CFRP/鈦合金疊層超聲輔助螺旋銑孔表面性狀形成機(jī)理結(jié)題摘要

CFRP碳纖維復(fù)合材料/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)孔加工表面性狀（表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)、硬化層、殘余應(yīng)力、微觀(guān)力學(xué)性能及缺陷等）與飛機(jī)裝配連接疲勞強(qiáng)度密切相關(guān)。CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)低損傷、高效率制孔是航空制造領(lǐng)域的難點(diǎn)。 本項(xiàng)目以鈦合金、CFRP以及CFRP/鈦合金疊層材料孔加工為研究對(duì)象，提出了縱向、縱扭超聲振動(dòng)輔助螺旋銑孔工藝。建立了超聲振動(dòng)輔助螺旋銑孔的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型，研究了超聲振動(dòng)輔助螺旋銑孔材料去除機(jī)理。通過(guò)鈦合金超聲振動(dòng)輔助螺旋銑孔，分析了制孔過(guò)程底刃和側(cè)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(duì)超聲振動(dòng)輔助螺旋銑孔切削力的變化趨勢(shì)進(jìn)行了建模分析。研究了鈦合金超聲振動(dòng)輔助螺旋銑孔的表面完整性，揭示了超聲振動(dòng)對(duì)孔表面幾何精度及物理力學(xué)性能的影響機(jī)制。 本課題進(jìn)行了CFRP復(fù)合材料超聲振動(dòng)輔助螺旋銑孔試驗(yàn)研究，分析了復(fù)合材料孔加工的分層、撕裂和毛刺等損傷產(chǎn)生的機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)有利于增大銑刀側(cè)刃的最大有效前角，增大側(cè)刃的最大加速度，對(duì)孔表面產(chǎn)生了沖擊作用。綜上，縱振、縱扭超聲振動(dòng)輔助螺旋銑孔工藝顯著減小了CFRP制孔損傷。 本課題對(duì)CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助螺旋銑孔試驗(yàn)研究。分析了振動(dòng)對(duì)兩種材料的去除機(jī)理及疊層界面的影響機(jī)制。研究了材料屬性對(duì)疊層結(jié)構(gòu)制孔質(zhì)量的影響。超聲振動(dòng)可減小疊層結(jié)構(gòu)孔加工軸向力、減小CFRP出入口毛刺及分層損傷程度，同時(shí)可以改變鈦合金及CFRP孔表面完整性。課題研究了疊層結(jié)構(gòu)界面結(jié)構(gòu)對(duì)孔徑誤差的影響規(guī)律。結(jié)合有無(wú)振動(dòng)條件下的刀具磨損特征，揭示了超聲輔助螺旋銑孔切削機(jī)理。 綜上，縱振、縱扭超聲振動(dòng)輔助螺旋銑孔新工藝顯著改善了鈦合金孔表面物理力學(xué)性能、減小CFRP孔表面損傷。本課題研究成果不僅對(duì)完善超聲輔助切削加工理論具有重要的科學(xué)價(jià)值，更對(duì)航空CFRP/鈦合金疊層材料的孔加工提供了新的工藝方法，對(duì)提高國(guó)家航空制造技術(shù)水平具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 2100433B

復(fù)合材料和鈦合金在飛機(jī)裝配制造領(lǐng)域使用比例大幅增加，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)低損傷、高效率制孔成為航空制造領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)?？准庸け砻嫘誀钆c連接疲勞強(qiáng)度密切相關(guān)，表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)、硬化層、殘余應(yīng)力、微觀(guān)力學(xué)性能及缺陷都可歸結(jié)為表面性狀。目前制孔工藝對(duì)表面性狀的影響機(jī)制尚不明晰，對(duì)飛機(jī)運(yùn)行安全構(gòu)成挑戰(zhàn)，嚴(yán)重制約航空制造技術(shù)的發(fā)展。本項(xiàng)目以CFRP/鈦合金疊層制孔為研究對(duì)象，建立耦合不同振動(dòng)方式的超聲輔助螺旋銑孔新工藝，結(jié)合制孔過(guò)程數(shù)值分析，闡明超聲振動(dòng)作用下的材料去除機(jī)理及疊層結(jié)構(gòu)損傷演化機(jī)制。研究超聲振動(dòng)對(duì)孔加工表面的微動(dòng)摩擦及沖擊作用，揭示微結(jié)構(gòu)變化對(duì)鈦合金殘余應(yīng)力、硬化層以及CFRP制孔缺陷的影響機(jī)制，建立超聲輔助螺旋銑孔工藝與表面性狀的映射關(guān)系，揭示CFRP/鈦合金疊層超聲輔助螺旋銑孔表面性狀形成機(jī)理，為提高飛機(jī)裝配制孔質(zhì)量提供一種新工藝及理論基礎(chǔ)。

課題面向國(guó)家航空航天事業(yè)快速發(fā)展的需求，針對(duì)飛機(jī)裝配制造中面臨的碳纖維復(fù)合材料/鈦合金（CFRP/Ti）疊層構(gòu)件制孔問(wèn)題展開(kāi)研究。課題主要研究?jī)?nèi)容有層疊構(gòu)件螺旋銑孔溫度模型、碳纖維復(fù)合材料損傷機(jī)理、螺旋銑孔刀具與工藝優(yōu)化四個(gè)方面。通過(guò)對(duì)切削溫度的研究，揭示了螺旋銑孔熱源的種類(lèi)、形狀和運(yùn)動(dòng)軌跡。在此模型基礎(chǔ)上計(jì)算螺旋銑削過(guò)程中的鈦合金、CFRP切削熱模型和材料間熱傳導(dǎo)模型。為疊層構(gòu)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(guò)CFRP損傷機(jī)理的研究，建立了CFRP切削過(guò)程中的能量消耗模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)切削過(guò)程中分層損傷的預(yù)測(cè)?；跀嗔秧g性原理以及能量守恒原理，建立了CFRP實(shí)際切削過(guò)程斷裂韌性（表面能）預(yù)測(cè)模型，并提出表面能增量概念，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)的復(fù)合材料加工表面完整性評(píng)價(jià)方法，揭示了CFRP加工表面缺陷的種類(lèi)和產(chǎn)生規(guī)律，并通過(guò)對(duì)不同加工質(zhì)量CFRP試件準(zhǔn)靜載拉伸、壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，得到了不同加工質(zhì)量對(duì)材料強(qiáng)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(guò)切削實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真的方法，優(yōu)化了刀具結(jié)構(gòu)、刀具材料和表面涂層，為高質(zhì)量螺旋銑制孔提供了技術(shù)基礎(chǔ)。在工藝優(yōu)化方面，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(gòu)件螺旋銑孔工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，為高質(zhì)量螺旋銑制孔提供了數(shù)據(jù)支持。 項(xiàng)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(qǐng)國(guó)家專(zhuān)利3項(xiàng)。培養(yǎng)博士生2名，碩士生6名。 2100433B

航空制造領(lǐng)域復(fù)合材料和鈦合金使用比例大幅增長(zhǎng)，使得碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/鈦合金一體化、無(wú)缺陷高效率制孔成為飛機(jī)裝配過(guò)程急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本項(xiàng)目以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/鈦合金一體化螺旋銑孔過(guò)程為研究對(duì)象，研究CFRP /鈦合金疊層結(jié)構(gòu)螺旋銑孔過(guò)程切削機(jī)理、專(zhuān)用刀具設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化。采用理論分析、仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，考慮螺旋銑孔過(guò)程低應(yīng)力，斷續(xù)切削的特點(diǎn)，研究鈦合金、復(fù)合材料螺旋銑孔過(guò)程動(dòng)力學(xué)，建立各向切削力模型、切削區(qū)溫度場(chǎng)模型，分析加工過(guò)程中力、熱、刀具磨損等因素對(duì)缺陷形成的影響規(guī)律，研究疊層結(jié)構(gòu)一體化制孔引起的新形式缺陷產(chǎn)生機(jī)理和抑制方法；結(jié)合刀具磨損機(jī)理，研制CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)螺旋銑孔專(zhuān)用刀具；優(yōu)化螺旋銑孔工藝，建立切削數(shù)據(jù)庫(kù)。本項(xiàng)目提出一種新的針對(duì)CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)無(wú)缺陷、高效制孔整體解決方法，研究成果對(duì)提高飛機(jī)裝配質(zhì)量和效率具有重要意義。

篩分廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、化工、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域，是物料顆粒分離的主要技術(shù)之一。細(xì)粉物料顆粒篩分是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，由于顆粒間存在強(qiáng)烈的范德華作用力，具有強(qiáng)吸附性，易于粘結(jié)成團(tuán)聚體，從而堵塞篩孔，使篩分效率低下。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)超聲輔助篩分的機(jī)理缺乏而導(dǎo)致超聲輔助篩分設(shè)備盲目設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，因此，本文提出了超聲波輔助細(xì)粉物料篩分的機(jī)理研究。本文主要的研究?jī)?nèi)容如下三個(gè)方面： 首先，對(duì)超聲波作用下細(xì)粉顆粒團(tuán)聚體分散的機(jī)理進(jìn)行了理論分析，結(jié)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(dòng)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(duì)超聲波振動(dòng)篩進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并對(duì)篩面物料在振動(dòng)篩振動(dòng)與超聲振動(dòng)綜合作用下進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析； 其次，利用離散元法，在EDEM中對(duì)細(xì)粉物料顆粒團(tuán)聚體凝聚和超聲波作用下的分散過(guò)程進(jìn)行了模擬。同時(shí)，對(duì)顆粒的分層與透篩過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，比較了不同形狀顆粒對(duì)分層過(guò)程的影響和有無(wú)超聲波振動(dòng)的分層效果，模擬分析了不同的振動(dòng)參數(shù)對(duì)物料顆粒透篩的影響。探索了物料顆粒的分層透篩機(jī)理，獲得了物料顆粒透篩時(shí)的最佳振動(dòng)參數(shù)； 最后，以硅粉為研究對(duì)象,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)超聲波輔助破壞物料團(tuán)聚性、吸附性的機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，超聲波振動(dòng)能夠有效地打散顆粒團(tuán)聚體，解決篩孔堵塞的問(wèn)題，從而顯著地提高篩分效率。同時(shí),對(duì)影響篩分效率的各種振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究，獲得了硅粉物料在振動(dòng)篩振動(dòng)與超聲波振動(dòng)共同作用下篩分時(shí)的最佳組合參數(shù)。