中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

[学位论文] 袁业民大连理工大学 2023年博士导师: 高航共160页

摘要 : 随着航空航天技术进步，高性能曲面零部件制造已经成为国家科技实力的重要标志。这些零件常使用钛合金、镍基合金以及新一代金属基复合材料等难加工材料制成，具有比强度高、低密度、高刚度和耐高温的特点。传统加工方法存在成本高和周期长等问题，限... 展开随着航空航天技术进步，高性能曲面零部件制造已经成为国家科技实力的重要标志。这些零件常使用钛合金、镍基合金以及新一代金属基复合材料等难加工材料制成，具有比强度高、低密度、高刚度和耐高温的特点。传统加工方法存在成本高和周期长等问题，限制了高性能零件的批量生产能力，需要寻求更经济、高效、精准的材料去除加工工艺。磨料水射流（AWJ）是一种将水压增加到100-420MPa，通过高速水射流携带微小的磨粒，形成高能束喷射到工件表面进行撞击、冲蚀和破坏，以完成材料去除的特种加工技术。该技术具有切削力低、无热影响区、不需要模具及加工柔性高等优势，广泛应用于各种难加工材料的制造。目前AWJ加工技术主要应用在二维平面领域，在三维领域特别是曲面加工方面的研究还非常有限。由于曲面零件具有形状复杂、尺寸精度要求高、制造难度大等特点，采用AWJ加工技术依然面临很大挑战。其中，轮廓演变规律和参数协同调控作用是决定加工效果的关键因素；但关于冲蚀能量的空间中分布状态、多步冲蚀轮廓演变过程中粒子作用方式以及曲面加工时参数协同调控对冲蚀能量的影响规律有待揭示。为此，本文在相关国家自然科学基金面上项目、相关GF基础科研项目等的支持下，以提高AWJ曲面加工的应用为目标，开展了AWJ冲蚀轮廓演变规律及参数协同调控曲面加工的研究，主要研究内容和取得的成果包括以下几点：（1）为研究空气、水、磨粒混合机制，分析了AWJ冲蚀场特性，得到了磨粒与高压水汇流过程的能量传递与耗散规律，给出了混合腔内气体混入对冲蚀场能量衰减的作用，并与试验结果对比分析，结果显示冲蚀场仿真能够准确真实直观地描述这一过程。借助DIC-3C高速摄影标定射流发散角，求解空气、水和磨粒在空间任意位置处体积分数，为建立基于能量冲蚀的表面演化模型奠定理论基础；（2）研究了不同参数下AWJ冲蚀能量对通道轮廓的影响趋势，利用Box-Behnken响应面法确定了AWJ冲蚀钛合金时的工艺参数组合，并分析了变量之间的协同调控作用对冲蚀深度的影响规律。从变量扰动结果以及对选定参考点移动时的响应趋势分析，阐明了各加工变量对目标变量的敏感程度，建立了涉及主要加工变量的无量纲冲蚀深度模型，定性定量描述了各加工变量对冲蚀深度的影响比重。从变量指数因子的绝对值角度看，对冲蚀深度影响的比重顺序为水压＞进给速度＞磨料流量＞靶距，所获得的无量纲冲蚀深度模型为后续参数协同调控的选取提供理论依据；（3）利用CFD仿真建模，研究了靶距、冲蚀角度、水压、磨料流量等变量对冲蚀场迟滞区尺寸的影响。提取多步冲蚀通道轮廓，通过欧拉-拉格朗日法对粒子进行离散化，模拟了粒子冲蚀工件的运动状态，量化了发生“二次冲蚀”的粒子数量，以探究迟滞区在粒子运动过程中发挥的关键作用。进一步地，提取多步冲蚀试验轮廓作为CFD仿真初始边界条件，揭示了粒子在法向和倾斜冲蚀过程中的不同运动状态；在此基础上，提出了一个多步冲蚀表面演化模型，利用粒子速度和体积的空间分布状态准确建立了冲蚀效率函数。引入了单步冲蚀轮廓深度校准函数和中心冲蚀深度函数来修正射流不稳定导致的原理性误差。最后，根据粒子在空间任意位置处的冲蚀能量，使用高斯曲面函数进行拟合，建立了多步冲蚀表面演化模型。该模型能够准确地预测多步冲蚀过程中法向和倾斜冲蚀时的轮廓，其平均误差分别为7.6%和11.4%；（4）AWJ进行曲面加工时，现有磨料供给装置存在的“拱顶”、“塌方”和“脉冲式流动”等问题，导致出现“欠冲蚀”、“过冲蚀”、“表面条纹”等缺陷。为消除上述不良特征，研制了实时可调的磨料供给装置，优化了磨料在螺旋结构内部的分布状态，解决了磨料供给过程中出现的不连续、不均匀、易堵塞等问题，提高了磨料供给精度。在此基础上，提出了AWJ大曲率结构加工方法。然后，根据叶片几何形状，提取曲面叶片特征线，构建曲面冲蚀通道轮廓包络面，求解冲蚀角度θ与AC摆角的函数关系。结合多变量协同调控策略，开发出多几何量与物理量协同调控曲面加工的数控程序，同时对机床升级改造，增加B旋转轴，完成了某典型曲面结构特征样件的加工工艺验证试验，为AWJ曲面加工技术提供了可行的工艺方法。收起

关键词 : 磨料水射流计算流体力学表面演化模型曲面加工复合材料

2. KDP晶体可控溶解微纳抛光机理与方法研究

[学位论文] 刘子源大连理工大学 2021年博士导师: 高航共153页

摘要 : 磷酸二氢钾(KDP)晶体凭借其优异的电光特性及非线性光学性能，成为能源和国防等领域高端装备中的关键光学材料，其作用和地位无可替代。然而，KDP晶体具有易潮解、脆性大、硬度低、强各向异性等一系列难加工特性，给其超精密加工带来了极大的挑战，而... 展开磷酸二氢钾(KDP)晶体凭借其优异的电光特性及非线性光学性能，成为能源和国防等领域高端装备中的关键光学材料，其作用和地位无可替代。然而，KDP晶体具有易潮解、脆性大、硬度低、强各向异性等一系列难加工特性，给其超精密加工带来了极大的挑战，而传统机械加工存在的亚表面损伤，严重制约了其激光损伤阈值这一关键使役性能指标的提升。探索KDP晶体的近无损伤超精密加工新技术，成为国内外专家学者研究的热点之一，而作者所在团队提出的基于KDP晶体水溶解特性的微纳潮解超精密加工新原理具有显著优势，并得到了越来越多学者和工程应用部门的认同与重视。本论文在作者所在团队前期研发的基于微乳液的微纳潮解超精密抛光方法基础上，针对晶体的结晶、溶解和生长的特征及原理，首次提出了晶体逆生长概念，指出:所谓的晶体逆生长，从物质输运角度，具有与生长过程高度相似的有序可控特征，不同于自然状态下的无序随机溶解过程。在此基础上，提出了KDP晶体可控溶解微纳抛光机理，通过KDP晶体在欠饱和水溶液中可控溶解及抛光垫的机械协同作用，在不引入污染物前提下实现晶体材料的可控微纳去除加工。为证实KDP晶体可控溶解微纳抛光加工的可行性，试验研究了影响可控溶解材料去除的主要因素，给出了KDP溶液浓度、温度及流动性等参数对KDP晶体可控溶解材料去除效率的影响规律。在上述可行性研究基础上，开展了KDP晶体可控溶解表面平坦化方法研究，针对KDP晶体毛坯表面的宏观加工纹理实施了可控溶解抛光试验，经过4min的可控溶解抛光，去除了KDP晶体表面宽为4.6mm，深为0.2mm的宏观沟槽，沟槽深度减小的平均速率达52.5μm/min。在此基础上，提出了KDP晶体可控溶解表面平坦化机理:抛光前，位于静态抛光液中的KDP晶体表面被高浓度溶液层覆盖，可控溶解受到束缚，因此材料去除率较小;抛光过程中，KDP晶体表面微观轮廓凸峰暴露在高速流动的抛光液中，其附近的高浓度溶液层消失，致使该处晶体材料的可控溶解速率大幅提高，并在抛光垫协助下得以快速去除;相比之下，晶体表面微观轮廓凹谷所处环境闭塞，显著降低了抛光液的流动性及抛光垫的机械作用，使得凹谷附近的高浓度溶液层得以保留，因此凹谷处晶体材料的去除速率远低于凸峰，导致峰谷间距离减小，进而实现表面平坦化。为实现该原理，开展了表面平坦化试验，通过1min的可控溶解抛光，即可实现具有微观纹理和脆性损伤的KDP晶体表面平坦化，加工后的晶体表面粗糙度rms由605.5nm迅速减小至23.9nm，减幅达96％;以上抛光试验结果证实了可控溶解微纳抛光方法对于不同尺度的KDP晶体表面加工形貌具有良好的平坦化效果。通过进一步的试验分析，确认了可控溶解抛光材料去除机制，揭示了抛光垫对可控溶解表面平坦化的协同作用。为阐明工艺条件和工艺参数对KDP晶体可控溶解抛光效果的影响，开展了可控溶解抛光工艺试验研究，以KDP晶体表面质量和抛光工艺稳定性为判别准则，通过对比试验不同类型抛光垫，确定了IC1000型抛光垫最适于可控溶解抛光，试验确认了相同工艺条件下不同晶面的抛光效果相近，表面粗糙度rms和材料去除率的差异分别不大于6.1％和7.2％。在此基础上，研究了可控溶解抛光液的浓度和温度对抛光效果的影响，给出了抛光时间、抛光压力、抛光盘转速等抛光加工参数对KDP晶体表面粗糙度和材料去除率的影响规律;进而提出了一种基于浓度调控策略的可控溶解抛光工艺，通过2min的可控溶解抛光加工，KDP晶体表面粗糙度rms从5702.4nm迅速减小至17.1nm，面形误差由49.8μm减小至4.9μm，材料去除率平均高达51.7μm/min，由此证实了可控溶解抛光是一种效率极高的可控微纳去除加工方法。此外，为改善可控溶解抛光工艺的稳定性与经济性，开展了抛光液性能表征与使用寿命研究，揭示了所研制的可控溶解抛光液易于再生。为进一步提高可控溶解抛光后的KDP晶体表面质量，以期获得纳米级粗糙度的晶体表面，提出了基于超声雾化水膜的KDP晶体可控溶解超精密抛光新方法，即利用超声雾化技术和抛光垫的剐蹭作用在晶体表面制造出水膜，通过改变微水雾供给速率调节水膜的厚度，进而间接控制其转变成的KDP液膜的浓度，触发晶体可控溶解，并在抛光垫的机械作用下实现表面平坦化超精密加工。研制了微水雾抛光加工试验装置。为验证该方法的可行性，开展了基于超声雾化水膜的可控溶解表面平坦化研究。通过试验和分析，给出了基于超声雾化水膜的可控溶解抛光参数对KDP晶体抛光效果影响的规律，制定了基于超声雾化水膜的可控溶解超精密抛光复合工艺，通过对上述可控溶解微纳抛光方法获得的KDP晶体表面进一步采用基于超声雾化水膜的可控溶解超精密抛光加工，表面粗糙度rms能够在7min内减小70.2％，最终达到5.3nm，材料去除率平均可达1.2μm/min，实现了KDP晶体的高质高效超精密加工。可以预见，可控溶解微纳抛光方法与基于超声雾化水膜的可控溶解超精密抛光方法的综合应用，将会是一种适合诸如KDP等水溶性晶体的无机械损伤、无表面污染的高效精密加工新技术，研究成果对于丰富和发展超精密加工理论和技术具有重要的学术价值和工程应用前景。收起

关键词 : 磷酸二氢钾晶体超精密加工可控溶解抛光表面粗糙度材料去除率

3. 粘性挤压磨料流加工边缘效应及抑制策略

[学位论文] 付有志大连理工大学 2018年博士导师: 高航共153页

摘要 : 高端装备制造的关键之一是其高性能零部件的制造，此类零部件多具有复杂曲面结构、难加工材料和极端服役工况等技术需求，其功能表面的表面质量对使役性能和服役寿命影响极其重大。某发动机叶片和大型挤压造粒机螺杆元件为此类零部件的典型代表，在经... 展开高端装备制造的关键之一是其高性能零部件的制造，此类零部件多具有复杂曲面结构、难加工材料和极端服役工况等技术需求，其功能表面的表面质量对使役性能和服役寿命影响极其重大。某发动机叶片和大型挤压造粒机螺杆元件为此类零部件的典型代表，在经过数控铣削或精密铸造等近净成形加工后需要配以合适的光整加工技术提升表面质量以满足其使役性能要求，而手动抛光、振动光饰和数控砂带磨削等技术存在加工效率低，加工可达性较差或成本较高等不足，因此，高效高质且低成本的光整加工技术是缩短此类零部件的研制周期和延长服役寿命的重要保证。磨料流加工是一种将半固着磨料介质往复挤压滑擦复杂表面以提高表面质量的非传统光整加工技术，具有较高的加工可达性，在复杂零部件的光整加工中显露出广阔的应用前景。本论文围绕高性能零件复杂曲面的高效高质光整加工需求，针对磨料流加工边缘效应导致表面加工质量降低的难题，基于粘性磨料介质幂律本构表征，建立了约束流道内磨料介质挤压流场仿真力学模型，揭示了磨料流加工边缘效应的成因，提出了基于模具约束形面和引流段结构反求设计的全表面分区调控削减边缘效应的调控原理与策略，探索了磨料流加工实现精准磨抛的技术途径，通过对某发动机叶片和造粒机螺杆元件样件进行应用试验，验证了该技术的可行性，主要研究内容及结果如下: (1)采用频率扫描法测试了不同组分和使用时间的磨料介质储能模量和耗能模量，根据Cox-Merz定律获得介质稳态剪切粘度，并预测了磨料介质FC024045M的稳态剪切粘度值，建立了磨料介质幂律本构模型，表征了粘性磨料介质的流变特性，为粘性磨料介质挤压流场仿真力学模型提供应力和剪切速率间的关联式; (2)基于连续介质力学假设，结合非牛顿流体基本理论和所建立的磨料介质幂律本构方程，构建了粘性磨料介质挤压流场仿真力学模型;搭建了磨料流加工表面近壁区压力测试平台，对比研究了矩形约束流道内仿真压力和实测压力的对应关系，结果表明所建立的挤压流场仿真力学模型的模拟结果与试验结果吻合较好，说明该模型能够较为准确地模拟磨料流加工约束流道内的流场分布; (3)建立了磨粒群在流场约束下的磨料流加工材料去除分布函数模型，结合流场仿真给出了加工表面近壁区流场p*v分布的计算流程，提出了磨料流加工全表面形貌预测的简化算式，以此为基础，揭示了磨料流加工边缘效应的成因，并阐明了磨料流加工工艺参数对边缘效应的影响规律; (4)根据磨料流加工边缘效应的分布特点，提出了基于模具约束形面和引流段结构分区调控削减边缘效应的策略，以整体叶盘模拟件为研究对象，提出了全表面磨料流均匀化加工的调控方法，通过试验验证，工件表面粗糙度由Ra0.51μm降至Ra0.14μm，且粗糙度均匀性由0.098提升至0.029，边缘和中心抛光纹理一致;此外，研究了表面纹理对磨料流加工特性的影响规律，提出了基于表面多尺度纹理特征的磨料粒度匹配选择方法，以缩短加工时间，进一步削减边缘效应对表面加工质量的影响; (5)利用等截面法测量了某发动机叶片磨料流加工前后的廓形，结合流场仿真和所建立的表面形貌预测计算式，反求设计了实现叶片表面流场均匀分布的模具约束形面和引流段结构，提出了基于颗粒增强环氧树脂混合物的磨料流加工模具复印反求制造新工艺，基于发动机叶片表面多尺度纹理特征分析，并结合试验优选出高效光整加工的工艺参数，试验结果表明:抛光后叶片表面粗糙度由Ra0.81μm降至Ra0.17μm，粗糙度均匀性由0.062提升至0.021;叶盆、叶背、前缘和后缘的最大材料去除量分别由流场调控前的0.068mm、0.098mm、0.12mm和0.29mm降至0.010mm、0.017mm、0.062mm和0.11mm，显著改善了叶片轮廓抛光的均匀性; (6)以大型挤压造粒机的输送螺杆元件为研究对象，结合流场仿真分析了螺杆棱边过抛和进出口欠抛的成因，设计了具有引流段和局部约束增强的螺杆元件磨料流加工专用模具，试验结果表明:抛光后输送螺杆螺槽面平均表面粗糙度由初始Ra10.5μm降至Ra0.45μm，粗糙度均匀性由1.057提升至0.014，螺杆最小直径一致性提高，且相对于企业砂带磨削，抛光效率显著提高。本论文探究工作取得的磨料流加工边缘效应调控理论及其实现方法等成果，不仅成功用于某发动机叶片和造粒机螺杆元件的复杂曲面高效高质光整加工，而且也为相关高性能复杂曲面零件的光整加工提供了一种新的技术途径。收起

关键词 : 磨料流加工边缘效应表面约束抑制策略

4. 碳纤维编织预浸料铺叠预成型表面缺陷视觉检测方法研究

[学位论文] 李论大连理工大学 2022年博士导师: 高航共151页

摘要 : 碳纤维编织预浸料是制造先进复合材料结构件的主要中间材料，兼具碳材料的高强性能和纤维材料的柔软可加工性两大特点，广泛应用在汽车、体育、风电、军工和航空航天领域。碳纤维制品的制造需要经过多道工序，如铺叠预成型、固化成型、精加工、清洗、... 展开碳纤维编织预浸料是制造先进复合材料结构件的主要中间材料，兼具碳材料的高强性能和纤维材料的柔软可加工性两大特点，广泛应用在汽车、体育、风电、军工和航空航天领域。碳纤维制品的制造需要经过多道工序，如铺叠预成型、固化成型、精加工、清洗、涂胶和装配检测等。预浸料在铺叠预成型后易出现鼓包和褶皱缺陷，这些表面缺陷如果不及时处理，会严重影响成品的质量和可靠性。目前常用的无损检测手段大多应用在最后的工序，针对成品质量进行缺陷检测，具有明显的滞后性。因此研究碳纤维编织预浸料铺叠预成型表面缺陷检测方法，对于保障碳纤维制品质量、优化制品的制造工艺具有重要意义。本文针对现有碳纤维预浸料表面缺陷检测手段在表面结构、测量精度、缺陷轮廓等方面存在的局限，利用视觉检测的大范围快速测量能力和在受限空间内的非接触精准测量优势，提出了表面缺陷视觉检测方法。针对编织预浸料表面结构最为基础和稳定的三原组织（平纹、斜纹和缎纹），从高质量图像获取、表面结构识别和表面缺陷快速检测三个方面出发，提出了表面结构和缺陷的成像光路方法，设计基于还原意匠图思想的纹理识别算法，研究了表面缺陷快速识别、定位和三维重构方法。最后，设计并搭建视觉检测系统，对以上方法进行验证和应用，并提出表面质量评价方法，探讨鼓包和褶皱缺陷对铺叠预成型工艺及成品构件质量的影响。具体研究内容如下： (1)碳纤维编织预浸料铺叠预成型后的表面形貌复杂多样，所以高品质图像采集对于提升缺陷检测精度至关重要。为此，开展了碳纤维编织预浸料高质量图像获取方法研究。首先，对预浸料表面纹理进行量化表征，分析了编织纹理的几何结构，建立了织物表面光能传递的物理模型，揭示了铺叠预成型过程中表面缺陷的成因。其次，提出了通过单目相机应用不同的成像手段来采集预浸料表面图像的方法：应用暗场、低角度、线性对称光来捕获表面结构特征，光度立体法来提取缺陷图像的深度信息；进而通过优化后的张氏标定法和近场面光源模型来标定相机和光源参数。最后搭建了机器视觉测试系统，并对标定精度和成像品质开展了验证试验，结果表明：标定图像的像素误差浮动平稳，光源坐标参数不易受到外界因素干扰，定位平均相对误差为1.78%，采集图像的纹理特征、均匀性和对比度的参数效果可观。 (2)表面结构是区分预浸料表面有无缺陷的重要特征，系统需要以完整的表面结构为依据来检测预浸料表面是否存在缺陷。因此，提出了碳纤维编织预浸料的表面结构识别方法。在图像增强方面，提出通过灰度变换、形态学处理和方向可调滤波的三种表面结构特征增强方法来减少噪声信号，进而提高图像纹理特征的对比度；然后进行经纬纱线密度的检测，应用离散傅里叶变换提取灰度积分投影信号的最大幅值点对应的频率来估计纱线的密度；最后，提出了织物图像逆向还原意匠图从而识别表面结构的思想，设计了还原意匠图的纹理识别算法，应用Python-OpenCV框架对算法进行了实现，使用750张三原组织结构图像进行算法验证，并与其他编织物表面结构识别方法进行比较，本文方法综合识别率（96.53%）最高。 (3)针对碳纤维编织预浸料在铺叠预成型后表面出现的鼓包和褶皱缺陷，提出了碳纤维编织预浸料表面缺陷快速检测方法。首先将意匠图矩阵OACD(theoriginalmatrixofartisticconceptiondrawing)通过测量指标规则转换成精度矩阵MACC(theaccuracymatrix)来进行缺陷的快速识别，应用K-means聚类方法对缺陷类型进行分类；其次利用线性判别分析来提取可以标识缺陷的分割阈值，提出了缺陷中心的快速定位方法；最后提出通过多视图的光度立体三维重建方法对缺陷形貌进行三维重构，为了提高计算效率，采用金字塔法进行积分，通过多次迭代的小规模计算来精确地还原出缺陷深度图，实现了碳纤维编织预浸料表面缺陷的定性归类和定量评价。基于以上方法研究，结合铺叠预成型工艺，搭建了碳纤维编织预浸料表面缺陷的视觉检测系统，与现场自动铺叠装备协调配合采集了9种形貌类型的图像各150张来开展表面结构和缺陷检测的测试实验。实验结果表明：在表面结构的检测试验中，经纬纱线密度自动检测的平均误差率为1.25%，表面纹理的综合识别率为95.48%；在表面缺陷的检测试验中，预浸料表面缺陷类型的识别率为95.00%，算法平均识别速度为137ms，重构缺陷形貌的宽度和深度等细节信息在允许的偏差范围内，表明了碳纤维编织预浸料表面缺陷检测方法的有效性和准确性，最后对预浸料表面质量进行评价，探讨鼓包和褶皱缺陷对铺叠预成型工艺和成品构件质量的影响，本文研究工作为铺叠预成型工艺的制品质量提升提供了重要参考。收起

关键词 : 碳纤维编织预浸料铺叠预成型机器视觉缺陷检测图像处理

5. 基于水溶解原理的KDP晶体超精密数控抛光方法

[学位论文] 王旭大连理工大学 2017年博士导师: 高航共148页

摘要 : KDP晶体（磷酸二氢钾单晶）具有优秀的电光性能，是目前唯一能够满足惯性约束核聚变工程中高功率激光系统对变频元件性能要求的非线性晶体材料，但是KDP晶体硬度低、脆性大、各向异性强、抗热冲击能力差、可溶于水，现有的单点金刚石飞切加工工艺虽然... 展开 KDP晶体（磷酸二氢钾单晶）具有优秀的电光性能，是目前唯一能够满足惯性约束核聚变工程中高功率激光系统对变频元件性能要求的非线性晶体材料，但是KDP晶体硬度低、脆性大、各向异性强、抗热冲击能力差、可溶于水，现有的单点金刚石飞切加工工艺虽然已经成为国内外主流采用的超精密加工手段，但是其固有的飞切加工纹理和加工损伤阻碍其使役性能的进一步提高，如何消减飞切纹理，实现近无机械损伤的高表面完整性和超精密加工是面临的技术挑战和亟待解决的工程难题。国内外研究人员尝试采用超精密磨削、磁流变抛光和离子束抛光等技术手段加工KDP晶体元件取得了一定效果，但是其加工难题仍未能完全解决，这也是制约中国相关工程建设的瓶颈之一。基于KDP晶体水溶性特点发明的无磨料水溶解抛光方法是本项目课题组提出的一种KDP晶体超精密加工新原理，并且采用环抛方式在小尺寸(18mm×18mm)KDP晶体上取得了显著的超精密加工结果。本文在该研究的基础上，针对大尺寸KDP晶体超精密加工迫切需求，应用计算机控制光学表面成形技术(Computer Controlled Optical Surfacing，CCOS)，开展了基于水溶解原理的KDP晶体超精密数控抛光新方法研究，探索大尺寸KDP晶体元件超精密加工制造难题解决的新途径。本文首先通过系统深入的试验研究，揭示了基于水溶解原理的KDP晶体抛光过程材料的“机械-水溶解交互协同作用”去除机理，确认了软质抛光垫单一的机械作用几乎不会引起材料去除，且在抛光区域内处于稳定状态“油包水”结构的抛光液，亦不会形成有效的材料去除，只有在抛光区域内抛光垫与晶体表面粗糙峰接触处，在抛光垫机械摩擦作用下“油包水”结构破裂引起KDP晶体局部微溶解，才能够对表面粗糙峰进行选择性去除。在此基础上，以测量得到的晶体表面各点高度为目标去除量，通过计算机预设小尺寸工具的运动轨迹及其在晶体表面各区域的驻留时间，精确控制机械-水溶解交互协同作用的发生，实现了晶体表面的定域定量微纳去除。创新提出了基于水溶解原理的KDP晶体超精密数控抛光方法，建立了能够精确控制小尺寸抛光头运动轨迹的KDP晶体数控超精密抛光试验系统。为获得基于水溶解原理的KDP晶体超精密数控抛光方法的最佳效果，揭示了“油包水”型抛光液在不同条件下对KDP晶体的静态刻蚀特性，确定了气-掖界面处的溶解情况恶化的临界含水量为ω*，进一步的实验结果表明:当抛光液中含水量小于ω*时，抛光液长时间接触KDP晶体也不会对其表面质量造成较大影响;温度的升高会造成抛光液中“油包水”体系稳定性下降，使原本性能稳定的抛光液破坏晶体表面。基于Preston方程创建了KDP晶体水溶解抛光材料去除函数模型，试验确定了抛光区域温度变化、抛光液含水量、转速、抛光压强、抛光自转公转方向等因素在去除函数方程中的影响系数，给出了被加工表面各点驻留时间函数算法和小抛光头水溶解超精密抛光流程，试验证明了所建立的材料去除函数的稳定性。在此基础上，分析比较了栅格、螺旋线、Hilbert曲线三种抛光轨迹的特点和加工效果，综合考虑数控系统调速的便捷性，优选采用栅格轨迹规划对KDP晶体样件进行加工，试验给出了能够获得最低表面粗糙度的抛光工艺参数组合。针对国家相关重大工程项目中大尺寸KDP晶体单点金刚石飞切后表面残余小尺度刀纹去除难题，应用本文研究的方法，成功消减了50mm×50mm的KDP晶体和DKDP晶体样件表面的飞切刀纹，样件表面粗糙度分别由6.974nm、8.661nm大幅降至1.790nm和1.929nm，小尺度飞切刀纹被完全去除，且有效消减了飞切加工表面小尺度刀纹引起的中高频误差;100mm×100mm样件抛光后的表面中心区域90％（有效口径）面形PV(Peak to Valley)值由最初的9.062λ降至0.290λ。上述研究成果为后续开展面向工程的全口径大尺寸样件超精密抛光奠定了坚实的技术基础，也为其它可溶性晶体材料的超精密加工提供了一种全新的技术途径。收起

关键词 : 磷酸二氢钾单晶晶体数控抛光光学表面成形水溶性特点

6. 铝基复合材料小孔低损伤加工方法的研究

[学位论文] 卢守相大连理工大学 2020年博士导师: 高航共145页

摘要 : 铝基复合材料因具有高比强度和比刚度、低线膨胀系数和高热导率等优良特性，在精密仪器、光学系统、电子封装等领域的结构和功能零部件上得到越来越广泛的应用。由于增强相SiC颗粒与铝合金基体的物理、力学性质相差巨大，在加工过程中极易出现界面脱粘... 展开铝基复合材料因具有高比强度和比刚度、低线膨胀系数和高热导率等优良特性，在精密仪器、光学系统、电子封装等领域的结构和功能零部件上得到越来越广泛的应用。由于增强相SiC颗粒与铝合金基体的物理、力学性质相差巨大，在加工过程中极易出现界面脱粘、SiC颗粒断裂，诱发加工损伤的形成，SiC颗粒的高硬度还会导致刀具的严重磨损。尤其对于小直径光孔或螺纹孔，孔口位置极易出现不可修复的崩边损伤，钻头和丝锥极易发生断裂，甚至卡在孔内无法取出，造成工件报废。铝基复合材料制孔损伤问题已经成为制约其工程应用的技术瓶颈，影响了关键型号产品的研发进度。国内外学者在复合材料加工技术方面开展了大量的研究，但对铝基复合材料制孔损伤机理的研究仍不够深入，对于小直径光孔、螺纹孔的高质高效加工仍缺乏有效的加工工艺方法。本文以对铝基复合材料钻孔损伤形成机理的研究为切入点，在理解损伤机理及其影响因素作用规律的基础上，提出了采用磨削加工方法抑制孔口崩边损伤的策略，采用超声振动辅助磨削制孔方法实现了小孔低损伤高效加工，在此基础上提出采用螺旋铣磨方法加工内螺纹，研制出微小螺纹螺旋铣磨刀具，成功解决了国家相关工程急需的小直径光孔和小螺纹孔加工的棘手难题。论文主要研究内容和取得的成果如下: (1)在铝基复合材料钻孔损伤形成机理方面，通过对钻孔损伤典型特征的观察，提出了综合考虑崩边直径比、崩边高度比和崩边体积比的钻孔损伤评价方法，采用摄影观察法和显微观察法对铝基复合材料钻孔出口损伤形成过程的材料变形行为进行研究，并且试验研究了影响崩边损伤的重要因素及其对崩边损伤的影响规律，结果表明:崩边损伤形成过程中材料的变形可分为稳定切削、横刃挤压、弯曲变形、裂纹扩展以及损伤形成五个阶段，孔口剩余材料支撑刚度不足，发生弯曲变形，在主副切削刃交点与工件底面弯曲点之间形成负剪切面，负剪切面附近裂纹扩展形成崩边损伤;轴向力、钻孔温度的升高和刀具磨损的加剧都会使崩边损伤更为严重。 (2)在深刻理解铝基复合材料钻孔损伤机理的基础上，提出了采用磨削制孔方法解决小孔加工时刀具易断和损伤严重的问题，开展了单颗磨粒划切试验以揭示铝基复合材料磨削加工机理，建立了磨削制孔的单颗磨粒未变形切屑截面模型和磨削力模型，结果表明:铝基复合材料的单颗磨粒宏观去除过程更接近于金属材料，在单颗磨粒划切过程中，存在基体的塑性变形、SiC颗粒的断裂和脱粘以及磨粒与工件材料的摩擦;铝基复合材料的磨削力包括塑性变形抗力、摩擦力和颗粒断裂与脱粘抗力，其中摩擦力对磨削制孔轴向力和扭矩的贡献最大，而摩擦力的热效应对刀具寿命和加工损伤都有不利影响。 (3)为解决普通磨削制孔加工效率低和刀具磨损的问题，引入超声振动，理论分析了超声振动对磨粒切入切出过程的影响，试验研究了加工参数对铝基复合材料小孔超声振动辅助磨削轴向力的影响，并以Φ2mm小孔为例开展了加工工艺试验，结果表明:降低磨削制孔的未变形切屑厚度，增大超声振幅有利于降低轴向力，但振幅过大时轴向力不降反升，存在最优振幅使轴向力最小，本文加工参数范围内最优振幅接近7.25μm;采用超声振动辅助磨削制孔方法加工铝基复合材料Φ2mm小孔，与普通磨削制孔相比，轴向力降低了56.8％～83.2％，加工效率提高了5倍以上，加工44个孔后仍能保持较低的制孔损伤，验证了该方法的可行性。 (4)针对铝基复合材料小孔螺纹加工难题，提出了螺旋铣磨螺纹的工艺方法，建立了螺旋铣磨方法的原理误差数学模型，并对影响原理误差的各个因素进行了分析。基于原理误差模型，优选螺纹加工刀具参数，研制出专用刀具，以M2螺纹为例进行了加工试验，对螺纹加工表面质量、螺纹形状精度以及刀具磨损进行了分析，成功加工出螺纹中径误差0.08％、角度误差0.3％、精度等级H4的高精度螺纹，验证了该方法的可行性。论文研究工作和取得的成果不仅揭示了铝基复合材料制孔损伤的形成机理及其影响因素的作用规律，发展了颗粒增强金属基复合材料低损伤加工技术，而且成功解决了铝基复合材料小孔和小螺纹孔的加工难题，为国家相关重点工程型号产品中涉及的铝基复合材料精密高效加工提供了可靠的工艺手段。收起

关键词 : 铝基复合材料孔加工损伤机理超声振动

7. 大厚度难加工材料复杂曲面磨料水射流控形加工方法的研究

[学位论文] 陈建锋大连理工大学 2023年博士导师: 高航共144页

摘要 : 整体叶盘、叶轮等复杂曲面零件作为航空发动机高性能动力传递的关键组件，多服役于高速、高压、高温等复杂环境和工况条件，这些零件具有结构复杂、材料难加工、加工精度高等特点，其加工技术对于提升高端装备性能的影响至关重要。传统技术具有加工成... 展开整体叶盘、叶轮等复杂曲面零件作为航空发动机高性能动力传递的关键组件，多服役于高速、高压、高温等复杂环境和工况条件，这些零件具有结构复杂、材料难加工、加工精度高等特点，其加工技术对于提升高端装备性能的影响至关重要。传统技术具有加工成本高、加工效率低等缺点，是制约零件加工难点。因此，如何降低发动机整体叶盘和叶轮类零件的制造成本和生产周期，成为航空发动机制造技术亟待解决的关键难题之一。磨料水射流加工技术具有低成本、高效率和冷态加工等独特的技术优势，目前主要在切割、车削、铣削等二维简单的薄材料方面应用。若实现磨料水射流控形加工大余量难加工材料复杂曲面，使得该加工技术在低成本、高效的广泛应用。然而，对于整体叶盘等零件多为开敞性受限的强几何干涉复杂曲面零件且加工厚度大，如何实现大厚度尺寸的曲面磨料水射流加工面临挑战，国内外对此研究尚不多见。为此本研究面向航空整体叶盘高效控形加工的技术需求，结合国家自然科学基金重点项目，提出了几何量与物理量协同调控的磨料水射流加工复杂曲面过程中材料去除率保持恒定的加工策略，从而实现磨料水射流加工大厚度难加工材料复杂曲面零件，主要研究工作和取得的结论如下所述：（1）为解决大厚度曲面零件加工质量难以控制问题，通过射流加工过程中切缝形状的定量模型，考虑到不同加工参数对冲蚀效果的影响，建立了基于切缝形状服从高斯分布的冲蚀轮廓模型，获得了高压磨料水射流沿加工切缝厚度方向的材料去除演变规律。得到了不同加工参数条件下的磨料水射流极限加工深度模型，分析了加工参数对切缝几何形状和尺寸特征的影响规律。研究结果表明，射流沿材料切缝方向能量衰减导致磨料颗粒沿着切缝壁的斜率发生变化，进而改变切缝几何形状，但对射流切缝宽度的影响较小。在此基础上，进一步采用高斯分布的切缝轮廓，建立了包括加工参数和力学性能的有效加工深度模型，实验验证了模型的有效性，为大厚度零件在较大加工深度条件下具有上下均匀且良好的加工质量提供理论方法和技术支持。（2）构建磨料水射流加工过程中高速摄影观测实验系统，研究不同加工参数对后拖量影响规律，分析了射流加工过程中射流变形所引起的后拖量对工件加工轮廓精度和形状的影响规律，揭示了不同加工参数对不同厚度难加工材料后拖量的影响机制。考虑到后拖量的抑制有助于提高加工精度，研究采用多次走刀实验方法记录射流偏滞的变化，建立了不同加工参数及加工厚度条件下的后拖量预测模型。研究结果表明：该预测模型能够有效预测不同加工参数及加工厚度条件下的后拖量，并通过分析不同加工参数和加工深度变化趋势，优化加工参数；多次走刀能够提高加工能力、减少表面上部的能量损失，从而改善表面质量的同时减少加工时间。（3）针对复杂曲面拐角加工过程中的“过切”问题，提出三次B样条曲线对拐角光顺算法。基于满足三次连续条件下，构建磨料水射流加工拐角过程中在工件坐标系下聚焦管插值点和方向向量，在此基础上，允许设定误差条件下进行聚焦管插值点和方向向量的同步。通过调整聚焦管运动学策略，实现在聚焦管位置和方向向量运动约束下平移坐标和旋转角度坐标点、速度和加速度的优化；结合数值模拟和实验分析了三次B样条曲线优化前后方向向量和位置坐标点速度和加速度变化规律，以改善磨料水射流加工过程中速度突变引起材料去除率变化。通过对钛合金Ti-6Al-4V进行实验验证，结果表明了采用三次B样条曲线优化算法，解决了拐角加工过程中“过切”问题，并减少了各个驱动轴的跟踪误差，为磨料水射流加工复杂曲面的拐角光顺提供了有效的解决方案。（4）研制磨料水射流加工过程中磨料供给精准实时调控装置，提出几何量（传统设备的位移参变量）与物理量（磨料流量供给量）协同调控的磨料水射流加工复杂曲面的加工策略。分析了基于路径规划中A/C角度变化对实际加工深度几何形貌均匀影响规律，在此基础上，从满足控形加工过程中恒定的材料去除率需求出发，采用物理量调控策略，进行补偿控形加工过程中射流能量变化，从而获得磨料水射流加工复杂曲面加工路径和加工参数，验证该加工工艺的有效性，为加工大厚度轮廓形状均匀性提供了理论依据。综上所述，结合航空某典型整体叶盘开粗加工需求，提出了针对大厚度难加工材料复杂曲面零件的磨料水射流加工工艺流程策略，进行大厚度难加工材料的整体叶盘开粗加工实验验证，成功加工出沿着叶片几何形貌均匀的航空整体叶盘磨料水射流开粗原理样件，为国家重大航空装备关键复杂曲面零件的制造和高效加工技术提供理论方法和技术支撑。收起

关键词 : 磨料水射流控形加工大厚度材料复杂曲面数值模拟

8. KDP晶体水溶解抛光表面残留物分析及清洗方法

[学位论文] 陈玉川大连理工大学 2019年博士导师: 高航共144页

摘要 : 具有优良电光非线性特性的磷酸二氢钾(KH2P04，KDP)晶体，在大功率激光器特别是惯性约束核聚变中具有不可替代的作用。然而鉴于KDP晶体软脆、各向异性、极易潮解、对温度敏感等特点，同时工程应用上对其极高精度(面型精度PV≤λ/6，表面粗糙度RMS≤5n... 展开具有优良电光非线性特性的磷酸二氢钾(KH2P04，KDP)晶体，在大功率激光器特别是惯性约束核聚变中具有不可替代的作用。然而鉴于KDP晶体软脆、各向异性、极易潮解、对温度敏感等特点，同时工程应用上对其极高精度(面型精度PV≤λ/6，表面粗糙度RMS≤5nm)、高表面完整性(无损伤、无污染)和使役性能(激光损伤阈值LIDT≥15J/cm2)的要求，对于大尺寸KDP晶体表面超精密加工及其表面完整性的研究一直是国内外的热点。先前学者研究的重心主要集中在KDP晶体的可加工性方面，通过采用先进的光学制造技术，目前已能够获得超精密、近无损伤的光学表面。然而，加工后的表面污染和运输贮藏过程中的二次污染问题已经成为制约这些先进光学制造技术加工出的超精密光学元件通向工程化应用的关键环节，因此，超精密加工后光学表面的残留物污染问题不容忽视。本研究团队前期在水溶解超精密抛光KDP晶体方面开展了大量的工作，已能够获得低损伤高质量的光学表面，但还没有对该方法加工后晶体的表面残留物污染问题进行研究。基于此，本论文针对新型的水溶解超精密抛光方法加工后的超光滑KDP晶体开展了表面残留物分析及清洗方法的研究，主要内容和结论如下: 本文首先分析了水溶解超精密抛光后KDP晶体的表面残留物对加工后晶体表面质量、光学透过率、激光损伤阈值以及后续镀膜膜层的影响。表面残留物覆盖在已加工晶体超光滑表面引起表面形貌参数改变，使得仪器测量的表面粗糙度RMS和表面峰谷值PV均有增加，这会引起光散射，降低晶体的光学透过率;表面残留物可使KDP晶体对紫外至红外光波段的光学透过率降低8％-10％;表面残留物能够降低已加工晶体的激光损伤阈值，特别是损伤阈值的稳定性，降幅达到了89％;表面残留物能够与KDP晶体后续喷涂的防潮膜层中的甲基硅氧烷成分发生化学反应，破坏薄膜的完整性和致密性，引起晶体潮解和损伤。水溶解超精密抛光后KDP晶体表面残留物的这些影响严重阻碍了晶体后续的工程应用，必须将其去除。通过研究水溶解超精密抛光KDP晶体这一机械物理交互过程，确认了抛光区域内晶体材料不与抛光液中的化学组分发生反应变化，从而揭示了抛光表面残留物的形成机理，是抛光液中的水分溶解晶体材料和抛光液中化学物质混合形成的液体:观察抛光后KDP晶体表面有机残留物的状态，发现其具有强烈的疏水性，以液膜和液珠形式随机分布在晶体表面，使用红外光谱仪分析得到残留物的化学成分包含苯环、醚键、甲基、亚甲基和羟基等化学基团;进一步分析得到表面残留物在KDP晶体超光滑表面的吸附主要是物理吸附和弱化学作用吸附，吸附机理是表面残留物成分分子与KDP晶体表面分子之间存在色散力、诱导力和氢键作用。根据分子间吸附模型，计算了不同含水量抛光液和表面残留物在晶体表面的润湿功，确定了残留物性质及所处的状态;提出了基于相似相溶原理的表面残留物清洗方法，根据KDP晶体具有亲水易潮解的特性，选择了非水基且不具有亲水性的清洗溶剂，考虑到克服残留物成分分子和晶体表面之间的氢键作用，在清洗溶剂中加入短链醇作为清洗助剂，提升清洗效果，同时引入超声波的空化作用来增强清洗力，实现对表面残留物的精密清洗;研制了专用的清洗液，并对清洗液的溶解性能、表面张力特性、润湿特性和挥发性能进行了表征;开展了小尺寸样件的清洗试验，通过红外光谱分析和原子力显微镜观察，证明了研制的专用清洗液性质优于其他的清洗液，能够完全去除KDP晶体水溶解超精密加工后表面的残留物且不发生材料侵蚀和清洗残留，露出抛光后的高质量表面，获得良好的清洗效果。研制了针对水溶解超精密抛光后KDP晶体的专用多工位超声喷淋清洗装置，能够实现被清洗工件的上料、超声清洗、喷淋清洗和烘干下料四工位的自动清洗过程。提出了目视法结合表面质量参数指标的清洗效果评价方法，在100×100mm2尺寸的样件上进行了清洗试验，研究了工艺参数对清洗效果的影响，并以此制定了最优的清洗工艺:在超声清洗功率为400W，超声清洗时间为5min，喷淋清洗压强为0.1MP，喷淋清洗时间为3min，清洗温度为25-30℃，烘干时间大于10min的条件下，能够去除KDP晶体表面水溶解超精密抛光后的残留物，露出高质量的原始表面(RMS2.185nm，PV16.097nm)，获得最佳清洗效果。收起

关键词 : 磷酸二氢钾晶体水溶解超精密抛光表面残留物清洗技术

9. 虑及填隙装配的CFRP构件螺接性能研究

[学位论文] 杨宇星大连理工大学 2019年博士导师: 高航共141页

摘要 : 碳纤维增强复合材料(CFRP)因具有轻质高强的优良特性而成为当前飞行器制造的优选材料之一，中国C919飞机的复合材料用量达12％，美国波音787和欧洲空客A350XWB的复合材料用量均超过50％。以CFRP为代表的先进复合材料的使用比例已经成为衡量高端设备制... 展开碳纤维增强复合材料(CFRP)因具有轻质高强的优良特性而成为当前飞行器制造的优选材料之一，中国C919飞机的复合材料用量达12％，美国波音787和欧洲空客A350XWB的复合材料用量均超过50％。以CFRP为代表的先进复合材料的使用比例已经成为衡量高端设备制造水平的重要指标。我国的复合材料核心制造技术仍与世界先进水平存在差距，经过多年的攻坚克难，我国积累了一定的复合材料连接基础理论和装配技术，但在影响因素错综复杂的虑及制造变形的复合材料构件高性能连接装配研究方面，相关理论方法和关键技术仍需进一步深入研究。同时，当前航空CFRP构件仍主要采用分离制备再连接装配的制造方式，构件制造过程中的各类误差不断累积，导致两个构件在装配界面处形成装配间隙，致使连接质量难以保证。因此，如何实现含装配间隙的复合材料构件高性能连接装配是我国航空复合材料构件制造面临的重大挑战之一。本论文针对C919飞机制造过程中对含装配间隙的CFRP构件高性能连接装配技术的迫切需求，开展了CFRP构件螺接性能研究，采用解析方法和有限元方法建立了虑及填隙装配的CFRP螺接性能分析模型，揭示了装配间隙对CFRP螺接性能的影响机理，同时提出了一种采用混合填隙垫片提高CFRP构件螺接性能的填隙新工艺，有效克服了传统液体垫片和固体垫片的性能局限性。本论文的主要研究成果如下: (1)针对含装配间隙的CFRP构件螺接性能高精高效计算需求，建立了CFRP螺接性能分析模型，包括基于弹簧-质点模型的单钉/多钉单剪刚度解析模型、基于夹心结构弯曲变形计算方法的复合材料接头三点弯曲刚度解析模型，以及基于渐进损伤模型的螺接结构有限元模型。上述模型为CFRP螺接性能的工程计算提供了可行方法。 (2)应用螺接性能分析模型揭示了装配间隙对CFRP构件螺接性能的影响规律:当装配间隙半径接近高剪切应力边界半径时，装配间隙会显著降低摩擦刚度;当装配间隙半径超过高剪切应力边界半径，摩擦刚度降为零，螺栓刚度随装配间隙增大而降低。 (3)分析了不同填隙垫片材料以及填隙百分比对螺接性能的影响规律，提出了一种旨在提高含装配间隙CFRP构件螺接性能的玻璃纤维树脂叠层混合垫片填隙新工艺，形成了适用于含装配间隙的CFRP构件装配过程的填隙垫片选用工艺准则，研究成果成功应用于某航空复合材料机翼盒段验证件的装配。本论文研究成果为解决含装配间隙复合材料构件螺接性能计算难题提供了可行方法，为我国大型航空复合材料构件高性能连接装配技术的进步起到了促进作用。收起

关键词 : 碳纤维增强复合材料构件螺接性能填隙装配飞机制造

10. 切削力和热对C/E复合材料制孔损伤的影响机理

[学位论文] 王奔大连理工大学 2014年博士导师: 高航共137页

摘要 : 碳纤维/树脂基复合材料（简称:C/E复合材料），因其高比模量、高比强度特性和优越的可设计性、抗疲劳性、抗腐蚀性以及较高的减重效率，在运载火箭、导弹、飞机等航空航天领域高端装备中得到快速推广应用，其应用比例已经成为航空航天飞行器先进性的重... 展开碳纤维/树脂基复合材料（简称:C/E复合材料），因其高比模量、高比强度特性和优越的可设计性、抗疲劳性、抗腐蚀性以及较高的减重效率，在运载火箭、导弹、飞机等航空航天领域高端装备中得到快速推广应用，其应用比例已经成为航空航天飞行器先进性的重要标志之一。大型C/E复合材料构件上有众多的装配连接孔、异型窗口以及轮廓边缘等需要机械加工。然而由于C/E复合材料独特的层合结构、各向异性等特点及树脂基体对切削热的高敏感性，导致加工过程极易产生无法修复的毛刺、撕裂和分层等多形态、多尺度加工损伤，给高端空天装备的高可靠长寿命使役带来极大的安全隐患。C/E复合材料的高质高效加工技术，不仅是国内外研究的热点，也是制造领域公认的难题之一。随着复合材料在航空航天产品中的应用日益增多和对C/E复合材料构件加工质量与效率的要求不断提高，现有的以手工作业为主的加工方式，严重制约了我国重点工程型号产品的研制进度和量产能力，成为航空航天和国防等领域中亟待解决的技术瓶颈。本文以制孔加工为主要对象，系统研究C/E复合材料损伤产生机理、加工工具及工艺等问题，以期推动C/E复合材料的低损伤高效加工技术。针对C/E复合材料切削过程中难以保证加工质量的技术问题，以材料破坏的物理基础为出发点，分别从材料各向异性、刀具切削角度及刀具与材料之间的摩擦作用三个方面对切削过程中材料在加工区域的力学行为开展了理论分析与试验研究。结果表明当纤维方向角为45°及90°时，加工质量较好;当纤维方向角为135°及0°时，容易产生纤维未被完全去除而形成毛刺的现象。当刀具切削角度为负前角或零度角时，有利于纤维被有效去除;当刀具切削角度为正前角时，容易产生较明显的毛刺现象。碳纤维在刀具的作用下产生弯曲变形，进而在拉应力一侧产生断裂是导致材料破坏的主要原因。不同材料刀具与C/E复合材料之间的摩擦作用存在差异，且聚晶金刚石及单晶金刚石与C/E复合材料之间的摩擦系数小于硬质合金与C/E复合材料之间的摩擦系数。 C/E复合材料加工损伤产生机理的研究是实现C/E复合材料构件高质量加工的理论基础及必要前提。通过对材料热力学性能及制孔过程中轴向力变化趋势的分析，提出切削力和切削热均可显著影响C/E复合材料的制孔质量，其中切削热对制孔损伤的影响存在两个不同的阶段。当切削温度低于材料树脂基体的玻璃化温度时，切削热对材料加工损伤的影响不明显;当切削温度高于材料树脂基体的玻璃化温度时，材料的力学性能急剧衰变，产生损伤的应力阈值也急剧下降，因而较小的轴向力作用即可产生较严重的分层、撕裂等加工损伤。此外，单层C/E复合材料钻削试验结果表明，材料性能可显著影响制孔质量，当材料的层间拉伸强度较大时，通常采用传统的加工方法也可得到较理想的加工质量。针对传统高速钢或硬质合金麻花钻加工C/E复合材料时加工损伤难以避免的问题，试验研究了不同材料刀具及不同结构刀具对C/E复合材料制孔过程中切削力及切削热的影响。结果表明刀具材料可显著影响制孔时的切削温度，而刀具结构对轴向力的影响较大。与传统硬质合金刀具相比，金刚石涂层刀具加工时的温度降低了40.3％，PCD刀具加工时的温度降低了52.6％。与传统麻花钻相比，套料工具制孔时的轴向力降低了70％，这主要由于套料工具有效减少了制孔过程中刀具对材料的推挤作用。另外，以某航空C/E复合材料构件为例，验证了金刚石类刀具的使用性能。 C/E复合材料的材料特性及干切削的特殊加工要求使得传统的钻削加工工艺难以满足其构件的高质量加工要求，为此分别研究了螺旋铣削制孔及低温气体冷却辅助制孔过程中的切削力、切削热及加工质量。螺旋铣削的试验结果表明，螺旋铣削制孔时的轴向力与传统钻削时的轴向力差异较小，但温度较传统钻削时降低69℃以上，降幅大于36％。采用低温气体冷却辅助加工，结合套料加工工具，可以大幅度的降低加工区域的温度;尤其是内部冷却方式，相对于无冷却方式时温度降低了162.3℃，降幅达到约61.3％。同时，以某航天C/E复合材料构件为例，验证了气体冷却方法在实际加工过程中的可行性。收起

关键词 : C/E复合材料切削力切削热制孔损伤摩擦系数