课题面向国家航空航天事业快速发展的需求，针对飞机装配制造中面临的碳纤维复合材料/钛合金（CFRP/Ti）叠层构件制孔问题展开研究。课题主要研究内容有层叠构件螺旋铣孔温度模型、碳纤维复合材料损伤机理、螺旋铣孔刀具与工艺优化四个方面。通过对切削温度的研究，揭示了螺旋铣孔热源的种类、形状和运动轨迹。在此模型基础上计算螺旋铣削过程中的钛合金、CFRP切削热模型和材料间热传导模型。为叠层构件制孔工艺优化与抑制损伤产生提供了理论支持。通过CFRP损伤机理的研究，建立了CFRP切削过程中的能量消耗模型，实现对切削过程中分层损伤的预测。基于断裂韧性原理以及能量守恒原理，建立了CFRP实际切削过程断裂韧性（表面能）预测模型，并提出表面能增量概念，实现了对加工表面损伤的量化表征。建立了以表面粗糙度、表面空隙率和表面影响层厚度三者为评价指标的复合材料加工表面完整性评价方法，揭示了CFRP加工表面缺陷的种类和产生规律，并通过对不同加工质量CFRP试件准静载拉伸、压缩强度试验，得到了不同加工质量对材料强度弱化的影响规律。为抑制CFRP制孔损伤与优化制孔工艺提供了理论支持。在螺旋铣孔刀具研究方面，通过切削实验与数值仿真的方法，优化了刀具结构、刀具材料和表面涂层，为高质量螺旋铣制孔提供了技术基础。在工艺优化方面，通过实验与仿真的方法，优化了螺旋铣孔工艺参数，并建立了叠层构件螺旋铣孔工艺数据库，为高质量螺旋铣制孔提供了数据支持。 项目共发表SCI论文9篇，其中2篇是JCR二区，EI论文2篇。申请国家专利3项。培养博士生2名，硕士生6名。 2100433B

航空制造领域复合材料和钛合金使用比例大幅增长，使得碳纤维增强复合材料/钛合金一体化、无缺陷高效率制孔成为飞机装配过程急需解决的关键问题。本项目以碳纤维增强复合材料/钛合金一体化螺旋铣孔过程为研究对象，研究CFRP /钛合金叠层结构螺旋铣孔过程切削机理、专用刀具设计及工艺优化。采用理论分析、仿真与试验相结合的方法，考虑螺旋铣孔过程低应力，断续切削的特点，研究钛合金、复合材料螺旋铣孔过程动力学，建立各向切削力模型、切削区温度场模型，分析加工过程中力、热、刀具磨损等因素对缺陷形成的影响规律，研究叠层结构一体化制孔引起的新形式缺陷产生机理和抑制方法；结合刀具磨损机理，研制CFRP/钛合金叠层结构螺旋铣孔专用刀具；优化螺旋铣孔工艺，建立切削数据库。本项目提出一种新的针对CFRP/钛合金叠层结构无缺陷、高效制孔整体解决方法，研究成果对提高飞机装配质量和效率具有重要意义。

CFRP碳纤维复合材料/钛合金叠层结构孔加工表面性状（表面微观结构、硬化层、残余应力、微观力学性能及缺陷等）与飞机装配连接疲劳强度密切相关。CFRP/钛合金叠层结构低损伤、高效率制孔是航空制造领域的难点。 本项目以钛合金、CFRP以及CFRP/钛合金叠层材料孔加工为研究对象，提出了纵向、纵扭超声振动辅助螺旋铣孔工艺。建立了超声振动辅助螺旋铣孔的运动学分析模型，研究了超声振动辅助螺旋铣孔材料去除机理。通过钛合金超声振动辅助螺旋铣孔，分析了制孔过程底刃和侧刃的切削速度、加速度以及切削刃与工件材料表面的接触状态。对超声振动辅助螺旋铣孔切削力的变化趋势进行了建模分析。研究了钛合金超声振动辅助螺旋铣孔的表面完整性，揭示了超声振动对孔表面几何精度及物理力学性能的影响机制。 本课题进行了CFRP复合材料超声振动辅助螺旋铣孔试验研究，分析了复合材料孔加工的分层、撕裂和毛刺等损伤产生的机理。研究发现超声振动有利于增大铣刀侧刃的最大有效前角，增大侧刃的最大加速度，对孔表面产生了冲击作用。综上，纵振、纵扭超声振动辅助螺旋铣孔工艺显著减小了CFRP制孔损伤。 本课题对CFRP/钛合金叠层结构进行了超声振动辅助螺旋铣孔试验研究。分析了振动对两种材料的去除机理及叠层界面的影响机制。研究了材料属性对叠层结构制孔质量的影响。超声振动可减小叠层结构孔加工轴向力、减小CFRP出入口毛刺及分层损伤程度，同时可以改变钛合金及CFRP孔表面完整性。课题研究了叠层结构界面结构对孔径误差的影响规律。结合有无振动条件下的刀具磨损特征，揭示了超声辅助螺旋铣孔切削机理。 综上，纵振、纵扭超声振动辅助螺旋铣孔新工艺显著改善了钛合金孔表面物理力学性能、减小CFRP孔表面损伤。本课题研究成果不仅对完善超声辅助切削加工理论具有重要的科学价值，更对航空CFRP/钛合金叠层材料的孔加工提供了新的工艺方法，对提高国家航空制造技术水平具有重要的社会意义和经济价值。 2100433B

复合材料和钛合金在飞机装配制造领域使用比例大幅增加，碳纤维增强复合材料/钛合金叠层结构低损伤、高效率制孔成为航空制造领域研究的焦点。孔加工表面性状与连接疲劳强度密切相关，表面微观结构、硬化层、残余应力、微观力学性能及缺陷都可归结为表面性状。目前制孔工艺对表面性状的影响机制尚不明晰，对飞机运行安全构成挑战，严重制约航空制造技术的发展。本项目以CFRP/钛合金叠层制孔为研究对象，建立耦合不同振动方式的超声辅助螺旋铣孔新工艺，结合制孔过程数值分析，阐明超声振动作用下的材料去除机理及叠层结构损伤演化机制。研究超声振动对孔加工表面的微动摩擦及冲击作用，揭示微结构变化对钛合金残余应力、硬化层以及CFRP制孔缺陷的影响机制，建立超声辅助螺旋铣孔工艺与表面性状的映射关系，揭示CFRP/钛合金叠层超声辅助螺旋铣孔表面性状形成机理，为提高飞机装配制孔质量提供一种新工艺及理论基础。

孔加工螺旋插补铣削

用铣刀斜向铣入工件毛坯或已加工出的预孔。然后在X/Y向圆周运动的同时沿Z轴螺旋向下铣削，以实现扩孔加工。

孔加工圆周插补铣削

铣刀围绕已加工预孔的外径或内径以全齿深进行走刀铣削，以实现扩孔加工。

孔加工插铣或Z轴铣削

通过沿着工件的肩壁逐次进行插切，在粗铣出凹腔的同时加工(钻削)出一个新的孔。