炭炭复合材料铣削力建模与表面完整性研究

炭炭复合材料是密度小、强度高、耐高温，且不断发展的一种新型难加工材料，多用于航空航天热构件中，其数控铣削加工过程存在一系列难题。本项目旨在：1）建立炭炭复合材料数控铣削加工过程中的刀具-材料耦合的切削力预测模型，形成炭炭复合材料切削机理基础理论和方法。2)建立炭炭复合材料切削过程动态仿真模型，通过有限元和数值模拟方法，对炭炭复合材料数控铣削表面完整性进行预测，从而形成炭炭复合材料切屑和表面形成机理、切屑粉碎和破裂准则、刀具磨损规律。3)进行炭炭复合材料数控铣削加工切削参数优化，通过多工况多参数条件下炭炭复合材料切削参数试验对比分析、刀具优化设计研究，探索提高炭炭复合材料数控铣削加工表面完整性的优化切削参数范围和刀具优化设计方案。通过本项目研究，可形成炭炭复合材料切削机理基础理论，实现其高效率、高质量加工，对国民经济和国防武器装备的研究具有非常重要的理论指导意义和应用价值。

C/C复合材料是密度小、强度高、耐高温，且不断发展的一种新型难加工材料，多用于航空航天热构件中，其硬脆特点导致数控铣削加工过程存在一系列难题。本项目研究取得了如下成果：1）在建立铣削力预测模型方面，针对准三维编织C/C复合材料建立了基于复合材料铣削机理的力学模型，试验结果表明该模型预测误差偏大；针对三维编织C/C复合材料分别建立了基于正交试验的经验模型和基于力学分析的机械模型，试验结果表明铣削力经验模型同样适用于C/C复合材料，采用机械模型时铣削力预测误差较小。2)基于有限元方法，初步建立了C/C复合材料铣削过程仿真模型；揭示了C/C复合材料钻孔缺陷形成机理，对钻孔中的毛刺和撕裂现象进行了详细的试验分析,通过毛刺因子和纤维撕裂因子对钻孔缺陷进行了量化分析。3) 通过多工况多参数条件下C/C复合材料切削加工试验对比分析，建立了多目标切削参数优化模型，并采用粒子群优化方法对铣削加工参数进行了优化；基于试验数据，对钻削参数进行了优选。采用优化的切削参数加工出了合格的C/C复合材料结构件。在C/C复合材料叶片加工中提出了两种刀轴优化方法以及一种薄壁件加工刚度优化方法。通过本项目研究，形成了C/C复合材料切削机理基础理论，实现了C/C复合材料结构件的高效率、高质量加工，对国民经济和国防武器装备研究具有非常重要的理论指导意义和应用价值。