碳纤维增强树脂基复合材料切削工艺基础数据源的获取

Oriented to the urgent demand of basal cutting process database for high quality and high efficiency machining of carbon fiber reinforced plastic composite (CFRP), the causes of damage of CFRP is analyzed to determine the damage features and critical condition. In order to obtain quantitative description of different damage types and basic physical data sources, a damage characterization method based on load-carrying properties is proposed. Then the machining quality and tool life is accurately evaluated according to the established comprehensive evaluation model. Base on both of mass experimental data and dynamic simulation, revel the association between cutting parameters and quality, efficiency and tool life, so the knowledge database of traceability relationships is formed. Optimization method of cutting parameters based on weight distribution is proposed, and then collecting cutting technology data of multi-objective optimization for the actual project, so the cutting technology strategy library of CFRP is established. The knowledge database of cutting technology for CFRP is developed, which contains prediction of cutting damage and tool life, moreover the optimal strategy formulation. The research results of the established traceability relationships knowledge database, cutting technology strategy library and cutting technology knowledge database can provide significant data support for high quality and high efficiency machining of CFRP.

针对大型碳纤维增强树脂基复合材料零件高质高效加工对基础切削工艺数据的迫切需求，本项目拟通过分析碳纤维复合材料加工的损伤成因，从而确定损伤的特征及其产生的临界条件，并提出基于复合材料承载性能的损伤表征方法，以获取不同损伤形式的定量描述和基础物理数据源；通过建立复合材料损伤综合评价模型，实现碳纤维复合材料加工质量、刀具寿命准确评价和数据挖掘；基于海量试验数据和动态仿真相结合的分析方法，揭示切削用量与质量、效率和刀具寿命之间的关联关系，形成多溯源关系知识数据库；提出基于权重分配的切削用量优化方法，聚源海量面向实际工程多目标优化的切削工艺技术数据，形成庞序的碳纤维复合材料切削工艺策略库；开发出集加工损伤及刀具寿命预测、最优工艺策略制定于一体的碳纤维复合材料零件切削工艺知识数据库。形成多溯源关系知识库、工艺策略库及工艺知识数据库的研究成果可为提高我国碳纤维复合材料零件高质高效加工提供重要的数据支撑。

碳纤维增强树脂基复合材料（以下简称为复材）轻质、高强且具有可设计性，已成为航空航天等领域高端装备减重增效的优选材料。为充分发挥其可设计性优势，复材构件多依据其性能需求直接成形。但为满足连接、装配要求，仍需进行大量的钻削、铣削加工。然而，复材属典型的难加工材料，在加工中极易产生不可修复的损伤，导致构件性能下降；同时还易引发严重的刀具磨损，造成生产效率难以满足工程要求。因此，实现复材构件的高质高效加工已成为此类高性能材料工程化应用的重要前提，相关技术需求十分迫切。.鉴于加工损伤和刀具磨损伴随在复材的去除过程中发生，对决定该去除过程的加工工艺进行优化，是改善复材加工质量、提升刀具寿命的重要途径。而复材细观非均质，宏观强各向异性，切削加工中材料去除机理与金属等均质材料迥异，传统切削理论无法可靠地指导复材加工工艺的优化。针对这一问题，本项目从复材基础切削理论出发，建立了虑及法向、切向约束及复材温变特性的单纤维切削模型，以及宏观切削模型，创新了复材宏细观连续切削仿真方法，揭示出力、热作用下加工损伤形成机制，形成了虑及损伤分布特征的加工损伤评价方法；在此基础上，分别针对钻削、铣削，一方面，揭示出钻/铣削刀具关键部位在切削复材过程中的磨损机制，建立了基于切削力、热的刀具磨损特性与刀具材料的关联关系，形成了复材加工损伤及刀具磨损基础物理数据库；另一方面，建立了基于材料去除过程与损伤形成过程关系的加工损伤预测方法，同时结合机器学习等算法以及工艺实验揭示出工艺参数对加工质量及刀具磨损的影响规律，形成了工艺与加工质量、刀具寿命映射关系数据库，最终集成开发出复材低损伤加工工艺数据库，为复材加工工艺的优化提供了可靠的指导。.研究成果已成功应用于大客机翼、平尾，运输机机翼等高端装备关键复材构件的加工中，大幅提升了加工质量与效率，为推动我国重点型号的研制进程做出了贡献，对加快我国复材应用进程具有重要应用价值。