科创中国

行业领域

高端装备制造产业

需求背景

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。

需解决的主要技术难题

王奔等^[8]以传统钻削为参照，对C/E复合材料进行螺旋铣孔加工，分析铣刀的运动轨迹，并进行参数优化，有效避免了制孔出口处的撕裂及分层现象。刘亚军等^[1]对钛合金/CFRP叠层构件界面热传递机理进行了研究，建立了基于钛合金/CFRP叠层构件的界面热传递模型。秦旭达等^[9]基于TriMule混联机器人加工平台，识别了不同切削条件下螺旋立铣刀对应的切削力系数，分析了纤维切削角对CFRP 铣槽加工质量的影响规律。王福吉等^[10]对孔加工过程中材料分层缺陷的动态演化行为进行研究，得到了刀具作用位置对缺陷扩展行为的影响，丰富了复合材料的损伤抑制理论。杨帆等^[11]对孔加工利用传热学基本原理及有限元方法，通过确定定解条件、区域离散化等步骤编写了计算机程序，获得了热量传递到工件的效率及其温度场模型。贾振元等^[12]从细观尺度上重新定义并揭示CFRP材料去除机理，并对案例进行相应分析及求解，得到了较为理想的预测模型。孙鸿洋等^[13]研究了制孔过程中主轴转速、刀具进给速度、刀具磨损等参量对碳纤维复合材料内孔表面影响层厚度的影响规律。李士鹏等^[14]针对小孔的加工，研究了刀具受力挠曲变形规律，并结合切削力与刀具挠曲变形量间的耦合关系，建立了螺旋铣孔切削力的柔性预测模型。

期望实现的主要技术目标

（1）建立刀具的动态或半动态响应系统。能够从力学方面实时获取刀具在服役过程中的变形及跳动、应力及应变分布，并在加工超差时给予准确的预警与保护措施；同时对刀具在承载区的温度分布及热量转移进行动态捕捉，设计健壮的刀具散热方案，并建立较完整的温度评价与控制体系；最后，深入分析刀具在复杂工况下的磨损过程，探究刀具加工过程中的低损伤路径，提高刀具的稳定性和耐磨性，延长刀具使用寿命。

（2）研究叠层结构材料的塑性变形及去除机制。根据对材料的物理、机械性能等的探究，尝试建立高通量的材料本构模型；考察孔壁处的形貌特征及应力分布趋势等信息，并结合孔壁处的温度梯度，搭建叠层材料发生断裂的理论模型，预测并验证材料发生塑性变形及断裂的准确位置，得到多因素相关的孔壁表面形貌参数和几何参数；综合分析制孔过程中的工艺参数：温度曲线，冷却模型，主轴转速，进给速度，切削角度，切削力，层厚，加工策略等以及它们相互影响的影响，建立叠层材料孔加工质量（孔直径，粗糙度，圆度，显微硬度，毛刺高度等）的定量评估体系及标准，形成航空结构件高性能机械加工的理论与技术基础

需求解析

解析单位：重庆市永川区 解析时间：2022-10-23

丁永峰

重庆文理学院

硕士

综合评价

该技术需求足够清晰

查看更多>

处理进度