航空装备中复材/金属叠层结构高质高效制孔技术

For the purpose of high-quality and high-efficiency machining of advanced aviation composite/metal stack components in national aviation field, the project aims at solving fundamental scientific problems such as material removal mechanisms at areas where material physical properties changes abruptly in integrated hole-machining of stacks. In order to acquire the model of stack materials machining and the damage control theory, researches in the project focus on cutting forces and heat generation within multiple constraints of tools, workpieces and chips, and then reveal the mechanisms of material removal and chip formation as well as the various damage principles. Also the explorations of multi-stage machining will be carried out to comprehend the tool wear in the tool-workpiece interaction and uncover the correlation between tool geometries and wear evolution, hole-machining damages respectively. In view of overall hole quality and volume as well as machining stability, efforts will be done to present the tool performance evaluation method and propose the design theory of high-quality and stable-cutting tools to achieve the serial production of tools with step geometries and multiple cutting lips. What’s more, the sensitivity between cutting parameters and hole-damages will be investigated, and stage-based variable parameters processing method will be put forward to develop integrated hole-machining technology. The validation of the technique will be performed on a key composite/metal stack component in the main aircraft manufacturer. The results could directly guide and support the high-quality and high-efficiency machining of aeronautical composite/metal stack components in the national aviation field, and thus, the applications prospects are promising.

面向国家航空领域的航空装备中复材/金属叠层结构航空零部件高质量高效率加工的迫切需求，针对其整体制孔中性能突变部位材料去除等基础科学问题，研究刀具、材料及切屑多约束状态下的切削力、热行为，揭示材料去除，切屑形成及多类型损伤机理，获得适合的切削模式和损伤控制依据；探索多区段切削过程，揭示共同、交替、独立磨损，累积交互作用下刀具的衰变机制，构建刀具典型特征与其衰变时变状态和制孔损伤的映射模型；提出综合制孔质量、数量及稳定性指标的刀具性能评估方法，形成高稳定性的制孔刀具设计理论，实现多阶梯多刃式等系列化刀具的制造；研究工艺参数与制孔损伤的敏度关系，提出阶段式变参数的加工策略，开发振动、超低温和雾化液体辅助等多能量复合加工新方法；在主机厂对某型样机的典型叠层结构零部件完成整体制孔工艺实验验证。研究成果可为我国航空装备中复材/金属叠层结构高质高效制孔提供重要的理论指导和技术支撑，应用前景广阔。

面向国家航空领域的航空装备中复材/金属叠层结构航空零部件高质量高效率制孔的迫切需求，针对其整体制孔中界面处材料去除等基础科学问题，开展了叠层材料一体化加工的基础理论和关键技术等方面的系统研究。.首先，基于弹性地基梁理论，考虑面外力和金属约束作用的影响，建立了叠层结构界面处复合材料三维切削模型，分析了不同约束作用对纤维变形的影响规律；提出了复材/金属叠层结构界面处材料一体化切削宏观仿真方法，获得了界面处复合材料面下损伤影响规律。考虑界面处复材、金属材料热传导差异，建立了一体化钻削界面温度场预测模型，获取界面温度分布；基于损伤图像灰度分布的界面损伤区域提取方法，获得了界面区域损伤轮廓，形成界面热损伤二维评价方法。.其次，建立了考虑刀具载荷分布形式、复合材料温变特性以及金属约束作用的复材分层临界轴向力预测模型，揭示了不同叠层顺序下复材分层损伤产生的临界条件；虑及刀具后刀面磨擦与纤维角度变化，建立了叠层材料钻削轴向力预测模型，实现了一体化钻削轴向力精准预测。同时考虑复材、金属的弹性模量和热导率差异对已加工表面影响，建立了复材出口及界面处切削过程二维模型，阐明了切削深度对已加工表面回弹和复材出口分层损伤的影响，首次提出了多阶梯多刃带刀具结构。结合自研刀具，分析了一体化加工过程中刀具典型特征的衰变过程，获得了钻头不同切削部位在不同钻削阶段的磨损形式，揭示了在整体连续加工条件下的刀具典型特征磨损机制，.最终，针对数字化机床无法使用的狭小复杂空间的大厚孔加工，计了主轴具有低频振动功能的便携式变参数自动进给钻孔设备，结合变加工参数与低频振动加工工艺，实现了刀具主动断屑，有效降低切削热及加工损伤。研制的叠层专用加工工具应用于商飞C919平尾复合材料/钛合金叠层、CR929壁板复合材料/铝合金叠层、沈飞运20垂尾复合材料/铝合金叠层以及哈飞直升机旋翼玻璃纤维复合材料/铝合金叠层加工，实现了复材/金属结构材料的高质高效制孔。研究的理论成果、技术实现手段和方法对发展复材/金属叠层结构高质高效制孔提供了重要的理论指导和技术支撑，具有重要的科学意义和实际价值。