基于響應(yīng)曲面法的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺旋銑孔軸向切削力預(yù)測(cè)

趙 慶，秦旭達(dá)，張心沛，李永行，吉春輝

（天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

0 引 言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced polymers，簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP）具有輕質(zhì)、強(qiáng)度高、耐腐蝕等特性，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼、框、梁、蒙皮等構(gòu)件［1］。由于飛機(jī)零部件裝配時(shí)通常以鉚釘或螺栓通過(guò)相互協(xié)調(diào)的連接孔進(jìn)行連接［2］，因此制孔質(zhì)量與飛機(jī)的質(zhì)量和安全緊密相關(guān)。

CFRP具有各向異性、層間強(qiáng)度低、導(dǎo)熱性和耐熱性差等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)鉆削工藝進(jìn)行鉆孔時(shí)極易產(chǎn)生毛刺、出入口劈裂及內(nèi)部分層等缺陷［3-5］，使得鉆孔質(zhì)量較差，不能滿足生產(chǎn)要求。螺旋銑孔工藝作為一種新型加工方式，具有切削過(guò)程平穩(wěn)、切削力小、切削溫度低及一次加工即可滿足精度要求等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)合材料制孔方面得到了廣泛應(yīng)用［6-7］。造成CFRP內(nèi)部分層的主要原因是制孔過(guò)程中產(chǎn)生了較大的軸向切削力，當(dāng)此軸向切削力小于某一臨界值時(shí)不會(huì)出現(xiàn)分層缺陷［8-11］。因此，研究CFRP在制孔過(guò)程中軸向切削力的變化規(guī)律及影響因素，并建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化切削工藝參數(shù)，對(duì)提高孔加工質(zhì)量尤為重要。

目前，研究切削力影響因素的理論計(jì)算方法主要有響應(yīng)曲面法、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。其中，響應(yīng)曲面法是基于有限數(shù)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法重構(gòu)特征函數(shù)，最后通過(guò)擬合響應(yīng)曲面模擬真實(shí)狀態(tài)下的極限曲面。與其它方法相比，二次響應(yīng)曲面法具有可旋轉(zhuǎn)性、序貫性、模型穩(wěn)健性以及試驗(yàn)次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，其響應(yīng)估計(jì)結(jié)果更接近真實(shí)的響應(yīng)曲面，從而可有效地進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化［12］。……