CN106769853B - Cfrp与钛合金叠层结构钻孔分层缺陷的预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔分层缺陷的预测方法，涉及碳纤维复合材料与钛合金叠层装配技术领域。该方法通过解析计算碳纤维复合材料产生分层缺陷的临界轴向力，建立碳纤维复合材料与钛合金叠层结构分层缺陷评价分析模型、平稳制孔初始阶段轴向切削力计算模型和轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型，依据当前钻头结构参数、制孔工艺参数和制孔数量等条件，判断钻孔过程能否产生分层缺陷，以及预测分析分层缺陷区域的最大直径。本发明能预测满足设定分层缺陷标准的最大钻孔数量，有效提高制孔刀具的使用寿命和叠层结构钻孔的合格率，防止因超过分层缺陷标准而导致的零件报废，节约生产成本。

Description

CFRP与钛合金叠层结构钻孔分层缺陷的预测方法
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料与钛合金叠层装配技术领域，尤其涉及一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔分层缺陷的预测方法。
背景技术
碳纤维复合材料(CFRP)具有密度低、强度高、比强度大、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车、导弹等领域得到广泛的应用。例如，波音787客机机身表面90％都采用了碳纤维复合材料，我国新型航空飞行器也逐渐增加碳纤维复合材料使用的比例，航空飞行器复合材料及钛合金的应用比例已经成为衡量其先进性的重要指标之一。
随着先进航空飞行器广泛使用碳纤维复合材料，碳纤维复合材料与钛合金叠层装配结构的制孔需求越来越大，波音787客机装配需要钻削400万个碳纤维复合材料与钛合金叠层结构孔。由于碳纤维复合材料与钛合金的难加工特性及其相互制约、影响，制孔过程存在着制孔效率低、制孔质量不易保证、零件报废率难以控制的突出问题。据报道，国内外飞机组装过程中，因制孔加工产生的分层缺陷而导致报废的碳纤维复合材料零件数量占全部报废零件的60％以上。因为即使是非常微小的分层也是非常严重的安全隐患，而碳纤维复合材料加工表面一旦出现撕裂和分层等严重缺陷几乎无法修复和挽回。
由于缺少有效的叠层结构钻孔分层缺陷预测方法，操作人员难以判断在当前钻孔条件下，何时会产生分层缺陷或者分层区域直径超出相关标而准造成零件报废，只能根据经验减少制孔数量，因此极大的降低了制孔刀具的使用寿命，人为的提高了制孔成本。
针对碳纤维复合材料钻孔分层缺陷，国内外进行了大量的研究工作，先后提出了产生分层缺陷的“临界轴向切削力”理论、分层缺陷直径评价因子和分层缺陷面积评价因子，为分层缺陷的预测分析提供了理论基础，并分别提出了相关的预测方法。
目前碳纤维复合材料钻孔分层缺陷的预测方法存在以下不足：(1)现有预测方法仅适用于碳纤维复合材料单独钻孔条件，没有提出碳纤维复合材料与钛合金叠层结构钻孔条件下有效的分层缺陷预测方法。由于没有考虑叠层结构钻孔过程中钛合金材料对钻孔刀具磨损的影响，因而这些预测方法不适用于叠层结构；(2)现有预测方法是基于分层缺陷区域直径与钻孔过程静态切削力的关系模型提出的，不能够分析出钻孔数量达到什么指标后，分层区域直径超过指定的缺陷标准，因而不满足钻孔过程中分层缺陷动态实时预测分析的工程实际需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔分层缺陷的预测方法，依据当前钻头结构参数、制孔工艺参数和制孔数量等条件，判断钻孔过程能否产生分层缺陷，以及预测分析分层缺陷区域的最大直径，能预测满足设定分层缺陷标准的最大钻孔数量，有效提高制孔合格率，降低因超出分层缺陷标准而导致的零件报废率。
一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔分层缺陷的预测方法，具体步骤如下：
步骤1、设置分层缺陷要求，即许用的分层缺陷区域最大直径；
步骤2、计算碳纤维复合材料产生分层缺陷的临界轴向切削力；
步骤2.1、基于理论解析方法，建立碳纤维复合材料钻孔产生分层缺陷的临界轴向切削力计算公式，如式(1)所示；
其中，FA为钻孔轴向切削力，GIC是单位面积上碳纤维复合材料裂纹的扩展能量，E为弯曲弹性模量，h为碳纤维复合材料单层厚度，v为泊松比；
步骤2.2、采用超景深显微镜观察、测量复合材料板材，获得碳纤维复合材料板材单层厚度；
步骤2.3、将复合材料板材单层厚度、碳纤维复合材料裂纹扩展能量、弹性模量和泊松比变量代入公式(1)计算公式，获得产生分层缺陷的临界轴向切削力；
步骤3、计算平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力；
步骤3.1、进行叠层结构钻孔正交试验，在钻孔进入平稳制孔阶段的初始时，采用测力仪采集、测量每组试验的钻孔轴向切削力，通过观察钻孔过程中切削力的变化趋势，确定碳纤维复合材料和钛合金叠层结构钻孔达到平稳制孔初始阶段的标准为钻削5个或6个孔；
步骤3.2、通过对步骤3.1的轴向切削力数据分析处理，建立与钻头螺旋角、顶角、外缘后角、制孔切削速度、制孔进给量相关的碳纤维复合材料钻孔切削力经验公式，如式(2)所示；
其中，Fzsi为碳纤维复合材料钻孔平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力，β为钻头螺旋角，αr为钻头外缘后角，为钻头顶角，Vc为钻孔切削速度，fr为钻孔每转进给量；
步骤3.3、通过式(2)计算平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力；
步骤4、计算随制孔数量变化的整个平稳制孔阶段的动态实时轴向切削力；
步骤4.1、进行叠层结构连续钻削多孔试验，采用测力仪测量钻削每一孔的实时轴向切削力；
步骤4.2、通过数据分析处理，得到轴向切削力与制孔数量的关系曲线，基于平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力，建立整个平稳制孔阶段切削力与制孔数量的线性映射关系公式，如式(3)所示；
FNb＝1.136N+102.927+Fzsi (3)
其中，FNb为钻孔过程动态实时轴向切削力，N为钻孔数量；
步骤4.3、通过输入不同的制孔数量，计算动态实时的轴向切削力；
步骤4.4、比较步骤4.3的动态实时切削力FNb与步骤1的临界切削力FA，判断是否产生分层缺陷；
如果FNb小于FA，则不产生分层缺陷，增加1个制孔数量，返回步骤4.3；如果FNb大于或等于FA，则产生分层缺陷，执行步骤5；
步骤5、预测分层缺陷区域直径及最大制孔数量；
步骤5.1、进行叠层结构连续钻削多孔试验，采用超声波检测复材分层缺陷区域的面积，同时采用测力仪测量钻孔的轴向切削力；
步骤5.2、通过数据处理，采用理论解析方法，建立分层缺陷区域直径预测分析模型，该预测分析模型如式(4)所示；
其中，Dm为分层缺陷区域最大直径，D为钻孔直径；
步骤5.3、通过预测分析模型式(4)，预测分层缺陷区域的直径，并获得满足步骤1分层缺陷要求的最大制孔数量。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的CFRP与钛合金叠层结构钻孔分层缺陷的预测方法，可以在当前钻孔条件下，分析钻削到不同制孔数量时是否满足设定的分析缺陷标准，并能够给出满足分层缺陷标准的最大制孔数量，有效提高制孔刀具的使用寿命和叠层结构钻孔的合格率，防止因超过分层缺陷标准而导致的零件报废，节约生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的CFRP与钛合金叠层结构钻孔分层缺陷的预测方法流程图；
图2为本发明实施例提供的平稳阶段钻孔轴向切削力与制孔数量的关系曲线图；
图3为本发明实施例提供的钻孔产生分层缺陷的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明采用理论解析和制孔试验的方法，解析计算碳纤维复合材料产生分层缺陷的临界轴向力，建立T300碳纤维复合材料与TC6钛合金叠层结构分层缺陷评价分析模型、平稳制孔初始阶段轴向切削力计算模型和轴向切削力随制孔数量变化的映射关系模型，提出一种叠层结构钻孔过程碳纤维复合材料分层缺陷的预测分析方法，依据当前钻头结构参数、制孔工艺参数和制孔数量等条件，判断钻孔过程能否产生分层缺陷，以及预测分析分层缺陷区域的最大直径。
以T300碳纤维复合材料与TC6钛合金叠层结构钻孔过程为例，提供一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔分层缺陷的预测方法，该叠层结构的钻孔顺序及为先加工T300复合材料板材，后加工TC6钛合金板材。如图1所示，本实施例的方法如下所述。
步骤1、设置许用的分层缺陷区域最大直径为6mm。
步骤2、计算碳纤维复合材料产生分层缺陷的临界轴向切削力，具体方法为：
步骤2.1、基于理论解析方法，建立碳纤维复合材料钻孔产生分层缺陷的临界轴向切削力计算公式，如式(1)所示。
其中，FA为钻孔轴向切削力，GIC是单位面积上碳纤维复合材料裂纹的扩展能量，E为弯曲弹性模量，h为碳纤维复合材料单层厚度，v为泊松比；
步骤2.2、采用超景深显微镜观察、测量复合材料板材，获得碳纤维复合材料板材单层厚度；本实施例中，通过测量试验，测得T300复合材料板材的单层厚度为0.297mm。
步骤2.3、将碳纤维复合材料板材单层厚度、碳纤维复合材料裂纹扩展能量、弹性模量和泊松比变量代入公式(1)计算公式，获得产生分层缺陷的临界轴向切削力。
通过相关材料手册，得到T300复合材料的相关特性为：裂纹扩展能量为285J/m2、弹性模量为115Gpa、泊松比为0.34，计算得到的T300复合材料分层缺陷临界轴向切削力为159.852N。
步骤3、计算平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力，具体方法为：
步骤3.1、进行叠层结构钻孔正交试验，在钻孔进入平稳制孔阶段的初始时，采用测力仪采集、测量每组试验的钻孔轴向切削力。本实施例中，观察钻孔过程中切削力变化趋势，发现从钻削第5个孔开始，切削力变为平稳增加状态，因此确定碳纤维复合材料和钛合金叠层结构钻孔达到平稳制孔初始阶段的标准为钻削5个孔。具体实施中，达到平稳制孔初始阶段的标准还可以设定为钻削6个孔。
步骤3.2、通过对步骤3.1测量切削力数据分析处理，建立与钻头螺旋角、顶角、外缘后角、制孔切削速度、制孔进给量相关的碳纤维复合材料钻孔切削力经验公式，如式(2)所示。
其中，Fzsi为碳纤维复合材料钻孔平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力，β为钻头螺旋角，αr为钻头外缘后角，为钻头顶角，Vc为钻孔切削速度，fr为钻孔进给量。
步骤3.3、通过式(2)计算平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力。
本实施例中，制孔用钻头的直径为6mm、螺旋角为25度、外缘后角为12度、顶角为140度、刀具材料为K6UF(硬质合金)，制孔切削速度为30m/min、制孔进给量为0.03mm/min。通过公式(2)计算得到钻削5个孔后平稳制孔初始阶段的轴向切削力为108.626N。
步骤4、计算随制孔数量变化的整个平稳制孔阶段的动态实时轴向切削力，具体方法为：
步骤4.1、按照步骤(2)的制孔条件进行制孔试验，进行叠层结构连续钻削多孔试验，采用测力仪测量钻削每一孔的实时轴向切削力，主要揭示切削力随制孔数量增加的动态变化规律。
步骤4.2、通过数据分析处理，得到轴向切削力与制孔数量的关系曲线，基于平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力，建立整个平稳制孔阶段切削力与制孔数量的线性映射关系公式，如式(3)所示。
FNb＝1.136N+102.927+Fzsi (3)
其中，FNb为钻孔过程动态实时轴向切削力，N为钻孔数量。
步骤4.3、通过输入不同的制孔数量，计算动态实时轴向切削力。本实施例中，平稳阶段钻孔轴向切削力与制孔数量的关系曲线图如图2所示。
步骤4.1中测量的切削力是用于建立公式(3)，而步骤4.3的意义是不必再进行测量试验，可以通过公式(3)直接计算出动态切削力。
步骤4.4、比较步骤3的动态实时切削力FNb与步骤1的临界切削力FA，判断是否产生分层缺陷；
如果FNb小于FA，则不产生分层缺陷，增加制孔数量，继续执行步骤3.3；如果FNb大于或等于FA，则产生分层缺陷，执行步骤4。本实施例中，通过计算并观察分析，发现在钻削至51个孔以后，T300碳纤维复合材料出现分层缺陷，如图3所示。通过公式(3)计算此时的钻孔轴向切削力为160.863N，大于产生分层缺陷临界轴向切削力的159.852N。
步骤5、预测分层缺陷区域直径及最大制孔数量；
步骤5.1、进行叠层结构连续钻削多孔试验，采用超声波检测复材分层缺陷区域的面积，同时采用测力仪测量钻孔的轴向切削力，主要揭示最大分层缺陷直径随制动态切削力的动态变化规律；
步骤5.2、通过数据处理，采用理论解析方法，建立分层缺陷区域直径预测分析模型，该预测分析模型如式(4)所示；
其中，Dm为分层缺陷区域的最大直径，D为钻孔直径；
步骤5.3、通过预测分析模型式(4)，计算得到钻削第51孔的分层缺陷区域直径为5.976mm，钻削第52孔的分层缺陷区域直径为的分层缺陷区域直径为6.278mm，大于步骤1设置的许用分层缺陷区域最大直径，因此最大制孔数量为50孔。
本发明提供的CFRP与钛合金叠层结构钻孔分层缺陷的预测方法，可以在当前钻孔条件下，分析钻削到不同制孔数量时是否满足设定的分析缺陷标准，并能够给出满足分层缺陷标准的最大制孔数量，有效提高制孔刀具的使用寿命和叠层结构钻孔的合格率，防止因超过分层缺陷标准而导致的零件报废，节约生产成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔分层缺陷的预测方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
步骤1、设置分层缺陷要求，即许用的分层缺陷区域最大直径；
步骤2、计算碳纤维复合材料产生分层缺陷的临界轴向切削力；
步骤2.1、基于理论解析方法，建立碳纤维复合材料钻孔产生分层缺陷的临界轴向切削力计算公式，如式(1)所示；
其中，FA为钻孔轴向切削力，GIC是单位面积上碳纤维复合材料裂纹的扩展能量，E为弯曲弹性模量，h为碳纤维复合材料单层厚度，v为泊松比；
步骤2.2、采用超景深显微镜观察、测量复合材料板材，获得碳纤维复合材料板材单层厚度；
步骤2.3、将复合材料板材单层厚度、碳纤维复合材料裂纹扩展能量、弹性模量和泊松比变量代入公式(1)计算公式，获得产生分层缺陷的临界轴向切削力；
步骤3、计算平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力；
步骤3.1、进行叠层结构钻孔正交试验，在钻孔进入平稳制孔阶段的初始时，采用测力仪采集、测量每组试验的钻孔轴向切削力，碳纤维复合材料和钛合金叠层结构钻孔达到平稳制孔初始阶段的标准为钻削5个或6个孔；
步骤3.2、通过对步骤3.1的轴向切削力数据分析处理，建立与钻头螺旋角、顶角、外缘后角、制孔切削速度、制孔进给量相关的碳纤维复合材料钻孔切削力经验公式，如式(2)所示；
其中，Fzsi为碳纤维复合材料钻孔平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力，β为钻头螺旋角，αr为钻头外缘后角，为钻头顶角，Vc为钻孔切削速度，fr为钻孔每转进给量；
步骤3.3、通过式(2)计算平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力；
步骤4、计算随制孔数量变化的整个平稳制孔阶段的动态实时轴向切削力；
步骤4.1、进行叠层结构连续钻削多孔试验，采用测力仪测量钻削每一孔的实时轴向切削力；
步骤4.2、通过数据分析处理，得到轴向切削力与制孔数量的关系曲线，基于平稳制孔初始阶段的钻孔轴向切削力，建立整个平稳制孔阶段切削力与制孔数量的线性映射关系公式，如式(3)所示；
FNb＝1.136N+102.927+Fzsi (3)
其中，FNb为钻孔过程动态实时轴向切削力，N为钻孔数量；
步骤4.3、通过输入不同的制孔数量，计算动态实时的轴向切削力；
步骤4.4、比较步骤4.3的动态实时切削力FNb与步骤1的临界切削力FA，判断是否产生分层缺陷；
如果FNb小于FA，则不产生分层缺陷，增加制孔数量，继续执行步骤4.3；如果FNb大于或等于FA，则产生分层缺陷，执行步骤5；
步骤5、预测分层缺陷区域直径及最大制孔数量；
步骤5.1、进行叠层结构连续钻削多孔试验，采用超声波检测复材分层缺陷区域的面积，同时采用测力仪测量钻孔的轴向切削力；
步骤5.2、通过数据处理，采用理论解析方法，建立分层缺陷区域直径预测分析模型，该预测分析模型如式(4)所示；
其中，Dm为分层缺陷区域最大直径，D为钻孔直径；
步骤5.3、通过预测分析模型式(4)，预测分层缺陷区域的直径，并获得满足步骤1分层缺陷要求的最大制孔数量。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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