8.复合材料高效加工技术与装备

复材/金属叠层制孔加工技术 经优化设计的PCD刀具可减小横刃切削速度低对切削质量的不利影响。
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3.2 复合材料低损伤高效切边工具技术
3.4 典型复合材料零件加工工艺数据库开发
结合多年研究积累的加工工艺试验数据和企业应用成果，在大量数据整理 分析的基础上，构件了航空航天零件类加工工艺数据库和复合材料典型构件加 工工艺数据库，能够为航空航天企业实际生产提供技术参考和工艺选择依据。
距离 l/mm
15
20
25
温度 T/℃
1 r dr dl sin p (r 2 t 2 )1/ 2
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2.6 复合材料加工过程损伤形成机制
加工过程力热耦合作用下导致复合材料纤维变形、树脂强度下降和层 间强度不足是引起加工损伤的主要原因。
树脂在不 同玻璃化 温度下刚 度随温度 变化规律
提纲
1. 研究背景和面临的挑战 2. 高性能纤维复合材料加工损伤机理 3. 高性能纤维复合材料低损伤高效加工技术 4. 大型复合材料构件数控加工工艺装备与应用
拉伸强度
(GPa) 1.03 0.47 0.96 1.06 1.5 1.07 1.4 1.38 1.0
弹性模量
2.1 0.75 1.14 0.4 1.4 2.4 0.8 2.1 2.0
比强度
0.13 0.17 0.21 0.53 1.03 0.67 1.0 0.66 0.38
(×102GPa) (×105cm)
由于碳纤维复合材料所具备的轻质、高强、高硬(HRC= 53～65) 、耐 高温、各向异性、层间强度低、低导热系数（芳纶）等独特的性能，决定 了它们是一类典型的难加工材料。
比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度愈高，同 一零件的比重愈小；比模量愈高，零件的刚性愈大。
（1）各向异性——加工过程和切削机理极为复杂； （2）层间强度低——在切削力作用下极易分层、撕裂； （3）对温度敏感——树脂玻璃化温度150～200℃，切削温度高于树脂玻璃 化温度时，导致缺陷的产生，力学性能急剧下降。 （4）要求干切削加工——产品结构特点、生产条件等要求干加工，给加工 过程的散热带来了极大的困难。
1. 研究背景和面临的挑战 2. 高性能纤维复合材料加工损伤机理 3. 高性能纤维复合材料低损伤高效加工技术 4. 大型复合材料构件数控加工工艺装备与应用
为此提出了工件在位、设备可移动的数字化加工装备设计思想，结合工程需求 开展了加工装备开发与工程应用。
需 求 与 难 点
C/E复合材料构件尺寸超大 薄壁结构易变形，定位基准不准确 装配区域要求精准加工 超长窄缝、异形盲窗口等特殊加工结构 系列专用数字化加工装 系列专用数字化加工装 备的产学研开发 备的产学研开发 航天企业产品 航天企业产品 典型应用示范 典型应用示范 航空企业产品 航空企业产品 典型应用示范 典型应用示范
开发的锥形筒大深宽比超长 窄缝精密切割技术与装置， 解决了有无的难题，为型号 产品性能提升发挥了关键性 作用。
(9)锥筒构件连接孔内侧壁垂直盲小孔加工技术与装置发明及其应用
开发的复合材料锥形筒连接孔内 侧壁垂直盲小孔加工装置，显著 缩短了产品批产流程，效率提高 2倍，质量一致性好。
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谢 谢！
夹角0 °方向划切 纤维方向对材料切断机理 的影响显微观测
2.5 复合材料加工过程的温度场分布与热分析
创建了C/E复合材料平面磨削、套料制孔和钻头钻削加工温度场有限 差分数值模型，得出了温度场沿纤维方向呈椭圆形分布的规律。
平面磨削热源模型
250 200 150 100 50 0 0
套料制孔热源模型
250 200 150 100 50 0 0
实现了大型发射箱的全数 字化加工，效率和质量显 著提高。
(8) 锥筒构件超长窄缝精密加工技术与装置发明及其应用
随动吸尘机构和数控夹具 专用数控加工机床 测量和加工现场
(6) 碳纤维薄板低损伤高效数控切边技术与设备及其应用
加工效率比手工作业 提高3-4倍，刀具寿命 是进口的4倍，成为中 法合作新型号直升机 生产中，被欧直专家 指定加工用设备。 25
开创了航天复合材料 舱段构件数字化加工 的先例。
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24
wenku.baidu.com
4.3 飞机TJB复合材料类构件数控加工工艺装备技术
(5) 飞机TJB构件测量加工一体化技术与数控机床及其应用
缩短制孔时间 1/3，提高效 率42%以上， 减少超差3%。
2.5 专用加工工艺设备开发与典型示范应用
(7) 大型复合材料箱体构件数控加工机床开发与应用

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距离 l/mm
E33 ac kchi t tan w cos f dr 1 v2 2
5
10
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 距离 l/mm
267.0 233.6 200.3 166.9 133.5 100.1 66.75 33.38 0.000
国外现状
美 国 ACT 、 AST 、 CAI 、 SWK、ALCAS以及ACEE计划 欧洲TANGO计划
已成功应用于A380、A350、B787等 大飞机的外翼盒、中央翼盒、机身 筒段、平垂尾盒段、航天和武器等
减轻 减轻 重量 重量
比强度 比刚度
据空客统计：
飞机每减重1kg，增效>450美元 结构重量每降低1%，油耗可减 少3%-4%
通用飞机复合材料应用论坛.2014.珠海
提纲
高性能纤维复合材料低损伤高效加工 技术与工艺装备
高 航 教授
大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室 2014-5-22
1. 研究背景和面临的挑战 2. 高性能纤维复合材料加工损伤机理 3. 高性能纤维复合材料低损伤高效加工技术 4. 大型复合材料构件数控加工工艺装备与应用
出口温度203°C 出口温度268°C
试样预热25°C孔壁质量
试样预热175°C孔壁质量
力热耦合作用引起内部组织裂纹
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3.1 复合材料低损伤高效制孔工具技术
—全复材制孔系列工具
3.1 复合材料低损伤高效制孔工具技术
—复材/金属叠层制孔系列工具
研制的 PCD刀具
采用具有多微刃和微磨粒群可控排布砂轮，降 低切削力20-30%、减少切削热60%以上、避免了毛 刺和分层等加工损伤，有效减缓砂轮堵塞，工具寿 命提高2-4倍，价格仅为进口的1/4。
“先进树脂基复合材料在飞机上的应用, 可以实现15%-30% 减重效益……”——航空专家陈祥宝院士
碳纤维树脂基复合材料用量是飞机先进性和国际竞争力的重要标志3
大型复合材料（承力）构件的高质量制造与加工仍为世界性难题！4
1.3 复合材料加工面临的挑战
碳纤维复合材料、芳纶纤维复合材料等高性能复合材料等已在航空领域中有广泛 应用，通常复合材料制成的大型薄壁构件成型后需要进行制孔、切边、开窗口、铣磨 平面等加工，从而满足复合材料构件与其它零部件之间的连接及装配性能要求。
在玻璃纤 维、碳纤维复 合材料上进行 了宽0.3 mm， 长6mm的窄缝 切割，切缝无 毛刺撕裂，平 均切向力小于 5N。
无毛边切缝 3米超长窄缝切割
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20
提纲
4.1 大型复合材料构件数控加工面临的挑战
大型C/E复合材料构件往往存在尺寸超大、易变形、定位基准不准等特点，而 装配区域要求精准加工，实现其数控加工十分困难。
大型C/E构件加 工装备设计方法
区 域 精 准 在 位 加 工
加 工 测 量 一 体 化
数 字 化 加 工 策 略
随 动 吸 尘 和 防 尘
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4.2 大型筒类构件数控加工工艺装备技术
(1) 可移动式大型复合筒构件数控加工机床开发与应用
针对长达10m的大型复合筒构件 前、中、后装配段区域精准数控 加工需求，解决了企业长期以来 采用手工加工低效、质量稳定性 和一致性不易控制的难题。
复材构件制造加工问题
2012.2.6，B787机身复合材料承力结构 件上出现“分层”现象
8 6 4 2 0 铝合金 钛合金 碳纤维/环氧
复材尾 复材尾 翼断裂 翼断裂
复材构件性能评估问题
2011.10.24，美国政府对B787审查显 示：对服役中复合材料飞机结构行为 的信息掌握有限
肯尼迪机场 A300事故
1.4 制造加工缺陷产生的危害
连接孔周围形成的应力集中 现象导致裂纹容易沿纤维方向产 生并扩展，进而导致构件性能的 下降甚至构件破坏。
循环次数：100
加工要求： 近千个连接孔 异形窗口 端面法兰 端面磨削 外圆磨削
一架波音747需要加 工百万以上个连接孔
循环次数：105
循环加载106次后的内部裂纹 某飞机复合材料机翼的装配
材料
钢 铝合金 钛合金 玻璃纤维复合材料 高强度碳纤维/环氧 高模量碳纤维/环氧 有机纤维/环氧 硼纤维/环氧 硼纤维/铝
2.1 高性能纤维复合材料结构特点与性能
比模量
(×105cm) 0.27 0.26 0.25 0.20 0.97 1.5 0.57 1.0 0.57
树脂基碳纤维复材
密度
(g/cm3) 7.8 2.8 4.5 2.0 1.45 1.6 1.4 2.1 2.65
4.2 大型筒类构件数控加工工艺装备技术
(3) 大型舱段端框数控加工设备与应用
解决了制约某新型 号产品研制中的加 工瓶颈难题。
(2) 大型复合筒端框径向自动制孔装置发明与应用
加工质量100%合格， 生产效率提高3倍以 上，替代3个工人手 工作业，显著减轻了 工人劳动强度。
(4) 柱型舱段数控高速钻磨加工机床与应用
2.2 碳纤维复合材料加工缺陷
极易产生边缘撕裂、分层、毛刺等缺陷；
2.3 碳纤维复合材料加工刀具磨损情况
硬质合金刀具磨损严重 (钻头耐用度:15-20孔,铰刀寿命:20-40孔)；
钻孔背面
磨损
硬质合金钻头
磨损
硬质合金铰刀
2.4 碳纤维复合材料过程力学行为
纤维增强相切断的机理：在切刃的剪切应力和拉/压应力的共同作用 下发生剪断、压溃和拉断。
分层
提纲
复合材料手工制孔加工现场
1. 研究背景和面临的挑战 2. 高性能纤维复合材料加工损伤机理 3. 高性能纤维复合材料低损伤高效加工技术 4. 大型复合材料构件数控加工工艺装备与应用
加工复合材料时的损伤形式
复合材料加工损伤是复合材料构件失效的重大安全隐患！7
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2.1 高性能纤维复合材料结构特点与性能
钻头钻削热源模型
温度 T/℃
5
20
距离 l/mm
10
15
20
温度 T /℃
Fchith
Flipth 2
d /2 d1 / 2
t /sin( )
t /sin( )
dF cos sin p dF
' T
'2 C
dFT' 2
1/ 2
sin i tan cos i dFC' sin i cos i cos p sin i sin p sin n
2
1.1 国家需求
现代大飞机要求
经济 经济 舒适 舒适 环保 环保 性 性 性 性 性 性 巡航 巡航 能力 能力 飞机设计制造 永恒主题 保证 保证 安全 安全
12 10
1.2 国内外现状
纤维增强树脂基复 合材料主要优点 比强 比强 度高 度高 比刚 比刚 度高 度高 抗疲 抗疲 劳 劳 耐腐 耐腐 蚀 蚀
循环次数：106
某舱段C/E复合材料构件
含孔复合材料的疲劳损伤
5
（320MPa压应力循环加载，X射线检测）
1.5 生产制造面临的难题
极易产生撕裂、分层、毛刺等多形态与多尺 度的损伤； 刀具磨损严重； 手工制孔、切边工艺落后，加工效率极为低 下，劳动强度大； 作业环境粉尘污染严重； 缺乏先进加工工艺与工艺数据库的支持； 缺少先进适用的专用数字化加工工艺装备。