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基于NSGA-Ⅲ算法的碳纤维复合材料螺旋铣孔切削参数多目标优化

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中国工程机械学报 2024年第2期22卷 208-213,219页

作者：王海艳付麒麟周秩同武晔东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819

碳纤维增强复合材料(CFRP)力学性能呈各向异性,层间强度低,为改善CFRP钻孔时中出现的缺陷,螺旋铣孔技术逐渐得到应用。为找到合适的切削参数使得CFRP各项加工性能均达到最优,对CFRP螺旋铣孔切削参数多目标优化方法进行研究。通过螺旋铣... 详细信息

碳纤维增强复合材料(CFRP)力学性能呈各向异性,层间强度低,为改善CFRP钻孔时中出现的缺陷,螺旋铣孔技术逐渐得到应用。为找到合适的切削参数使得CFRP各项加工性能均达到最优,对CFRP螺旋铣孔切削参数多目标优化方法进行研究。通过螺旋铣试验,测得不同切削参数下的切削力和孔径偏差;使用非线性拟合方法分别建立以径向切削力、轴向切削力、孔径偏差、切削效率为优化目标的多目标优化模型;采用第三代非支配遗传算法(NSGA-Ⅲ)进行多目标优化,获得帕累托最优解;基于主成分分析构建最优切削参数决策算法,完成切削参数解集优劣性能排序,获得满足不同加工性能的最优参数组合。结果显示:NSGA-Ⅲ算法与主成分分析方法的结合可使多目标优化取得良好的效果。

关键词：碳纤维增强复合材料(CFRP) 多目标优化螺旋铣孔 NSGA-Ⅲ算法主成分分析

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GFRP材料螺旋铣孔时的制孔质量研究

工具技术 2024年第7期58卷 31-35页

作者：朴昌海金成哲王天宇刘玮沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学装备工程学院

采用传统钻孔方法对GFRP(玻璃纤维增强材料)进行加工时易产生毛刺、撕裂和分层等缺陷,而螺旋铣孔方法可以有效避免这些缺陷产生。运用螺旋铣孔方法对GFRP进行制孔试验,得到切削速度、刀具公转转速、轴向进给螺距对孔壁表面粗糙度以及孔... 详细信息

采用传统钻孔方法对GFRP(玻璃纤维增强材料)进行加工时易产生毛刺、撕裂和分层等缺陷,而螺旋铣孔方法可以有效避免这些缺陷产生。运用螺旋铣孔方法对GFRP进行制孔试验,得到切削速度、刀具公转转速、轴向进给螺距对孔壁表面粗糙度以及孔径尺寸误差的影响规律,对比分析了螺旋铣孔和钻孔的孔口缺陷。试验结果表明:影响孔壁表面粗糙度的切削参数由大至小依次为切削速度>刀具公转转速>轴向进给螺距;切削速度、刀具公转转速、轴向进给螺距与孔壁表面粗糙度均呈正比关系;影响孔径尺寸误差的切削参数依次为刀具公转转速>轴向进给螺距>切削速度;螺旋铣孔的入口侧缺陷较多,钻孔时的孔口缺陷更多出现在出口侧。

关键词： GFRP(玻璃纤维增强材料) 螺旋铣孔切削参数制孔质量

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碳纤维复合材料螺旋铣孔细观切削力分析

东北大学学报（自然科学版） 2023年第7期44卷 982-988页

作者：王海艳武晔付麒麟周秩同东北大学秦皇岛分校控制工程学院河北秦皇岛066004

为了准确预测碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymers,CFRP)螺旋铣孔过程中切削力的变化,在切削力模型中着重考虑CFRP材料的各向异性和纤维方向角的影响,根据不同损伤区域对CFRP细观单元体进行直角切削分析.在此基础上结... 详细信息

为了准确预测碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymers,CFRP)螺旋铣孔过程中切削力的变化,在切削力模型中着重考虑CFRP材料的各向异性和纤维方向角的影响,根据不同损伤区域对CFRP细观单元体进行直角切削分析.在此基础上结合螺旋铣孔加工原理,考虑侧刃及底刃的作用,分析不同纤维方向角下切削力的变化情况,建立螺旋铣孔切削力理论模型.开展CFRP螺旋铣孔实验,以测量的三向切削力的周期波动值作为分析依据,求解特定公转角度下的切削力理论值.结果表明切削力理论值与实验值拟合误差不超过16%,验证了CFRP螺旋铣孔切削力理论模型的正确性.

关键词： CFRP 细观切削纤维方向角螺旋铣孔切削力

基于斜角切削理论的钛合金螺旋铣孔切削力建模

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中国机械工程 2023年第2期34卷 142-147页

作者：王海艳周秩同武晔付麒麟东北大学秦皇岛分校控制工程学院河北066000

通过分析螺旋铣孔的加工原理和计算加工过程中的运动向量,结合侧刃和底刃对切削力的影响,建立了螺旋铣孔过程的切削力解析模型。提出了基于斜角切削的切削力系数辨识方法,并根据斜角切削过程几何关系推导出摩擦角、剪切角、剪切应力的... 详细信息

通过分析螺旋铣孔的加工原理和计算加工过程中的运动向量,结合侧刃和底刃对切削力的影响,建立了螺旋铣孔过程的切削力解析模型。提出了基于斜角切削的切削力系数辨识方法,并根据斜角切削过程几何关系推导出摩擦角、剪切角、剪切应力的约束方程。开展切削力系数辨识试验和钛合金螺旋铣孔试验对仿真值进行验证,结果表明,切削力的仿真值与试验值误差较小,平均误差为9.55%,从而验证了斜角切削系数辨识方法的有效性和切削力模型的正确性。

关键词：螺旋铣孔钛合金切削力斜角切削切削力系数辨识

CFRP/Ti叠层构件螺旋铣孔层间孔径偏差研究

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航空制造技术 2023年第9期66卷 93-98,111页

作者：邱建平陈金祥周莹孟宪本杨选宏郭飞燕中航西安飞机工业集团股份有限公司西安710089 北京科技大学北京100083

螺旋铣孔是航空航天领域装配孔加工的一种新型加工工艺,与传统钻孔工艺相比,具有加工质量好、制孔效率高、刀具成本低等优势。在进行碳纤维复合材料(CFRP)/钛合金(Ti)叠层构件螺旋铣孔时,由于两种材料特性差异巨大,易导致层间出现孔径偏... 详细信息

螺旋铣孔是航空航天领域装配孔加工的一种新型加工工艺,与传统钻孔工艺相比,具有加工质量好、制孔效率高、刀具成本低等优势。在进行碳纤维复合材料(CFRP)/钛合金(Ti)叠层构件螺旋铣孔时,由于两种材料特性差异巨大,易导致层间出现孔径偏差,影响制孔精度,成为螺旋铣孔技术应用过程中亟须解决的关键问题。基于便携式螺旋铣孔单元搭建了试验装置,开展了CFRP/Ti叠层构件螺旋铣孔工艺试验,分析了CFRP/Ti叠层构件螺旋铣孔层间孔径偏差的形成原因,提出了通过改变螺旋铣孔工艺参数和铣削方式减小CFRP/Ti叠层构件层间孔径偏差的工艺方法,并进行了试验验证。结果表明,变工艺参数加工可使层间孔径偏差有效降低,不超过0.02 mm。

关键词：叠层构件螺旋铣孔加工精度孔径偏差变工艺参数加工

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TC11钛合金大孔径阶梯螺旋铣孔实验研究

机械科学与技术 2023年

作者：孙富建王磊杨志勇廖君慧李时春湖南科技大学难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室湖南江滨机器(集团)有限责任公司湖南科技大学机电工程学院

大孔径阶梯孔在钛合金结构件中较为常见，钛合金的难加工性能导致其加工质量差、效率低，螺旋铣孔不仅具有具有切削力小、切削温度低、表面质量好的优点，而且能够一次性制孔。本文针对钛合金大孔径阶梯孔不同的质量和尺寸精度要求的特... 详细信息

大孔径阶梯孔在钛合金结构件中较为常见，钛合金的难加工性能导致其加工质量差、效率低，螺旋铣孔不仅具有具有切削力小、切削温度低、表面质量好的优点，而且能够一次性制孔。本文针对钛合金大孔径阶梯孔不同的质量和尺寸精度要求的特点，对阶梯孔的Φ13.5mm孔和Φ18mm孔分别进行单因素实验，研究主轴转速、切向每齿进给量和螺距三个因素对螺旋铣孔轴向力、表面粗糙度和孔径的影响，优化两孔的螺旋制孔工艺参数，并利用优化参数进行钛合金大孔径阶梯孔的加工。试验结果表明：螺距对轴向力和表面粗糙度的影响最大，孔径的主要影响因素是切向每齿进给量和螺距，一次螺旋铣孔能够加工出高质量和高尺寸精度的钛合金大孔径阶梯孔。

关键词：钛合金材料螺旋铣孔大孔径阶梯孔

基于球头铣刀的碳纤维增强复合材料螺旋铣孔切削特性分析

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航空制造技术 2022年第20期65卷 118-123,131页

作者：王海艳金天王健宇武晔东北大学秦皇岛分校秦皇岛066004

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有跨尺度、多相等结构特点,呈现显著的各向异性和不均匀性,加工性能差,容易出现明显的毛刺和分层。为了分析CFRP螺旋铣孔特性,采用球头铣刀针对CFRP开展了螺旋铣孔工艺技术的研究,着重对切削力、刀具磨损和... 详细信息

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有跨尺度、多相等结构特点,呈现显著的各向异性和不均匀性,加工性能差,容易出现明显的毛刺和分层。为了分析CFRP螺旋铣孔特性,采用球头铣刀针对CFRP开展了螺旋铣孔工艺技术的研究,着重对切削力、刀具磨损和制孔质量进行了详细分析。首先基于试验结果分析了径向切削力、轴向切削力以及切削温度随切削参数变化而变化的状况,接着分别从侧刃和球面的角度对刀具磨损进行了研究,最后根据制孔深度分析了制孔直径的变化,同时分析了制孔入口和出口的质量情况,并采用分层因子描述了制孔入口的分层情况。结果显示,球头铣刀在CFRP螺旋铣孔过程中具有较好的切削特性,但制孔质量还有待提高。

关键词：球头铣刀碳纤维增强复合材料(CFRP) 螺旋铣孔刀具磨损制孔质量

基于等效刃型矢量法的钛合金螺旋铣孔切削力机械模型研究

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航空制造技术 2023年第14期66卷 52-58页

作者：周兰安国升李光奇朱宗孝冯照和兰州理工大学兰州730050 杭州汽轮机股份有限公司杭州310022

为了准确预测钛合金螺旋铣孔过程中多齿复杂刃型专用刀具瞬时切削力的变化规律,采用等效刃型矢量法建立专用刀具的切削力机械模型。通过分析螺旋铣孔运动学特征,实现任意切削点运动轨迹的数学描述;对刀具在稳定加工阶段产生的未变形切... 详细信息

为了准确预测钛合金螺旋铣孔过程中多齿复杂刃型专用刀具瞬时切削力的变化规律,采用等效刃型矢量法建立专用刀具的切削力机械模型。通过分析螺旋铣孔运动学特征,实现任意切削点运动轨迹的数学描述;对刀具在稳定加工阶段产生的未变形切屑与加工表面进行几何仿真分析;根据双刃切削原理,计算端刃的等效刃长及其未变形切屑的切削深度与切削宽度,同时结合侧刃的切削力分析,构建整体切削力机械模型;最后,通过试验标定切削力模型系数,实现切削力仿真值预测。结果表明,该仿真值能够准确预测专用刀具的瞬时切削力变化规律,说明等效刃型矢量法是实现螺旋铣孔切削力建模中的有效途径。

关键词：等效刃型螺旋铣孔切削力钛合金机械模型

基于材料损伤演化的钛合金螺旋铣孔切削力仿真模型

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兰州理工大学学报 2023年第2期49卷 56-64页

作者：李伟周兰王林军安国升冯力冯照和兰州理工大学机电工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室甘肃兰州730050 杭州汽轮机股份有限公司浙江杭州310022

切削力仿真是降低实验验证成本、优化工艺参数的有效途径,但是螺旋铣孔为偏心加工,切削力仿真时材料损伤过程难以描述且网格畸变严重,大大局限了仿真预测的应用.通过引入物理分离准则,将断裂能演化方式定义为指数演化方式,确定断裂能参... 详细信息

切削力仿真是降低实验验证成本、优化工艺参数的有效途径,但是螺旋铣孔为偏心加工,切削力仿真时材料损伤过程难以描述且网格畸变严重,大大局限了仿真预测的应用.通过引入物理分离准则,将断裂能演化方式定义为指数演化方式,确定断裂能参数为44350 N/m,结合加工周期内轴向和切向进给量取值范围,优化网格划分参数,最终通过ABAQUS软件实现了四齿立铣刀螺旋铣孔稳定加工阶段中单位公转周期的三维有限元模型构建.结果表明,断裂能的演化方式和网格划分参数的合理选取能够有效提高切削力仿真模型的准确性,螺旋铣孔轴向切削力和切向切削力的平均预测值为实验值的91.7%和92%,且最大误差不超过9%.模型在不同齿数(单齿、两齿、三齿、四齿)、相同几何结构立铣刀的螺旋铣孔切削力仿真中亦体现出较强的可扩展性.

关键词：螺旋铣孔有限元模型损伤演化切削力