CFRP/钛合金叠层结构螺旋铣孔加工机理与缺陷抑制策略

With a significant growth in proportion of composite materials and titanium alloys in aviation manufacturing field, the key issue of hole-making on the aircraft assembly process with non-defect and high efficiency needs to be resolved. In this subject, the integrated hole-making in CFRP/titanium alloy laminated structure by using helical milling process is studied, and the cutting mechanism, tool design and process optimization were also included. With combination of theoretical analysis, simulation and tests, and focused on the characteristics of low-cutting stress and intermittent cutting process of helical milling, the cutting force model and cutting temperature model would be built; and the mechanism of defects formation by reason of critical cutting force and cutting heat in helical milling process will be studied; the mechanism and inhibition methods of new type damages caused by the laminated structure were analyzed. Based on the tool wear mechanism in helical milling process, the special tool with great adaptability for CFRP/titanium alloy is developed; optimizing the cutting process and establishing the cutting database for CFRP/ helical milling process.This project propose an integrated solution for hole-making, the research results will have a great significance on improving the quality and efficiency of aircraft assembly.

航空制造领域复合材料和钛合金使用比例大幅增长，使得碳纤维增强复合材料/钛合金一体化、无缺陷高效率制孔成为飞机装配过程急需解决的关键问题。本项目以碳纤维增强复合材料/钛合金一体化螺旋铣孔过程为研究对象，研究CFRP /钛合金叠层结构螺旋铣孔过程切削机理、专用刀具设计及工艺优化。采用理论分析、仿真与试验相结合的方法，考虑螺旋铣孔过程低应力，断续切削的特点，研究钛合金、复合材料螺旋铣孔过程动力学，建立各向切削力模型、切削区温度场模型，分析加工过程中力、热、刀具磨损等因素对缺陷形成的影响规律，研究叠层结构一体化制孔引起的新形式缺陷产生机理和抑制方法；结合刀具磨损机理，研制CFRP/钛合金叠层结构螺旋铣孔专用刀具；优化螺旋铣孔工艺，建立切削数据库。本项目提出一种新的针对CFRP/钛合金叠层结构无缺陷、高效制孔整体解决方法，研究成果对提高飞机装配质量和效率具有重要意义。

课题面向国家航空航天事业快速发展的需求，针对飞机装配制造中面临的碳纤维复合材料/钛合金（CFRP/Ti）叠层构件制孔问题展开研究。课题主要研究内容有层叠构件螺旋铣孔温度模型、碳纤维复合材料损伤机理、螺旋铣孔刀具与工艺优化四个方面。通过对切削温度的研究，揭示了螺旋铣孔热源的种类、形状和运动轨迹。在此模型基础上计算螺旋铣削过程中的钛合金、CFRP切削热模型和材料间热传导模型。为叠层构件制孔工艺优化与抑制损伤产生提供了理论支持。通过CFRP损伤机理的研究，建立了CFRP切削过程中的能量消耗模型，实现对切削过程中分层损伤的预测。基于断裂韧性原理以及能量守恒原理，建立了CFRP实际切削过程断裂韧性（表面能）预测模型，并提出表面能增量概念，实现了对加工表面损伤的量化表征。建立了以表面粗糙度、表面空隙率和表面影响层厚度三者为评价指标的复合材料加工表面完整性评价方法，揭示了CFRP加工表面缺陷的种类和产生规律，并通过对不同加工质量CFRP试件准静载拉伸、压缩强度试验，得到了不同加工质量对材料强度弱化的影响规律。为抑制CFRP制孔损伤与优化制孔工艺提供了理论支持。在螺旋铣孔刀具研究方面，通过切削实验与数值仿真的方法，优化了刀具结构、刀具材料和表面涂层，为高质量螺旋铣制孔提供了技术基础。在工艺优化方面，通过实验与仿真的方法，优化了螺旋铣孔工艺参数，并建立了叠层构件螺旋铣孔工艺数据库，为高质量螺旋铣制孔提供了数据支持。.项目共发表SCI论文9篇，其中2篇是JCR二区，EI论文2篇。申请国家专利3项。培养博士生2名，硕士生6名。