，X是碳纖維增強復合材料層合板在鉆削方向的最大撓度值；第三步，建立鉆削時所述碳纖維增強復合材料層合板的彎曲變形能公式，并根據第二步中所求得的碳纖維增強復合材料層合板在鉆削方向的最大撓度值X，求出鉆頭鉆削時碳纖維增強復合材料層合板的彎曲變形能U ;所述的碳纖維增強復合材料層合板彎曲變形能公式為ττ D rrf dzx I /Χ丫』JU 二 — ———+--dxdv 2 y、dr - r dr ) "其中，U是碳纖維增強復合材料層合板的彎曲變形能，D是碳纖維增強復合材料層合板的抗彎剛度，D1是積分面積，X是碳纖維增強復合材料層合板在鉆削方向的最大撓度值；第四步，根據第二步中所求得的碳纖維增強復合材料層合板的最大撓度X、第三步中所求得的碳纖維增強復合材料層合板的彎曲變形能U和第一步中建立的碳纖維增強復合材料層合板的分層穩定狀態方程，確定鉆孔分層臨界推力值Fa。所述的控制所述鉆頭的鉆削軸向力始終小于鉆孔分層臨界推力值Fa是通過調整該鉆頭的鉆削參數來實現的。 與現有技術相比，本專利技術的有益效果是基于CFRP (碳纖維增強復合材料層合板)鉆孔分層損傷發生的根本原因，通過板殼理論、斷裂力學、彈性力學以及能量法相結合的方法，推導出鉆頭鉆削CFRP時的臨界推力模型，進而可確定出特定鉆頭和特定材料下鉆孔分層時的臨界推力值，在實際生廣加工中控制鉆頭的鉆削軸向力始終小于該鉆孔分層臨界推力值，實現了 CFRP層合板的無分層鉆孔加工，從而避免了鉆孔中產生的分層損傷缺陷，降低了因分層缺陷而造成的產品報廢，提高了生產效率，降低了生產成本，提升了產品質量。附圖說明圖I為本專利技術中CFRP層合板簡化等效模型。圖2為本專利技術的變形能積分區域示意圖。圖3為本專利技術的CFRP層合板固定邊界條件示意圖。圖4為本專利技術的載荷簡化示意圖。具體實施例方式本專利技術所述的，針對CFRP層合板鉆孔分層臨界推力的難以預測性，基于板殼理論、斷裂力學和彈性力學相關理論，建立起CFRP層合板鉆孔分層臨界推力模型，從而確定出鉆孔分層臨界推力值Fa，并在鉆頭鉆削CFRP層合板的過程中，控制所述鉆頭的鉆削軸向力始終小于鉆孔分層臨界推力值Fa，從而實現CFRP層合板的無分層鉆孔加工。所述的鉆孔分層臨界推力值Fa的確定步驟具體包括根據CFRP層合板鉆孔分層臨界狀態為應變能(鉆削軸向力沿CFRP層合板撓度方向所做功與CFRP層合板的彎曲勢能之差)恰好等于形成新裂紋表面所需要吸收的表面能的原理，首先建立CFRP層合板的分層穩定狀態方程；然后通過坐標轉化法將小撓度薄板的基本微分方程轉化為基于極坐標下的撓度方程，根據CFRP層合板所受的等效簡化力情況以及載荷邊界條件，求出CFRP層合板在鉆孔時的最大撓度值；再后利用彈性力學相關理論，并結合層合板在鉆削加工時的邊界固定條件，建立鉆削時CFRP層合板的彎曲變形能公式并求出鉆削時CFRP層合板內部所儲存的彎曲變形能；最后利用所求本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于鉆削力控制的碳纖維增強復合材料層合板無分層鉆孔方法，其特征在于，在鉆頭鉆削所述碳纖維增強復合材料層合板的過程中，控制所述鉆頭的鉆削軸向力始終小于鉆孔分層臨界推力值Fa。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：安慶龍，徐錦泱，蔡曉江，魏瑩瑩，陳明，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：