[發明專利]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

無效

• 申請號: 201210399254.6
• 申請日: 2012-11-21
• 公開（公告）號: CN102896660A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 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
• 主分類號: B26F1/16
• 分類號: B26F1/16
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 祖志翔

技術領域

本發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復合材料層合板無分層鉆孔方法，屬于機械加工技術領域。

背景技術

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。

發明內容

本發明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。

本發明是通過以下技術方案實現的：

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F_a。

所述的鉆孔分層臨界推力值F_a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：

F_a·dX-ΔU-G_IC·dA＝0

其中，W是鉆削軸向力沿層合板撓度方向所做功，

ΔU是彎曲勢能，

F_a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，

G_IC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：