《【基金标书】2011CB706800-难加工航空零件的数字化制造基础研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【基金标书】2011CB706800-难加工航空零件的数字化制造基础研究（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、项目名称：难加工航空零件的数字化制造基础研究首席科学家：丁汉 华中科技大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部二、预期目标4.1 总体目标本项目以航空难加工关键零件（航空发动机单晶涡轮叶片、整体叶轮、飞机起落架等）为研究对象，从目标微结构驱动的热成形制造、质量与效率驱动的多轴数控加工、功能表面微形貌高效加工三个方面开展系统深入的基础研究，重点揭示目标微结构的定向形成机理、装备-工艺过程交互作用规律与功能表面微形貌可控创成原理，创立难加工航空关键零件高品质制造的新原理、新方法和新工艺。通过本项目研究，实现从“几何精度驱动的数字化制造”向“物理性能驱动的数字化制造”的跃升，提高我国
2、难加工航空零件的制造能力与水平，提供亟需的核心制造技术，培养一批从事数字化制造科学研究的青年学术带头人和研究骨干。4.2 五年预期目标在理论研究方面解决高端数控装备和复杂精密航空零件制造中的科学问题，建立物理性能驱动的数字化制造新原理与新方法，使我国制造科学研究水平跻身于国际前列，为形成我国新一代飞机用难加工零件的高品质制造能力提供理论与方法。（1）揭示在超常热成形制造条件下复杂零件微观组织与性能演化的规律，阐明多种因素耦合作用机理与目标微结构定向形成的热力学与动力学条件，建立定向凝固与流变成形制造过程的热力位移协同控制的原理与方法，提出目标微结构与性能驱动的数字化成形制造新原理。（2）揭示高
3、强材料零件多轴加工时强切削载荷下工艺系统失稳和界面表层损伤机理，建立加工物理过程仿真、产品质量预测和工艺参数优化模型，提出适应工艺条件与工况变化的装备控制品质优化方法，建立基于加工-测量一体化的加工质量数字化监测与反馈控制原理，发展质量与效率驱动的数字化制造新原理与新方法。（3）揭示航空动力传递件功能表面微形貌与表层性态的形成机理，提出特定属性表面微形貌的数字表征方法，建立性能驱动的微形貌与结构纹理数字化精确创成模型，形成功能表面微形貌的数字化制造新原理。在技术应用方面在航空难加工零件若干关键制造技术上取得创新成果，提供亟需的核心制造技术，在沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司和中国第二重型
4、机械集团公司得到验证。（1）突破航空涡轮叶片定向凝固技术的关键工艺参数优化问题、冷却单元设计与传热边界条件控制技术、定向凝固过程的抽拉运动系统与热传输的协同控制方法，产品合格率提高一倍以上；（2）突破下一代巨型多向等温模锻装备的高稳定性超低速驱动与控制技术、多向锻压运行协调控制技术，建立大型多向等温模锻装备的应用示范平台，装备的主要指标达到国际先进水平，实现高强模锻件规格和性能的突破，起落架整体模锻件长度达23m、抗疲劳性能提高30%以上；（3）研制出具有过程闭环控制功能的智能化高档数控系统，主要技术指标为：插补周期0.125ms、程序前瞻段数2000，最小分辨率1nm，控制通道8个；在重载多
5、轴车铣复合数控装备上实现飞机起落架的加工验证，飞机起落架加工效率提高30%、产品合格率提高20%。（4）突破高温高强材料复杂曲面零件高效精密加工的关键技术，建立复杂曲面零件的数字化仿真与工艺优化平台，航空发动机整体叶轮的加工效率提高50%以上；（5）突破起落架小批量多品种加工过程中工艺装备工件系统交互作用下误差波动的监测与过程能力综合评估技术，建立加工误差波动消减与工艺能力评估平台，起落架批量加工的一次合格率提高10%以上。（6）突破航空动力传递功能表面微形貌表征与精确创成的关键技术，研制出整体叶轮多轴联动逐点精密抛光原理样机，实现具有特定功能要求的渐变粗糙度形貌加工；加工的航空面齿轮乏油运行
6、时间提高50%以上，工作寿命提高50%以上。本项目研究过程中，拟在国内外重要刊物上发表论文300篇以上，其中SCI和EI收录150篇以上，撰写专著35本，申请专利30余项。形成具有重要国际影响的数字化制造研究队伍，争取1个国家创新团队；涌现出一批优秀中青年人才，包括博士后、博士和硕士100名左右。三、研究方案5.1 学术思路学术思路如图1所示，项目以难加工关键航空零件为研究对象，以极端服役环境对零件的目标物理性能与制造品质及高效率要求为驱动，针对难加工航空零件制造面临的六个方面的技术瓶颈与挑战，即：成形制造目标微观组织性能定向生成及控制、超大惯量多向锻压系统精良驱动、加工过程闭环控制品质优化、
7、复杂曲面零件加工物理过程仿真、加工过程误差波动的监测与消减、性能驱动的功能表面微形貌数字建模与创成，围绕项目所提出的三个关键科学问题，在发展数字化制造理论和方法的层面上，探索难加工航空关键零件制造的新原理和新方法，研发具有自主知识产权的关键数控装备和工艺技术，突破航空发动机涡轮叶片、整体叶轮、飞机起落架和面齿轮等难加工航空零件高效、精密制造技术的瓶颈。图1. 学术思路5.2 技术途径通过理论研究与数字仿真、科学实验相结合的方式，重点突破高温高强航空复杂零件定向凝固与流变成形过程协同控制、高效低损伤多轴数控加工工艺保障、功能表面微形貌特征和表层性态精确数字化创成技术，建立若干关键技术突破的原理样
8、机和实验平台, 为实现高精度、高效率和高品质制造提供技术支撑。 在高温高强航空复杂零件的精密成形制造研究方面，基于极端服役环境对航空关键零件（高温涡轮叶片与起落架）的组织性能（单晶组织和金属流线连续平行分布的变形组织/高强度、耐高温、抗冲击与高可靠性）要求的驱动，通过超常制造条件下零件成形过程多尺度动态建模与仿真分析，揭示零件内部晶体取向演变与金属流线分布规律和实现预定目标微结构的定向形成的能量作用通道和热力学、动力学条件；通过对热成形制造过程制造界面状态、热/力/位移等多要素间的相互作用及关联规律研究，揭示制造过程的失稳/失谐机理，建立与复杂工况或工艺条件高顺应性的补偿与协同方法；在这两方面
9、研究工作的基础上进而提出实现高温涡轮叶片与起落架的定向凝固与连续流变的能场条件、界面状态调控技术和热-力-位移（速度）协同控制原理和方法，从而实现形性协同的高品质制造过程。 在航空关键零件高端多轴数控系统与加工工艺的自主研发方面，以超强异形零件（起落架）和高温高强复杂曲面零件（航空整体叶轮）为研究对象，从难加工零件切削界面物理行为和强激励下多轴数控装备复杂响应与工艺过程动态交互的研究入手，建立难加工材料在非线性时变切削过程中的物理行为仿真模型，研究时变切削力强激励下加工状态的实时辨识、数控装备加工性能预测、加工工艺与机床的动态交互机理以及动态加工误差预测，基于“加工-测量”一体化大闭环质量调控
10、原理实现高质量、高一致性加工；研究复合加工多过程装备运行中工况波动检测、加工误差分析和可靠性评估方法，探索多工序加工过程中质量波动调节的可控参数决策机制，保证小批量多品种加工质量的稳定性。 在功能表面的数字化精密加工方面，以航空整体叶轮和面齿轮复杂曲面零件为对象，从气动性能和乏油干运转性能与功能表面微形貌的映射关系研究入手，综合运用空气动力学、材料学和现代机械设计理论，研究功能表面微形貌和结构纹理的多尺度耦合作用机制与表征模型，构建原理样机和试验平台，探索功能表面微形貌数字化高精高效创成新原理。 在数字化制造理论基础和关键技术平台方面，针对航空发动机涡轮叶片、整体叶轮、飞机起落架和面齿轮等难加
11、工航空零件的数字化制造, 构建关键技术的应用环境，验证本项目所提出的数字化制造新原理与新方法，并在相关航空企业应用。5.3 特色与创新（1）项目特色项目密切结合航空制造业迫切需求，针对制约我国航空关键零件制造的技术瓶颈，通过机械、材料、力学、控制、信息等多学科的交叉，研究难加工航空关键零件数字化制造中跨学科领域的前沿问题，多学科综合交叉是本项目的主要特色。项目研究工作贯穿内部微观组织演变、宏观几何形状生成、表面微形貌创成, 通过多尺度多层次的建模、仿真和实验验证, 建立难加工航空零件数字化制造的基础理论和方法，实现从几何精度驱动数字化制造向物理性能驱动数字化制造的跃升，并在关键技术上取得源头创
12、新成果。项目研究队伍联合了国内高校、飞机发动机制造与重型装备制造的大型企业，主要技术骨干与单位的学科专业覆盖飞机设计制造、材料加工和机械设计制造等领域，队伍知识结构互补，可以最有效的发挥团队优势，提高了项目的定位与技术路线的科学性与可行性。 （2）项目创新点 通过跨尺度多学科联合建模，揭示热成形制造复杂零件微观组织与性能演化的规律，通过研究超常制造条件下多种因素耦合作用机理，探明目标微结构定向形成的能量作用通道及热力学、动力学条件，建立实现定向凝固与连续流变成形制造过程的多要素协同控制原理与方法，建立目标微结构与性能驱动的数字化成形制造新原理。 通过对高强材料零件多轴加工时高能量输入和聚积引发
13、的复杂物理过程的建模和仿真，揭示强激励下数控装备复杂响应与工艺过程的动态交互机理，提出产品质量预测和装备控制品质优化方法，建立基于加工-测量一体化的加工质量数字化监测与反馈控制原理，发展制造质量与效率驱动的数字化制造新原理与新方法。 通过研究表面微形貌、结构纹理及其分布特征的多尺度耦合作用，揭示使役性能驱动下复杂曲面零件表面微观形貌与表层性态的形成机理，建立面向功能表面特定属性的微观形貌表征数字化模型，提出满足预期微观形貌与结构纹理要求的数字化精确创成原理和性能质量预测方法，形成表面功能要求驱动的数字化制造新原理。通过上述三个方面的创新研究工作，建立物理性能驱动的数字化制造理论与方法，推动数字
14、化制造技术向更深的层次发展。5.4 可行性分析“大飞机”和“高档数控机床与基础制造装备”相关重大专项和重大工程的开展对高端航空制造装备和高性能复杂航空零件自主制造技术提出了前所未有的迫切需求，为本项目实施提供了难得的机遇，通过难加工航空零件数字化制造的基础研究，将为我国航空制造的发展提供前沿技术保障。本项目密切结合航空制造业迫切需求，针对制约我国航空零件制造的技术瓶颈，在机械、材料、力学、控制、信息等多学科交叉基础上开展研究，工作贯通微观组织演变、宏观性能生成，通过多角度多层次的研究工作建立难加工航空零件数字制造的基础理论体系，使航空关键零件实现从几何精度驱动数字化制造向物理性能驱动数字化制造
15、的转变。项目组在前期973项目的资助下，对数字化制造关键共性技术的新理论和新方法开展了深入研究，相关理论上的突破和技术上的进展为实现本项目的研究目标提供了坚实的基础，具体分析如下： 前期973项目在大型重载数控机床动态行为与性能演变规律、加工过程物理行为建模与仿真以及多源多工序质量综合评估方面取得了重要的成果。针对重型七轴五联动车铣复合加工机床，研究了多热源及力热耦合作用下动力学精确建模、复杂工况性能演变与控制等关键问题；针对机翼肋板等大型薄壁件、钛合金叶轮的高效加工，提出了复杂曲面五轴加工运动规划、加工过程稳定性分析和加工误差预测方法，形成了丰富的切削数据库；在多源多工序质量综合评估方面，提
16、出了关键质量特征检测、误差源信息获取与处理的新方法，实现多质量特征的优化控制和数控装备服役性能的可靠性评估。这些研究成果为滚动973项目研究“强激励下多轴数控装备复杂响应与工艺过程的动态交互机理”提供了理论基础和技术平台。 前期973项目已经在大型高强锻件成形机理、大型成形装备运行控制方法与铸造过程的多尺度仿真与优化方面取得了丰硕的成果。在锻造基础理论方面，提出了基于承载体间变形协调/刚度匹配的设计方法，大惯量系统快速响应和高动态稳定性的驱动方式与控制策略，为实现重载成形装备功能提升与运行过程的精密控制奠定了基础。在精密铸造方面，提出了整体高温合金叶片的定向凝固组织数学模型及模拟算法，建立了压铸过程中动态处理铸件/铸型界面边界条件的传热模型与铸造镁合金凝固过程的微观组织演化模型，为铸造过程定量优化以及多尺度组织演
