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【第二十八期】大工技述:助力航空航天高端制造——高航教授深入研究碳纤维复合材料高质高效加工技术与装备

2018-05-15  点击:[]

航空、航天、交通等领域高端装备是国家制造水平和综合实力的集中体现,碳纤维增强树脂基复合材料(以下简称碳纤维复合材料)可以为高端装备减重增效,具有非同寻常的战略意义。然而这种材料是典型的难加工材料,加工过程中极易产生毛刺、撕裂、分层等加工损伤,难以满足碳纤维复合材料构件的高性能要求,制约了这种高性能材料的推广应用,限制了装备性能的提升。

复合材料在波音787上的运用

针对航空航天高端装备中的碳纤维复合材料构件加工面临的难题和挑战,我校高航教授开展了复合材料加工损伤机理和高质高效加工技术研究,发明了系列复合材料高效加工工具,研发出几十台套高性能碳纤维复合材料构件数字化专用加工装备,形成了高性能碳纤维复合材料构件低损伤加工成套工艺和解决方案。方案解决了我国航空航天多个重点型号关键复合材料构件加工难题,研究成果也取得多项发明专利。2017年,高航教授参与的“高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备”获得年度国家技术发明一等奖(第二完成人)。

2017年度国家技术发明奖获奖项目目录

“高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备”科研成果,从源头上解决了碳纤维复合材料在加工中出现的具有挑战性的难题,即加工中极易产生损伤、且随机不可控,构件性能难以精确计算,构件的高性能要求难以保证等问题,实现了碳纤维复合材料构件加工基础理论的源头创新,将我国碳纤维复合材料构件加工技术推进到国际先进水平。

 

该技术发明成果主要体现在:

首先,在碳纤维复合材料切削原理研究方面取得重大突破,揭示了碳纤维复合材料加工去除机理和加工损伤产生机制,建立了适合碳纤维复合材料加工的新切削理论体系。

该理论体系阐明了导致碳纤维复合材料构件出现毛刺、撕裂和分层等加工损伤的根本原因;通过材料、力学、机械多学科交叉研究,揭示出加工过程中细观纤维断裂、树脂及界面开裂直至宏观成屑的演化过程,建立了切削力和切削过程动态仿真模型,为加工工具和加工工艺的创新设计提供了理论支撑。

复台材料加工切削力及温度场分析

切削力及切削热是导致复合材料加工缺陷产生的主要原因。采用传统的硬质合金麻花钻加工碳纤维复合材料时,由于碳纤维与树脂两种材料性能的巨大差异,且材料为层铺结构,在切削轴向力的作用下,可能导致孔入口、出口处形成各种各样的缺陷。当作用在材料层间的轴向力大于层间强度时,材料发生分层现象,材料表面形成撕裂缺陷,未被切断的纤维形成毛刺缺陷,另外,加工过程中产生的切削热一旦高于某一温度,将导致碳纤维复合材料层间强度急速降低,进一步恶化材料的加工损伤程度。

其次,在碳纤维复合材料加工损伤抑制原理上,实现多项原创性发明,并研制出制孔、铣削等系列加工工具。

工欲善其事,必先利其器。基于“微元去除”和“反向剪切”原理,团队先后发明三类9个系列的制孔、铣削等加工刀具,加工损伤由原来的厘米、毫米量级减至0.1毫米内,加工理论与技术进入国际领先水平。刀具寿命高于进口刀具的2-7倍,价格仅为1/6-1/4。“微元去除”“反向剪切”等系列技术获多项发明专利。

具有“微元去除”和“反向剪切”功能的复合材料系列加工工具

第三,关于加工损伤抑制工艺,揭示出碳纤维复合材料切削质量随温度的变化规律,发明了负压逆向冷却和具有自风冷排屑功能的系列加工工艺。

大型构件加工离不开精良加工工艺和装备,多年来,研发团队持续攻关,开发了负压逆向冷却和具有自风冷排屑功能的系列加工工艺。在“以数字化工装代替大型设备实现数字化加工”的设计思想指导下,团队研制出20多种具有知识产权的复合材料构件加工工艺与专用数控装备,实现了大型复合材料构件高质高效加工,解决了航空航天企业的加工难题和急需,成为我国航空航天多个重点型号复合材料关键构件加工的唯一装备。该科研成果在航天一院、三院、中航工业和商飞等企业被推广应用,取得了显著的经济和社会效益。

大型碳纤维复合材料薄壁构件加工设备与装置

在归纳总结了航空航天领域复合材料构件典型加工特征的基础上,针对航空航天企业工艺使用特点,团队以Oracle为数据库管理系统,采用B/S结构体系和Struts框架构建了复合材料典型构件加工工艺数据库原型系统。所开发的数据库包含了常用复合材料典型特征结构加工参数数据库、数控加工程序库、常用刀具库、若干典型构件的加工工艺等,并具有良好的可扩展性及可维护性,能够为相关企业的复合材料数字化加工提供相应的技术支持。

系统索引界面

教授简介:

高航,教授、博士生导师,大连理工大学现代制造技术研究所副所长、精密与特种加工教育部重点实验室副主任,兼任中国机械工程学会中国生产工程分会常务理事、中国生产工程分会光整技术专业委员会主任委员,国际磨粒加工技术学会常务委员、国际磨粒加工技术期刊(International Journal ofAbrasive Technology)远东地区主编。

近十年主持和完成包括973计划项目课题、国家自然科学基金重大和重点项目课题、863计划重点项目课题、国家重大科技攻关专项课题、GF基础科研项目、ZZ预先研究计划项目等在内的各类纵横向科研项目40多项。

 

 

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