科创中国

行业领域

航空航天技术

需求背景

课题主要研究航空叠层结构在制孔过程中的塑性变形及断裂失效模式。通过分析碳纤维增强复合材料(CFRP)-钛合金叠层结构在制孔过程中刀具的受力状态和跳动演变，承载区域的温度场分布，深刻理解刀具在热力耦合条件下的变形和磨损规律。同时，研究叠层材料在制孔过程中的力学演变规律，并考察孔内壁表层的形貌结构、元素组成、应力分布和温度分布等特征，以期找到联接结构处几何误差及性能不均等缺陷的形成原因。最后，建立起制孔过程中材料的塑性变形及材料移除理论体系，以解释叠层材料制孔过程的内在机理，评估和优化孔的质量，指导实际生产并能够提供相应的解决方案。

需解决的主要技术难题

随着航空航天业对轻质、高效、清洁、一体化材料的严苛要求的不断提高，碳纤维增强复合材料（CFRP）与钛合金组成的叠层结构得到了越来越广泛的应用^[1-3]。这种叠层构件结合了材料各自的优点，具有极高的比强度、耐腐蚀性、耐磨性与较高的抗冲击性能^[4]。然而，应用这种叠层结构需要一系列的加工制造过程，其中制孔工艺的优劣直接关系到叠层构件的使役性能与生产效率。尽管传统的钻削、去毛刺、清洗、重装等工序依然是叠层材料制孔工艺最常用和重要的加工方法^[5]，但其多工序的操作过程大大增加了误差累积，延长了构件的制造周期，不利于制孔工艺的良好发展。螺旋铣孔技术作为一种高效的替代传统钻孔工艺的制孔技术，具有加工过程切削力小、排屑与散热良好、刀具寿命更长等优势^[6-7]，近年来得到了快速的发展。

期望实现的主要技术目标

航空航天制造既是一个国家国防安全的重要基础，也体现了一个国家的工业发展程度。航空制造业对国民经济的发展有巨大的带动作用，是尖端技术发展与集成的引擎，将有效促进冶金、化工、材料、电子和机械加工等领域的技术进步。碳纤维增强复合材料（CFRP）具有质量轻、强度高及易实现构件一体化设计制造的特点，已成为国内外航空航天装备减重增效的首选材料，其与钛合金的联接组合在航空航天结构中得到了越来越多的应用。因为加工这种非均质结构的难度不断增加，这给业界带来了更多的挑战。制孔是碳纤维增强复合材料制造过程中最重要也是最终的加工工序之一，在纤维增强复合材料应用广泛的大型客机上，制孔工序占复合材料加工工作量的80%以上，一架波音747客机需要完成300多万个连接孔的加工。因此，制孔质量和效率直接关系到纤维增强复合材料零件的使用性能、生产周期和生产成本。然而，由于每种材料的弹性模量和热膨胀系数等的差异会在叠层材料的整个加工过程中引起不良的孔位公差变化，以及工具的快速磨损，CFRP撕裂、分层，加工表面粗糙和因材料性能的悬殊而形成较大的毛刺等缺陷，严重影响构件的使役性能，加之高端装备构件结构复杂，且损伤容限要求苛刻，使得碳纤维增强复合材料构件加工难上加难，严重制约我国航空航天高端装备研制和批量生产进程。

处理进度