碳纤维复合材料金属共固化结构切削加工中界面缺陷形成机理与预测模型

Co-cured structures of CFRP and metal are ideal forms to achieve precise structure. With co-cured structures, functionality and performance of structure components can be designed while the weight can be reduced, which is the development trend in the future. To replace metal, co-cured structures constituted by CFRP and metal must be machined by cutting tool to reach the accuracy level needed for precise structures. This project is aimed to investigate the defects mechanisms and prediction models of co-cured structure interface constituted by CFRP and metal in cutting, analyze force and heat behaviors of co-cured structures in cutting process, establish cutting force stress model and cutting temperature distribution model around interface, get bonding quality and defect variaty rules at the bonding interface under cutting force and heat, found bonding strength prediction model and fracture defect prediction model based on online monitoring at co-cured interface in cutting, attain defect forming mechanisms of two different materials to constitute co-cured structure, and build CFRP delamination and metal burr growth prediction models in consideration of interface bonding quality .

碳纤维复合材料金属共固化结构是一种较为理想的一体化精准结构形式，其可以实现结构件功能、性能的精准定制化和结构的定向轻量化，是未来结构件的发展趋势。为了实现对金属结构件的替代，碳纤维复合材料金属共固化结构需要通过切削加工来完成精准化结构的精度创成。本项目开展碳纤维复合材料金属共固化结构切削加工中界面缺陷形成机理与预测模型研究。分析共固化结构界面区域在切削加工过程中的力热行为变化，建立共固化界面区域的切削应力场、切削温度场分布模型；获得切削力热影响下界面胶接质量及界面结构缺陷形成规律，建立共固化结构切削加工中界面结合强度的理论预测模型以及基于在线监测的共固化结构胶接界面切削断裂缺陷预测模型；揭示界面区域两种材料的切削缺陷形成机理，建立考虑边界胶界质量的CFRP材料分层及金属材料微细毛刺生长预测模型，为结构轻量化、功效极端化、服役高可靠化的碳纤维复合材料金属共固化结构制造突破关键切削加工技术。

以碳纤维复合材料金属共固化结构为代表的一体化精准结构是航空航天等领域的理想结构材料形式，具有高性能、轻量化、功能定制的优势。本项目针对碳纤维复合材料金属共固化结构精密加工过程中的界面缺陷形成机理问题展开了研究，从切削过程的力热输入入手，到大梯度界面对象分析描述，最后得到界面类型材料的缺陷预测模型，完成了界面缺陷形成的完整机理分析研究。项目主要通过开展试验研究结合理论建模的方式进行，完成了9种组合共固化结构材料的切削性能试验，基于试验结构完成了一种复合材料共固化结构M40/Ag80的界面胶接质量变化规律研究，进行了声发射AE的界面断裂、裂纹信号分析试验和基于AE预测的在线缺陷控制方法探索，并实现了基于切削力热输入的界面缺陷的理论建模和基于AE的工程化在线预测建模，并取得了大量试验数据。项目研究可为一类复合材料共固化结构加工提供工艺试验数据和理论建模方法，为结构轻量化、功效极端化、服役高可靠化的碳纤维复合材料金属共固化结构向工程化应用提供支撑，目前已经完成了一种卫星飞轮轮体加工和地面验证。