基于分层损伤模型的CFRP/钛合金叠层结构高效制孔专用刀具与工艺优化研究

为满足国内复合材料构件高效制孔需求，紧密结合我国大型飞机工程，针对CFRP/钛合金叠层结构，在CFRP切削加工机理与临界分层损伤模型、CFRP/钛合金叠层结构制孔专用刀具开发和自适应高效制孔工艺等三方面，开展基础理论和应用技术研究。采用数学建模、有限元仿真与试验相结合的方法，基于复合材料力学、线弹性断裂力学和经典梁弯曲理论，建立符合CFRP特性的比切削力模型、钻尖刃口瞬时载荷空间分布模型和临界分层损伤模型；基于CFRP、钛合金钻削加工机理和"群钻"设计理念，建立适宜于CFRP/钛合金叠层材料制孔的钻尖数学模型和刃磨工艺模型，开发钻-扩-铰-锪一体化高效制孔专用复合刀具；基于CFRP/钛合金叠层结构制孔五个阶段的临界切削力、切削温度和振动模型，优化切削工艺，提出自适应加工工艺方案。本项目的研究成果可为复合材料构件的高效制孔工艺提供理论指导和技术支持，有望填补国内空白。

近年来，CFRP材料制孔技术已成为飞机制造领域中的研究热点，虽然在钻削加工机理、制孔质量和制孔工艺及专用刀具方面都得到广泛深入的研究和探索，随着航空制造工业对装配质量要求的进一步提高，CFRP制孔技术在试验和理论分析方面仍需要进一步深入研究。在国产C919 客机中，主要有CFRP/CFRP、CFRP/钛合金、CFRP/铝合金三种连接方式，其中CFRP/钛合金连接制孔难度最大。结合我国大型飞机工程，针对CFRP/钛合金叠层结构高效制孔工艺，在切削加工机理、专用刀具开发以及工艺优化等方面开展基础理论和应用技术研究，为复合材料构件高效制孔工艺提供理论指导和技术支持，将有益于我国复合材料切削加工技术水平的提高。. 本项目针对CFRP/钛合金叠层结构，在CFRP切削加工机理与临界分层损伤模型、CFRP/钛合金叠层结构制孔专用刀具开发和自适应高效制孔工艺等三方面，开展了基础理论和应用技术研究。项目首先采用正交飞刀切削试验方法，研究了CFRP切削加工机理，研究了切削过程中的力热行为的各向异性；然后针对三尖钻和八面钻开展了高强度CFRP层合板的钻削制孔试验，研究了钻削过程及钻削缺陷形成原因；基于钻削能量守恒法，结合板壳理论、断裂力学和弹性力学推导建立了麻花钻和匕首钻钻削T800S/250F CFRP时的分层临界力学模型，并通过钻削试验验证了预测模型的正确性；基于CFRP钻削加工的分层临界力学模型和切削温度分布模型，提出了适用于钻削复合材料构件的刀具设计方法，并开发了适用于CFRP高效制孔的钻-扩-铰专用刀具；通过CFRP/钛合金叠层材料钻削试验，研究了不同钻削工艺参数下的钻削力、钻削温度和制孔质量，提出了适用于CFRP/钛合金叠层的自适应制孔加工工艺方案，为下一步开发适用于CFRP/钛合金叠层的自适应制孔工具装备提供了依据。本项目成果——复合材料加工刀具，在国内航空制造企业获得推广应用，并作为主要关键技术之一，获得中国机械工业科学技术一等奖。