叠层构件制孔过程软硬复合涂层刀具减摩行为及损伤抑制策略研究

With the rapid growth in proportion of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) in aircraft industry, the integrated low-defect hole-making of CFRP/Ti alloy stacks becomes a key issue for high-efficiency and high-quality aircraft assembly process. In this project, to address the problems like high cutting temperature, severe friction, low tool life and hard-to-guarantee quality in helical milling hole process of stacks, soft-hard coated tools which combine anti-friction coatings and anti-wear coatings are studied. The thermo-mechanical coupling mechanism for coating-substrate interface and failure mechanism of coated tools in helical milling process of stacks will be analyzed. Materials matching model between stacks and coating will be built. The design and preparation methods of soft-hard coated tools are developed and the anti-friction and anti-wear mechanisms of soft-hard coating are revealed. By proposing whole minimum quantities lubrication process, building dynamic aperture error compensation model and optimizing cutting parameters using soft-hard coated tools, the low-defect and precise helical milling process of CFRP/Ti stacks are developed. The research results will provide guidance and technical support for CFRP/Ti stacks hole-making with low-defect and high efficient, promoting the development of advanced aircraft assembly techniques.

复合材料在飞机制造中的使用比例快速增长，使碳纤维增强复合材料/钛合金叠层构件一体化、低损伤制孔成为实现高效率高质量飞机装配所亟需解决的关键问题。本项目针对叠层构件螺旋铣孔过程中切削温度高、摩擦剧烈、刀具使用寿命低、加工质量难以保证等问题，以叠层构件螺旋铣孔刀具为主要研究对象，拟深入研究制孔过程对涂层刀具膜-基界面力热耦合作用机制，揭示该过程中涂层刀具失效机理；建立叠层构件与涂层材料匹配模型，提出软硬复合涂层螺旋铣孔刀具设计方法，揭示软硬复合涂层刀具在制孔过程中的减摩耐磨机理，优化制备工艺；研究叠层构件螺旋铣孔全程微量润滑技术，构建孔径误差动态补偿模型，优化软硬复合涂层刀具切削参数，建立低损伤精密螺旋铣孔工艺数据库。本项目研究成果可为叠层构件一体化高效制孔提供理论指导和技术支持，推动先进飞机装配技术的发展。

碳纤维复合材料/钛合金叠层构件一体化、低损伤制孔成为实现高效率高质量飞机装配所亟需解决的关键问题。本项目针对叠层构件螺旋铣孔过程中摩擦剧烈、易粘结、加工质量难以保证等问题，提出耐磨硬涂层与减摩软涂层相结合的思路，并开发出兼具减摩性和耐磨性的软硬复合涂层刀具。分析了叠层构件螺旋铣孔过程中涂层刀具磨损演变规律和失效机理，揭示了氮化物涂层刀具、金刚石涂层刀具的磨损演变过程，发现刀具刃口处涂层过早失效是叠层构件切削涂层刀具性能下降的主要因素。分析了螺旋铣孔过程中切屑厚度、高度随刀具啮合角的耦合关系，建立了考虑切屑几何结构瞬变的螺旋铣孔切削力理论预测模型，揭示了不同切削深度下切削力系数及模型准确性的变化；研究了螺旋铣孔过程中热源，分析了螺旋铣孔切削条件下的边界类型，提出并确定了钛合金/CFRP叠层界面温度传导率，利用有限差分法仿真温度模型，建立叠层构件螺旋铣孔切削热分布模型。确定了WS2/Cr-AlCrSiN软硬复合涂层材料体系，并通过热力学方法分析了化学相容性，提出了软硬复合涂层螺旋铣孔刀具设计制备方法；通过切削实验，揭示了软硬复合涂层刀具减摩耐磨机理，软涂层的减摩性主要发挥在刀具螺旋槽内，可有效提高刀具排屑性，耐磨性主要体现在刃口处硬涂层，切削中后期起到保护刀具作用。设计优化了集屑罩关键几何结构，形成了叠层构件螺旋铣孔集屑系统，可有效减少孔内切屑残留及返屑现象；分析了螺旋铣孔过程中刀具挠曲变形规律，建立了螺旋铣孔孔径误差迭代补偿模型，以上工艺措施有效降低叠层构建螺旋铣孔孔径误差、毛刺等制孔损伤。本项目共计发表论文6篇，其中SCI收录3篇，申请发明专利2项（授权1项），培养硕士生3名（全部毕业），达到了预期目标。