CFRP/鈦合金疊層超聲輔助螺旋銑孔表面性狀形成機理

CFRP碳纖維復合材料/鈦合金疊層結構孔加工表面性狀（表面微觀結構、硬化層、殘余應力、微觀力學性能及缺陷等）與飛機裝配連接疲勞強度密切相關。CFRP/鈦合金疊層結構低損傷、高效率制孔是航空制造領域的難點。 本項目以鈦合金、CFRP以及CFRP/鈦合金疊層材料孔加工為研究對象，提出了縱向、縱扭超聲振動輔助螺旋銑孔工藝。建立了超聲振動輔助螺旋銑孔的運動學分析模型，研究了超聲振動輔助螺旋銑孔材料去除機理。通過鈦合金超聲振動輔助螺旋銑孔，分析了制孔過程底刃和側刃的切削速度、加速度以及切削刃與工件材料表面的接觸狀態(tài)。對超聲振動輔助螺旋銑孔切削力的變化趨勢進行了建模分析。研究了鈦合金超聲振動輔助螺旋銑孔的表面完整性，揭示了超聲振動對孔表面幾何精度及物理力學性能的影響機制。 本課題進行了CFRP復合材料超聲振動輔助螺旋銑孔試驗研究，分析了復合材料孔加工的分層、撕裂和毛刺等損傷產(chǎn)生的機理。研究發(fā)現(xiàn)超聲振動有利于增大銑刀側刃的最大有效前角，增大側刃的最大加速度，對孔表面產(chǎn)生了沖擊作用。綜上，縱振、縱扭超聲振動輔助螺旋銑孔工藝顯著減小了CFRP制孔損傷。 本課題對CFRP/鈦合金疊層結構進行了超聲振動輔助螺旋銑孔試驗研究。分析了振動對兩種材料的去除機理及疊層界面的影響機制。研究了材料屬性對疊層結構制孔質(zhì)量的影響。超聲振動可減小疊層結構孔加工軸向力、減小CFRP出入口毛刺及分層損傷程度，同時可以改變鈦合金及CFRP孔表面完整性。課題研究了疊層結構界面結構對孔徑誤差的影響規(guī)律。結合有無振動條件下的刀具磨損特征，揭示了超聲輔助螺旋銑孔切削機理。 綜上，縱振、縱扭超聲振動輔助螺旋銑孔新工藝顯著改善了鈦合金孔表面物理力學性能、減小CFRP孔表面損傷。本課題研究成果不僅對完善超聲輔助切削加工理論具有重要的科學價值，更對航空CFRP/鈦合金疊層材料的孔加工提供了新的工藝方法，對提高國家航空制造技術水平具有重要的社會意義和經(jīng)濟價值。 2100433B

復合材料和鈦合金在飛機裝配制造領域使用比例大幅增加，碳纖維增強復合材料/鈦合金疊層結構低損傷、高效率制孔成為航空制造領域研究的焦點?？准庸け砻嫘誀钆c連接疲勞強度密切相關，表面微觀結構、硬化層、殘余應力、微觀力學性能及缺陷都可歸結為表面性狀。目前制孔工藝對表面性狀的影響機制尚不明晰，對飛機運行安全構成挑戰(zhàn)，嚴重制約航空制造技術的發(fā)展。本項目以CFRP/鈦合金疊層制孔為研究對象，建立耦合不同振動方式的超聲輔助螺旋銑孔新工藝，結合制孔過程數(shù)值分析，闡明超聲振動作用下的材料去除機理及疊層結構損傷演化機制。研究超聲振動對孔加工表面的微動摩擦及沖擊作用，揭示微結構變化對鈦合金殘余應力、硬化層以及CFRP制孔缺陷的影響機制，建立超聲輔助螺旋銑孔工藝與表面性狀的映射關系，揭示CFRP/鈦合金疊層超聲輔助螺旋銑孔表面性狀形成機理，為提高飛機裝配制孔質(zhì)量提供一種新工藝及理論基礎。

課題面向國家航空航天事業(yè)快速發(fā)展的需求，針對飛機裝配制造中面臨的碳纖維復合材料/鈦合金（CFRP/Ti）疊層構件制孔問題展開研究。課題主要研究內(nèi)容有層疊構件螺旋銑孔溫度模型、碳纖維復合材料損傷機理、螺旋銑孔刀具與工藝優(yōu)化四個方面。通過對切削溫度的研究，揭示了螺旋銑孔熱源的種類、形狀和運動軌跡。在此模型基礎上計算螺旋銑削過程中的鈦合金、CFRP切削熱模型和材料間熱傳導模型。為疊層構件制孔工藝優(yōu)化與抑制損傷產(chǎn)生提供了理論支持。通過CFRP損傷機理的研究，建立了CFRP切削過程中的能量消耗模型，實現(xiàn)對切削過程中分層損傷的預測?；跀嗔秧g性原理以及能量守恒原理，建立了CFRP實際切削過程斷裂韌性（表面能）預測模型，并提出表面能增量概念，實現(xiàn)了對加工表面損傷的量化表征。建立了以表面粗糙度、表面空隙率和表面影響層厚度三者為評價指標的復合材料加工表面完整性評價方法，揭示了CFRP加工表面缺陷的種類和產(chǎn)生規(guī)律，并通過對不同加工質(zhì)量CFRP試件準靜載拉伸、壓縮強度試驗，得到了不同加工質(zhì)量對材料強度弱化的影響規(guī)律。為抑制CFRP制孔損傷與優(yōu)化制孔工藝提供了理論支持。在螺旋銑孔刀具研究方面，通過切削實驗與數(shù)值仿真的方法，優(yōu)化了刀具結構、刀具材料和表面涂層，為高質(zhì)量螺旋銑制孔提供了技術基礎。在工藝優(yōu)化方面，通過實驗與仿真的方法，優(yōu)化了螺旋銑孔工藝參數(shù)，并建立了疊層構件螺旋銑孔工藝數(shù)據(jù)庫，為高質(zhì)量螺旋銑制孔提供了數(shù)據(jù)支持。 項目共發(fā)表SCI論文9篇，其中2篇是JCR二區(qū)，EI論文2篇。申請國家專利3項。培養(yǎng)博士生2名，碩士生6名。 2100433B

航空制造領域復合材料和鈦合金使用比例大幅增長，使得碳纖維增強復合材料/鈦合金一體化、無缺陷高效率制孔成為飛機裝配過程急需解決的關鍵問題。本項目以碳纖維增強復合材料/鈦合金一體化螺旋銑孔過程為研究對象，研究CFRP /鈦合金疊層結構螺旋銑孔過程切削機理、專用刀具設計及工藝優(yōu)化。采用理論分析、仿真與試驗相結合的方法，考慮螺旋銑孔過程低應力，斷續(xù)切削的特點，研究鈦合金、復合材料螺旋銑孔過程動力學，建立各向切削力模型、切削區(qū)溫度場模型，分析加工過程中力、熱、刀具磨損等因素對缺陷形成的影響規(guī)律，研究疊層結構一體化制孔引起的新形式缺陷產(chǎn)生機理和抑制方法；結合刀具磨損機理，研制CFRP/鈦合金疊層結構螺旋銑孔專用刀具；優(yōu)化螺旋銑孔工藝，建立切削數(shù)據(jù)庫。本項目提出一種新的針對CFRP/鈦合金疊層結構無缺陷、高效制孔整體解決方法，研究成果對提高飛機裝配質(zhì)量和效率具有重要意義。

篩分廣泛應用于冶金、礦業(yè)、化工、醫(yī)藥等工業(yè)領域，是物料顆粒分離的主要技術之一。細粉物料顆粒篩分是一個比較復雜的過程，由于顆粒間存在強烈的范德華作用力，具有強吸附性，易于粘結成團聚體，從而堵塞篩孔，使篩分效率低下。針對目前國內(nèi)超聲輔助篩分的機理缺乏而導致超聲輔助篩分設備盲目設計的現(xiàn)狀，因此，本文提出了超聲波輔助細粉物料篩分的機理研究。本文主要的研究內(nèi)容如下三個方面： 首先，對超聲波作用下細粉顆粒團聚體分散的機理進行了理論分析，結合DLVO理論,并根據(jù)顆粒在篩分中由范德華力和超聲波振動產(chǎn)生的能量和作用力，建立了顆粒的能量模型和受力模型。其次，對超聲波振動篩進行了動力學及運動學分析，并對篩面物料在振動篩振動與超聲振動綜合作用下進行了運動分析； 其次，利用離散元法，在EDEM中對細粉物料顆粒團聚體凝聚和超聲波作用下的分散過程進行了模擬。同時，對顆粒的分層與透篩過程進行了模擬研究，比較了不同形狀顆粒對分層過程的影響和有無超聲波振動的分層效果，模擬分析了不同的振動參數(shù)對物料顆粒透篩的影響。探索了物料顆粒的分層透篩機理，獲得了物料顆粒透篩時的最佳振動參數(shù)； 最后，以硅粉為研究對象,通過實驗對超聲波輔助破壞物料團聚性、吸附性的機理進行了實驗驗證。研究結果表明，超聲波振動能夠有效地打散顆粒團聚體，解決篩孔堵塞的問題，從而顯著地提高篩分效率。同時,對影響篩分效率的各種振動參數(shù)進行了實驗驗證研究，獲得了硅粉物料在振動篩振動與超聲波振動共同作用下篩分時的最佳組合參數(shù)。