一种机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层结构出口毛刺高度预测方法
专利汇可以提供一种机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层结构出口毛刺高度预测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提出一种 机器人 旋转超声钻削CFRP/ 铝 合金 叠层结构出口毛刺高度预测方法，首先建立两个主切削刃轴向的运动轨迹方程，并得到钻削过程中的动态钻削厚度和一个振动周期内的平均钻削厚度；其次，分别对主切削刃和横刃上的轴向 力 进行了分析与计算，结合机器人弱 刚度 系数K，建立机器人旋转超声钻削轴向力表达式；再次，分析 铝合金 出口毛刺的形成过程，确定毛刺生成的初始 位置 ；接着，利用薄板 变形 理论计算轴向力引起的弯曲挠度，进而确定各个加工位置的变形量；然后，基于 能量 守恒理论解析临界屈服厚度；最后，通过体积守恒理论建立出口毛刺高度模型，并开展钻削实验验证模型的有效性。，下面是一种机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层结构出口毛刺高度预测方法专利的具体信息内容。
1.一种机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层结构出口毛刺高度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立两个主切削刃轴向的运动轨迹方程za(θ)和zb(θ)：首先根据麻花钻轴向所加的超声振动的轨迹方程得到钻头主切削刃上任意一点的轴向运动的轨迹方程，再根据钻头转过的角度和时间的关系，得到钻头轴向运动的轨迹方程；最终根据标准麻花钻两主切削刃转过的角度相差π，分别建立两主切削刃轴向的运动的轨迹方程za(θ)和zb(θ)；
步骤2、计算钻削过程中的动态轴向钻削厚度hD和一个振动周期内的平均钻削厚度hDav：
首先根据任意一次刀具与工件接触的轨迹方程与前一次刀具与工件接触的轨迹方程的差值，计算钻削CFRP过程中的动态轴向钻削厚度hD；再对动态钻削厚度进行分析，计算一个振动周期内的平均钻削厚度hDav；
步骤3、建立主切削刃上的切削宽度的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系式：
建立笛卡尔坐标系，将切削刃分割为微元称之为切削单元，根据主切削刃上的切削单元在水平面内的投影dx与dr的关系，利用刀具的钻心角，求得主切削刃上的切削宽度的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系式；
步骤4、建立钻削铝合金时钻头主切削刃上轴向力的数学模型：基于金属切削经典理论，结合步骤3得到的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系式，得到钻削铝合金时主切削刃上轴向力微元 的数学模型，然后对整个切削刃进行积分得到主切削刃上的轴向力；
步骤5、建立钻削铝合金时钻头横刃上的轴向力 数学模型：首先根据横刃压入工件的几何模型和金属材料力学分析，建立钻削铝合金横刃上的轴向力微元 然后对整个横刃进行积分得到横刃上的轴向力
步骤6、建立机器人弱刚度系数K与工艺参数的映射关系：首先根据轴向力实验结果，计算各实验组对应的K值，然后运用偏最小二乘回归算法构建K值与各工艺参数的函数表达式，将K值函数式代入总的轴向力表达式，从而建立机器人旋转超声钻削铝合金轴向力预测模型；
步骤7、分析铝合金出口毛刺形成过程：根据材料力学金属屈服理论，将毛刺形成过程分为四个阶段，并对各阶段的力学特性进行表征，确定建立毛刺高度模型所需的临界屈服厚度；
步骤8、计算钻削过程中工件的变形量：基于薄板弯曲理论，结合薄板弹性曲面微分方程，建立钻削轴向力作用下工件各处的挠度变形表达式；
步骤9、基于能量守恒理论解析临界屈服厚度：首先，将毛刺形成过程中轴向力与钻入进给量的映射关系假设为一次函数，建立轴向力与进给量之间的映射关系，通过轴向力与进给量的积分计算钻削轴向力做功，接着，建立工件材料塑性形变做功以及毛刺形成所需总功的表达式，最后，根据钻削轴向力做功和形变做功相加等于总功，求解临界屈服厚度；
步骤10、基于体积守恒理论建立毛刺厚度模型：根据毛刺的形成机理分析与材料断裂理论，结合体积守恒建立毛刺高度表达式；
步骤11、根据已建立的机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层结构毛刺高度模型，对实际加工中的毛刺高度进行预测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
1.1、首先根据钻头轴向所加的超声振动的轨迹方程得到钻头主切削刃上任意一点的轴向运动的轨迹方程：
钻头轴向所加的超声振动的轨迹方程为：
x(t)＝A sin(2π×F×t) (1)
则钻头主切削刃上任意一点的轴向运动的轨迹方程为：
1.2、根据钻头转过的角度和时间的关系，得到钻头轴向运动的轨迹方程：
钻头转过的角度θ和时间t的关系为： 代人式(2)
可得轴向运动的轨迹方程：
1.3、根据标准麻花钻两主切削刃转过的角度相差π，分别建立两主切削刃轴向的运动的轨迹方程z1(θ)和z2(θ)：
由于标准麻花钻具有两个主切削刃：1刃和2刃，由于两主切削刃转过的角度相差π，则两主切削刃轴向的运动的轨迹方程分别表示为：
其中，z1(θ)为1刃的轨迹方程，z2(θ)为2刃的轨迹方程；θ为钻头转过的角度；F为超声振动频率；A为超声振幅；vf为进给速度；n为转速。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤2.1、计算动态轴向钻削厚度hD；
由于超声振动的作用，刀具与工件的接触状态有两种形式：
(1)当刀具一直与工件接触时，钻削厚度即为两个主切削刃的运动轨迹z1(θ)和z2(θ)的差值，动态轴向钻削厚度hD表示为：
(2)当钻头与工件间断性接触时，工件上某个要切除的表面将由1刃或2刃经过多个周期后接触工件时产生，此时切削刃的轨迹方程表示为：
钻头的动态轴向钻削厚度为：任意一次刀具与工件接触的轨迹方程与前一次刀具与工件接触的轨迹方程的差值，用下式表示：
hD＝zm+1(θ)-max(z1(θ),z2(θ)...,zm(θ)) (8)
当式(8)中m取值为1时即为式(6)，因此，当刀具一直与工件接触时动态轴向钻削厚度是钻头与工件间断性接触时动态轴向钻削厚度的一种特例，
其中，m为k的取值范围，m≥1；
步骤2.2：计算一个振动周期内的平均钻削厚度hDav；
对动态钻削厚度进行分析可知，在刀具旋转过程中动态钻削厚度是呈周期性变化的，所以为获得平均钻削厚度只需要选取一个振动周期进行研究，在一个振动周期内平均钻削厚度可表示为：
其中，AD，bD分别为一个振动周期内的切削面积和刀具运动的轨迹长度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
步骤3.1、为了计算轴向力，建立笛卡尔坐标系，将切削刃分割为微元称之为切削单元，主切削刃上的切削单元在水平面内的投影dx与dr的关系为：
dx＝dr cosω (10)
其中，ω为刀具的钻心角，表示为：
步骤3.2、则刀具的钻心角表达式为：
步骤3.3、主切削刃上切削宽度微分单元dl表示为：
dl＝dx/sin p (13)
则，主切削刃上的切削宽度的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系：
其中，l为切削宽度；w是横刃厚度的一半；p为钻头的半顶角；r主切削刃上某点半径。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：
步骤4.1、钻削铝合金时作用在刀具上垂直于切削速度方向的力 表示为：
其中，τAl，σAl分别为铝合金的剪切强度和屈服强度；ac为钻削厚度；ψ为刀具的横刃斜角；
步骤4.2、结合步骤3得到的微分单元dl与钻头半径的微分单元dr的关系式(14)代入式(15)中，得到在钻削铝合金时钻头主切削刃上轴向力微元：
步骤4.3、对整个切削刃进行积分，考虑两条主切削刃的对称性，得到切削刃上的轴向力：
其中，R为钻头半径。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：
所述横刃上的轴向力 为：
其中，E为铝的弹性模量，v为泊松比，kch为横刃切削系数，γw为参考前角，γf为刀具的楔形角；
对整个横刃进行积分得到横刃上的轴向力
总的轴向力由作用在主切削刃和横刃上的两部分力构成，因此总的轴向力为:
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤6具体包括：
步骤6.1、根据轴向力实验结果，计算各实验组对应的K值：根据公式(19)计算稳定钻削轴向力Fth0，通过实验值与Fth的比值计算K值；
步骤6.2、运用偏最小二乘回归算法构建K值与各加工参数的函数表达式，将K值函数式代入总轴向力表达式，从而建立三尖钻旋转超声钻削CFRP轴向力预测模型，应用偏最小二乘回归算法构建K值与各加工参数的函数表达式如下
K＝1.383+0.0001036·n-0.00114·vf-0.0264·A (20)
步骤6.3、将K值函数式代入总轴向力表达式，建立机器人旋转超声钻削铝合金轴向力：
Fth＝K·Fth0＝(1.383+0.0001036·n-0.00114·vf-0.0264·A)·Fth0 (21)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据材料力学金属屈服理论，将毛刺形成过程分为四个阶段：刀具完全钻入材料阶段、材料发生屈服阶段、毛刺形成阶段和孔周边材料发生初始断裂阶段，随着钻头的钻进，下层工件材料厚度减小，达到临界屈服厚度后，材料开始发生变形，随变形量的增加，材料内应力不断增大，并在孔的周边断裂，最终形成出口毛刺，临界屈服厚度t为求解毛刺高度的关键因素。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤8具体包括：
步骤8.1、根据材料力学金属屈服理论，钻削轴向力作用下薄板各处的挠度变形通过以下公式计算：
其中D为铝板的抗弯刚度；a和b分别为工件的长度和宽度；(ζ,η)为轴向力作用位置坐标；(x,y)为工件上任意位置坐标；i,j＝1,3,5…，
其中E为铝合金弹性模量；h为工件的厚度；v为铝合金的泊松比。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤9具体包括：
步骤9.1、将毛刺形成过程中轴向力与钻入进给量的映射关系假设为一次函数，建立轴向力与进给量之间的映射关系为：
其中Fth(l)为随钻入进给量变化的轴向力；l为从屈服位置到钻入位置的之间的进给量；L定义为式(25)，其中t为临界屈服厚度：
通过轴向力与进给量的积分计算钻削轴向力做功：
步骤9.2、工件材料塑性形变做功Wdf包括材料延长做功Wdf1和材料弯曲做功Wdf2，分别表示为：
毛刺生成过程的总做功量为：
Wt＝Fth·L (28)
步骤9.3、钻削轴向力做功和形变做功相加等于总功：
Wth+Wdf＝Wt (29)
所述步骤10中毛刺高度为：
其中，％R.A.为铝合金的断面收缩率，t为临界屈服厚度。
一种机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层结构出口毛刺高
度预测方法
技术领域
背景技术
发明内容
附图说明
具体实施方式
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