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    我國自主研制的高性能碳纖維復合材料構件加工技術與裝備突破傳統復材加工質量及效率瓶頸

    日期 2018-07-27   來源:   作者:  【 】   【打印】   【關閉

    簡報
    第3期

    本文提要:在國家自然科學基金委員會-遼寧聯合基金重點項目“航空裝備中復材/金屬疊層結構高質高效制孔技術”以及面上項目“碳纖維增強樹脂基復合材料切削工藝基礎數據源的獲取”等支持下,大連理工大學賈振元教授領銜,航天材料及工藝研究所、哈爾濱飛機工業集團有限責任公司等單位研究人員共同組成的科研團隊,在高性能碳纖維復合材料構件高質高效加工技術與裝備研發方面取得了重大進展,揭示出碳纖維復合材料加工過程中的材料去除機理和損傷產生機制,提出了復合材料加工損傷抑制原理,研制出新型加工工具、工藝和裝備,解決了碳纖維復合材料加工損傷大、效率低的國際性難題,為碳纖維復合材料在我國航空、航天和交通等領域大規模應用奠定了基礎。

      樹脂基碳纖維增強復合材料具有質量輕、強度高及易實現構件一體化設計制造的特點,已成為國內外航空航天裝備減重增效的首選材料,在飛機上的應用,可以實現15%-30%的減重效益。然而,由于碳纖維復合材料的非均質性和各向異性,其在加工過程中極易產生分層、撕裂等損傷,嚴重影響構件的承載性能,加之高端裝備構件結構復雜,且損傷容限要求苛刻,使得碳纖維復合材料構件加工難上加難。為滿足高端裝備研制對復合材料構件的加工需求,企業不得已采用傳統切削工藝和手工作業方式,致使加工損傷嚴重、質量差、效率低,嚴重制約我國航空航天高端裝備研制和批量生產進程。因此,實現碳纖維復合材料構件的高質高效加工,是保障航空航天高端裝備研制和批量生產的重要前提,也是國內外高端裝備制造領域所面臨的嚴峻挑戰。

      國外對加工技術與裝備嚴密封鎖,高性能碳纖維復合材料構件高質高效加工已成為我國航空航天領域亟待解決的“卡脖子”難題。對此,賈振元團隊瞄準碳纖維復合材料構件加工中的材料宏、細觀去除機理及損傷成因這一關鍵科學問題攻關,從加工理論、工具、工藝、裝備等方面開展系統研究,實現了高性能碳纖維復合材料構件高質高效數字化加工,解決了碳纖維復合材料加工損傷難以控制、加工效率低的國際性難題。

      一、牢牢抓住“卡脖子”的科學問題,開展創新研究

      與金屬等均質材料不同,碳纖維復合材料是以碳/石墨纖維為增強材料、以樹脂為基體構成的非均質材料,其宏觀表現為明顯的層疊特征及各向異性。這些獨有的特點造成其宏、細觀切削過程與金屬等均質材料不同。目前由于缺乏復合材料加工過程中材料去除機理和損傷產生機制等基礎理論研究和裝備研發,國內外在實際工程中依然主要沿用金屬切削理論,采用傳統或經驗改進型刀具、常規加工工藝和裝備。由于復合材料力、熱行為及去除方式更加復雜,致使現有的加工理論、工具、工藝對于碳纖維復合材料的匹配性差,從而造成加工損傷嚴重、加工效率低,這是國際性加工難題。因此,如何突破傳統金屬等均質材料切削理論體系束縛,深入揭示碳纖維復合材料構件加工中宏、細觀材料去除機理及損傷產生機制,成為解決其高質高效加工這一國際性難題的關鍵。

      為此,團隊在理論研究方面實現了以下創新:

      一是考慮碳纖維復合材料中纖維、樹脂以及纖維/樹脂界面不同的力學、熱學性質,分析在實際切削過程中樹脂基體等周圍材料對纖維的約束作用,建立了同時考慮纖維所受切向和法向約束作用、以及樹脂等材料溫變特性的單纖維切削模型,結合發明的單纖維切削實驗方法,獲得了切削過程中分別表征材料去除及損傷形成的纖維斷裂、界面開裂行為與切削力、熱之間的關聯關系。

      二是考慮到刀具前角、后角、切削刃等各部位對復材所產生的切削作用不同,對復材切削過程中刀-工接觸區域進行劃分,據此建立復材宏觀切削力及切削熱的計算模型,獲得了刀具幾何、加工參數對切削力、熱的影響規律。

      三是通過自主設計、搭建原理性試驗平臺,實現了對碳纖維復合材料切削過程的在線動態顯微觀測,結合所建立的理論模型,從根源上揭示了碳纖維復合材料的加工機理及損傷形成機制,提出了“微元去除”和“反向剪切”的損傷抑制方法,即一方面通過“微刃”刀具結構分散材料去除體積,降低切削力,抑制加工損傷,同時通過增加切削刃數量保證材料最終去除效率。另一方面針對復材表層等區域中纖維在切削過程中所受周圍材料約束作用較弱,易產生“纖維切不斷”的問題,通過在刀具上附加局部反向切削刃,在與已加工側邊緣的共同作用下對邊緣未切斷纖維產生反向剪刀式切削,從而有效降低毛刺、撕裂等損傷。此外,針對復材切削過程中加工質量受溫度影響大的問題,基于已求解的工藝參數對切削熱的影響規律,探明了適合于復材高質高效加工的最適溫度區間,由此提出了“適溫切削”加工工藝策略,并建立了能夠實現碳纖維復合材料適溫切削的散熱量計算方法。

      上述理論,充分考慮了碳纖維復合材料的非均質性、各向異性以及切削過程中刀—工接觸特性,實現了碳纖維復合材料切削理論的源頭創新,為高質高效加工工具、工藝和裝備研發奠定了堅實的基礎。圍繞該研究,共授權發明專利27項,并在《國際機床與制造雜志》《復合材料結構》《先進制造技術》等國際知名期刊上發表高層次論文54篇,論文被德國卡爾斯魯厄大學的沃爾克舒爾茨、英國樸茨茅斯大學的哈姆納塔達卡爾等人多次引用。

      二、促進基礎研究與技術應用融通,推動加工技術取得重大突破

      研究團隊基于“微元去除”和“反向剪切”的刀具設計思想,開發出碳纖維復合材料高質高效系列新型加工工具。如:銑削系列工具(多刃微齒端刃銑刀、多刃微齒鉆尖銑刀),應用于航空裝備機翼結構中的大厚板邊緣輪廓及超大孔的銑削加工中,實現了大厚板高質量連續銑削,并突破了大直徑復材連接孔傳統的“鉆-擴-鉸”繁瑣工序,大幅提升了加工質量和效率,解決了大厚度、大尺寸復材孔難以高質、高效加工的難題;鉆削系列工具(微齒麻花鉆、微齒雙頂角鉆、微齒雙階梯鉆和微齒鉆锪一體化刀具),應用于大客/寬體客機復材構件多工位連接孔的加工,改變了傳統制孔后需對孔入口、出口等處毛刺等損傷進行多次手工修磨的局面,同時改善了刀具壽命,大幅減少了換刀等輔助工藝時間,有效提升了加工質量和效率,解決了傳統制孔難以實現一次性、低損傷、百余孔連續、自動化制孔難題;微刃系列工具(筒狀立式微刃刀具、盤式微刃刀具和超大孔徑微刃刀具),應用于某航天裝備超長窄縫結構關鍵構件、某航天器艙段異型盲窗、某高速飛行器構件異型深腔加工,首次實現了復材超長窄縫特征的高質量加工,并解決了傳統由于所加工幾何特征過于復雜而導致的異形盲窗、深腔加工質量差、甚至無法加工的難題。

      上述新型加工工具,相比于山特維克、瑪帕等國際知名刀具廠商生產的碳纖維復合材料刀具,加工質量顯著提升,壽命提高2-5倍,價格僅為其1/6-1/4。

      此外,基于“適溫切削”加工工藝策略,開發出負壓逆向冷卻工藝以及自風冷排屑工藝。其中,負壓逆向冷卻工藝應用于大客/寬體客機構件小直徑深孔的制孔中,使得制孔分層損傷由2mm降低至0.08mm,解決了傳統工藝方法由于散熱困難造成難以一次性高質量制孔的難題。所發明的具有自風冷排屑功能的加工裝置,解決了某武器發射筒段厚板超大孔一次性、低損傷加工難題,相比于使用傳統加工工具進行“鉆-擴-鉸”多次加工,分層損傷由10mm降低至0.1mm,同時加工效率提高5倍。基于上述高質高效加工工具及工藝,創建了典型高性能碳纖維復合材料構件切削加工工藝數據庫,實現了材料、刀具、工藝的精準匹配,為典型航空航天復合材料構件(筒段類、盒段類、異形類等)數字化加工提供工藝基礎。

      三、快速推進成果應用,提升高端裝備競爭力 

      研究團隊通過將上述理論與技術成果,應用于航天一院、三院和哈飛、沈飛、上飛等企業高性能碳纖維復合材料構件加工中,不僅解決了企業的關鍵技術問題,同時還推動了技術革新,對提升我國高端裝備的國際競爭力具有重要意義。研發的高性能碳纖維復合材料構件高質高效加工技術與裝備,以軍民共享、軍民互促、軍民互融的模式推廣應用,不僅應用于大型客機、大型運輸機制造等國民經濟支柱產業,還推廣到某新型航天裝備、某新型航天器、某高速飛行器、某重型飛機、系列直升機等重點型號關鍵復合材料構件的加工中,進而從經濟、軍事等多維度實現了碳纖維復合材料高質、高效、數字化制造技術發展的跨越,為我國航空航天高端裝備的研制和批量生產做出了突出貢獻。研究成果獲得2017年國家技術發明一等獎。




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