CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)螺旋銑孔加工機理與缺陷抑制策略項目摘要

航空制造領(lǐng)域復(fù)合材料和鈦合金使用比例大幅增長，使得碳纖維增強復(fù)合材料/鈦合金一體化、無缺陷高效率制孔成為飛機裝配過程急需解決的關(guān)鍵問題。本項目以碳纖維增強復(fù)合材料/鈦合金一體化螺旋銑孔過程為研究對象，研究CFRP /鈦合金疊層結(jié)構(gòu)螺旋銑孔過程切削機理、專用刀具設(shè)計及工藝優(yōu)化。采用理論分析、仿真與試驗相結(jié)合的方法，考慮螺旋銑孔過程低應(yīng)力，斷續(xù)切削的特點，研究鈦合金、復(fù)合材料螺旋銑孔過程動力學(xué)，建立各向切削力模型、切削區(qū)溫度場模型，分析加工過程中力、熱、刀具磨損等因素對缺陷形成的影響規(guī)律，研究疊層結(jié)構(gòu)一體化制孔引起的新形式缺陷產(chǎn)生機理和抑制方法；結(jié)合刀具磨損機理，研制CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)螺旋銑孔專用刀具；優(yōu)化螺旋銑孔工藝，建立切削數(shù)據(jù)庫。本項目提出一種新的針對CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)無缺陷、高效制孔整體解決方法，研究成果對提高飛機裝配質(zhì)量和效率具有重要意義。

課題面向國家航空航天事業(yè)快速發(fā)展的需求，針對飛機裝配制造中面臨的碳纖維復(fù)合材料/鈦合金（CFRP/Ti）疊層構(gòu)件制孔問題展開研究。課題主要研究內(nèi)容有層疊構(gòu)件螺旋銑孔溫度模型、碳纖維復(fù)合材料損傷機理、螺旋銑孔刀具與工藝優(yōu)化四個方面。通過對切削溫度的研究，揭示了螺旋銑孔熱源的種類、形狀和運動軌跡。在此模型基礎(chǔ)上計算螺旋銑削過程中的鈦合金、CFRP切削熱模型和材料間熱傳導(dǎo)模型。為疊層構(gòu)件制孔工藝優(yōu)化與抑制損傷產(chǎn)生提供了理論支持。通過CFRP損傷機理的研究，建立了CFRP切削過程中的能量消耗模型，實現(xiàn)對切削過程中分層損傷的預(yù)測?；跀嗔秧g性原理以及能量守恒原理，建立了CFRP實際切削過程斷裂韌性（表面能）預(yù)測模型，并提出表面能增量概念，實現(xiàn)了對加工表面損傷的量化表征。建立了以表面粗糙度、表面空隙率和表面影響層厚度三者為評價指標的復(fù)合材料加工表面完整性評價方法，揭示了CFRP加工表面缺陷的種類和產(chǎn)生規(guī)律，并通過對不同加工質(zhì)量CFRP試件準靜載拉伸、壓縮強度試驗，得到了不同加工質(zhì)量對材料強度弱化的影響規(guī)律。為抑制CFRP制孔損傷與優(yōu)化制孔工藝提供了理論支持。在螺旋銑孔刀具研究方面，通過切削實驗與數(shù)值仿真的方法，優(yōu)化了刀具結(jié)構(gòu)、刀具材料和表面涂層，為高質(zhì)量螺旋銑制孔提供了技術(shù)基礎(chǔ)。在工藝優(yōu)化方面，通過實驗與仿真的方法，優(yōu)化了螺旋銑孔工藝參數(shù)，并建立了疊層構(gòu)件螺旋銑孔工藝數(shù)據(jù)庫，為高質(zhì)量螺旋銑制孔提供了數(shù)據(jù)支持。 項目共發(fā)表SCI論文9篇，其中2篇是JCR二區(qū)，EI論文2篇。申請國家專利3項。培養(yǎng)博士生2名，碩士生6名。 2100433B

CFRP碳纖維復(fù)合材料/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)孔加工表面性狀（表面微觀結(jié)構(gòu)、硬化層、殘余應(yīng)力、微觀力學(xué)性能及缺陷等）與飛機裝配連接疲勞強度密切相關(guān)。CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)低損傷、高效率制孔是航空制造領(lǐng)域的難點。 本項目以鈦合金、CFRP以及CFRP/鈦合金疊層材料孔加工為研究對象，提出了縱向、縱扭超聲振動輔助螺旋銑孔工藝。建立了超聲振動輔助螺旋銑孔的運動學(xué)分析模型，研究了超聲振動輔助螺旋銑孔材料去除機理。通過鈦合金超聲振動輔助螺旋銑孔，分析了制孔過程底刃和側(cè)刃的切削速度、加速度以及切削刃與工件材料表面的接觸狀態(tài)。對超聲振動輔助螺旋銑孔切削力的變化趨勢進行了建模分析。研究了鈦合金超聲振動輔助螺旋銑孔的表面完整性，揭示了超聲振動對孔表面幾何精度及物理力學(xué)性能的影響機制。 本課題進行了CFRP復(fù)合材料超聲振動輔助螺旋銑孔試驗研究，分析了復(fù)合材料孔加工的分層、撕裂和毛刺等損傷產(chǎn)生的機理。研究發(fā)現(xiàn)超聲振動有利于增大銑刀側(cè)刃的最大有效前角，增大側(cè)刃的最大加速度，對孔表面產(chǎn)生了沖擊作用。綜上，縱振、縱扭超聲振動輔助螺旋銑孔工藝顯著減小了CFRP制孔損傷。 本課題對CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)進行了超聲振動輔助螺旋銑孔試驗研究。分析了振動對兩種材料的去除機理及疊層界面的影響機制。研究了材料屬性對疊層結(jié)構(gòu)制孔質(zhì)量的影響。超聲振動可減小疊層結(jié)構(gòu)孔加工軸向力、減小CFRP出入口毛刺及分層損傷程度，同時可以改變鈦合金及CFRP孔表面完整性。課題研究了疊層結(jié)構(gòu)界面結(jié)構(gòu)對孔徑誤差的影響規(guī)律。結(jié)合有無振動條件下的刀具磨損特征，揭示了超聲輔助螺旋銑孔切削機理。 綜上，縱振、縱扭超聲振動輔助螺旋銑孔新工藝顯著改善了鈦合金孔表面物理力學(xué)性能、減小CFRP孔表面損傷。本課題研究成果不僅對完善超聲輔助切削加工理論具有重要的科學(xué)價值，更對航空CFRP/鈦合金疊層材料的孔加工提供了新的工藝方法，對提高國家航空制造技術(shù)水平具有重要的社會意義和經(jīng)濟價值。 2100433B

復(fù)合材料和鈦合金在飛機裝配制造領(lǐng)域使用比例大幅增加，碳纖維增強復(fù)合材料/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)低損傷、高效率制孔成為航空制造領(lǐng)域研究的焦點?？准庸け砻嫘誀钆c連接疲勞強度密切相關(guān)，表面微觀結(jié)構(gòu)、硬化層、殘余應(yīng)力、微觀力學(xué)性能及缺陷都可歸結(jié)為表面性狀。目前制孔工藝對表面性狀的影響機制尚不明晰，對飛機運行安全構(gòu)成挑戰(zhàn)，嚴重制約航空制造技術(shù)的發(fā)展。本項目以CFRP/鈦合金疊層制孔為研究對象，建立耦合不同振動方式的超聲輔助螺旋銑孔新工藝，結(jié)合制孔過程數(shù)值分析，闡明超聲振動作用下的材料去除機理及疊層結(jié)構(gòu)損傷演化機制。研究超聲振動對孔加工表面的微動摩擦及沖擊作用，揭示微結(jié)構(gòu)變化對鈦合金殘余應(yīng)力、硬化層以及CFRP制孔缺陷的影響機制，建立超聲輔助螺旋銑孔工藝與表面性狀的映射關(guān)系，揭示CFRP/鈦合金疊層超聲輔助螺旋銑孔表面性狀形成機理，為提高飛機裝配制孔質(zhì)量提供一種新工藝及理論基礎(chǔ)。

孔加工螺旋插補銑削

用銑刀斜向銑入工件毛坯或已加工出的預(yù)孔。然后在X/Y向圓周運動的同時沿Z軸螺旋向下銑削，以實現(xiàn)擴孔加工。

孔加工圓周插補銑削

銑刀圍繞已加工預(yù)孔的外徑或內(nèi)徑以全齒深進行走刀銑削，以實現(xiàn)擴孔加工。

孔加工插銑或Z軸銑削

通過沿著工件的肩壁逐次進行插切，在粗銑出凹腔的同時加工(鉆削)出一個新的孔。