專利名稱：基于鉆削力控制的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板無分層鉆孔方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆加工方法，具體涉及一種基于鉆削力控制的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板無分層鉆孔方法，屬于機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)體的樹脂基復(fù)合材料，因其具有強(qiáng)度高、比剛度高、耐疲勞性能好以及可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于制造先進(jìn)飛機(jī)上的主承力結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)蒙皮、壁板、機(jī)翼中間梁、機(jī)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(yīng)用最廣的一種材料加工方式，同時也是航空結(jié)構(gòu)件裝配的最終環(huán)節(jié)。鉆削制孔質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系·到整個飛機(jī)的裝配質(zhì)量和服役壽命。由于CFRP特有的各向異性以及層間接觸強(qiáng)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(xiàn)傳統(tǒng)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(chǎn)生復(fù)合材料特有的缺陷，主要表現(xiàn)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(jù)統(tǒng)計，飛機(jī)在最后組裝時，因鉆孔分層而造成的報廢率高達(dá)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(xiàn)無分層鉆孔的關(guān)鍵在于控制住CFRP層合板在鉆削分層時的推力，使之小于產(chǎn)生分層缺陷的臨界推力值，進(jìn)而實現(xiàn)無分層制孔加工。目前，有關(guān)分層臨界推力值的確定大都通過實驗加數(shù)學(xué)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(shù)下鉆削軸向力值和相應(yīng)的分層系數(shù)，然后通過數(shù)值擬合法建立軸向力和分層系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而求解出無分層時的臨界推力值。該方法對于原始數(shù)據(jù)依賴性大，求解精度往往取決于原始數(shù)據(jù)的采集量以及擬合函數(shù)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(xué)劑清洗才能夠觀察到，在分層區(qū)域確定時又常常取決于操作者的實驗經(jīng)驗，人為因素影響較大，實驗操作繁瑣且誤差大。經(jīng)過對現(xiàn)有文獻(xiàn)的檢索，至今未發(fā)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板無分層鉆孔方法的公開報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板鉆孔方法的不足，提供一種基于鉆削力控制的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板無分層鉆孔方法，其基于板殼理論、斷裂力學(xué)和彈性力學(xué)相關(guān)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(jìn)而實現(xiàn)CFRP層合板的無分層鉆孔加工。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的—種基于鉆削力控制的碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料層合板的分層穩(wěn)定狀態(tài)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(qiáng)復(fù)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(qū)域最大面積；第二步，將碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(biāo)方程和鉆頭鉆削時的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板撓度公式，求出碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(biāo)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(qiáng)復(fù)合材料層合板的抗彎剛度，w是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板在鉆削方向的撓度，q是碳纖維增強(qiáng)復(fù)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 + E
J ,, J J r J ο 4 ' 1 4其中，w是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板在鉆削方向的撓度，q是碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(shù)；所述的最大撓度值為X = Iim Μ；
imx其中，X是碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料層合板的彎曲變形能公式，并根據(jù)第二步中所求得的碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料層合板的彎曲變形能U ;所述的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板彎曲變形能公式為ττ D rrf dzx I /Χ丫』JU 二 — ———+--dxdv
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其中，U是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的彎曲變形能，D是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的抗彎剛度，D1是積分面積，X是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板在鉆削方向的最大撓度值；第四步，根據(jù)第二步中所求得的碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料層合板的分層穩(wěn)定狀態(tài)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(diào)整該鉆頭的鉆削參數(shù)來實現(xiàn)的。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是基于CFRP (碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板)鉆孔分層損傷發(fā)生的根本原因，通過板殼理論、斷裂力學(xué)、彈性力學(xué)以及能量法相結(jié)合的方法，推導(dǎo)出鉆頭鉆削CFRP時的臨界推力模型，進(jìn)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(xiàn)了 CFRP層合板的無分層鉆孔加工，從而避免了鉆孔中產(chǎn)生的分層損傷缺陷，降低了因分層缺陷而造成的產(chǎn)品報廢，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。


圖I為本發(fā)明中CFRP層合板簡化等效模型。圖2為本發(fā)明的變形能積分區(qū)域示意圖。圖3為本發(fā)明的CFRP層合板固定邊界條件示意圖。圖4為本發(fā)明的載荷簡化示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明所述的基于鉆削力控制的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板無分層鉆孔方法，針對CFRP層合板鉆孔分層臨界推力的難以預(yù)測性，基于板殼理論、斷裂力學(xué)和彈性力學(xué)相關(guān)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(xiàn)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(jù)CFRP層合板鉆孔分層臨界狀態(tài)為應(yīng)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(wěn)定狀態(tài)方程；然后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化法將小撓度薄板的基本微分方程轉(zhuǎn)化為基于極坐標(biāo)下的撓度方程，根據(jù)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(xué)相關(guān)理論，并結(jié)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(nèi)部所儲存的彎曲變形能；最后利用所求得的最大撓度值、彎曲變形能和分層穩(wěn)定狀態(tài)方程，確定鉆孔分層臨界推力值Fa。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進(jìn)一步描述，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。實施例本實施例中采用直徑為4. 9mm的硬質(zhì)合金麻花鉆鉆削加工T300/250F CFRP層合板，其鉆孔分層臨界推力的確定具體包括以下步驟，請結(jié)合參閱圖I、圖2和圖3 第一步，鉆頭在鉆削CFRP層合板時，在材料即將分層的瞬間，鉆削軸向力沿CFRP層合板撓度方向所做功，其一部分用于克服CFRP層合板的彎曲變形而轉(zhuǎn)化為基體內(nèi)部的彎曲勢能，另一部分則轉(zhuǎn)化為板內(nèi)分層裂紋擴(kuò)展所需的表面能。當(dāng)應(yīng)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時，分層裂紋處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時鉆削軸向力值即為CFRP層合板鉆孔分層臨界推力值Fa。麻花鉆在鉆削CFRP層合板時，其分層穩(wěn)定狀態(tài)為W-AU= AS其中ff= Fa · dX ； Δ S = Gic · dA亦即Fa· dX- Δ U-Gic · dA = 0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，Λ S是裂紋擴(kuò)展時所需的表面能，F(xiàn)a是鉆孔分層臨界推力值，dX是CFRP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單元，該表面能面積是指分層區(qū)域最大面積。第二步，將CFRP層合板簡化為一薄板部件，并認(rèn)定其鉆削方向的撓度值遠(yuǎn)小于板的厚度，且CFRP層合板的中面是中性的，板內(nèi)無薄膜力，即CFRP層合板的彎曲變形屬于小撓度變形；采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)化法將小撓度薄板的基本微分方程轉(zhuǎn)化為小撓度薄板的極坐標(biāo)方程；根據(jù)鉆頭在鉆削過程中被切圓板部分上的載荷和邊界條件都是關(guān)于孔圓心對稱的條件，以及撓度只是關(guān)于r的函數(shù)，與Θ無關(guān)的條件，可以得出一般鉆頭鉆削CFRP層合板時的撓度方程，再結(jié)合特定鉆頭鉆削時CFRP層合板所受的等效簡化力情況，即可得出CFRP層合板在鉆削時的撓度公式，對撓度公式取最大極限即可求出層合板的最大撓度值X。所述的小撓度薄板的極坐標(biāo)方程為
權(quán)利要求
1.一種基于鉆削力控制的碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)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。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于鉆削力控制的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板無分層鉆孔方法，其特征在于，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(qiáng)復(fù)合材料層合板的分層穩(wěn)定狀態(tài)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， AU是彎曲勢能， Fa是鉆孔分層臨界推力值， dX是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板沿鉆頭位移方向上最大撓度的微分位移， Grc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(qū)域最大面積； 第二步，將碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(biāo)方程和鉆頭鉆削時的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板撓度公式，求出碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(biāo)方程為
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于鉆削力控制的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板無分層鉆孔方法，其特征在于，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(diào)整該鉆頭的鉆削參數(shù)來實現(xiàn)的。
全文摘要
一種基于鉆削力控制的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板無分層鉆孔方法，其在鉆頭鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(wěn)定狀態(tài)方程；通過建立小撓度薄板的極坐標(biāo)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(jù)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(wěn)定狀態(tài)方程，確定鉆孔分層臨界推力值Fa。本發(fā)明實現(xiàn)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(chǎn)品質(zhì)量，降低了成本，提高了效率。
文檔編號B26F1/16GK102896660SQ20121039925
公開日2013年1月30日 申請日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者安慶龍, 徐錦泱, 蔡曉江, 魏瑩瑩, 陳明 申請人:上海交通大學(xué)