【正文】 項(xiàng)目名稱： 難加工航空零件的數(shù)字化制造基礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 丁漢 華中科技大學(xué) 起止年限： 至 依托部門： 教育部 二、預(yù)期目標(biāo) 總體目標(biāo) 本項(xiàng)目以航空難加工關(guān)鍵零件（ 航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶渦輪葉片、整體葉輪、 飛機(jī)起落架等）為研究對(duì)象，從 目標(biāo)微結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的熱成形制造、 質(zhì)量 與 效率驅(qū)動(dòng)的多軸數(shù)控加工、功能表面微形貌高效加工三個(gè)方面 開展 系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)研究，重點(diǎn)揭示目標(biāo)微結(jié)構(gòu)的定向形成機(jī)理、裝備 工藝過程交互作用規(guī)律與功能表面微形貌 可控 創(chuàng)成原理，創(chuàng)立難加工航空關(guān)鍵零件高 品質(zhì)制造的新原理、新方法和新工藝。通過本項(xiàng)目研究，實(shí)現(xiàn)從 “幾何精度驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化制造 ”向 “物理性能驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化制造 ”的 躍升，提高我國難加工航空零件的制造能力與水平，提供亟需的核心制造技術(shù)，培養(yǎng)一批從事數(shù)字化制造科學(xué)研究的青年學(xué)術(shù)帶頭人和研究骨干。 五年預(yù)期目標(biāo) 在理論研究方面 解決高端數(shù)控裝備和復(fù)雜精密航空零件制造中的科學(xué)問題，建立物理性能驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化制造新原理與新方法，使我國制造科學(xué)研究水平躋身于國際前列， 為形成我國新一代飛機(jī)用難加工零件的高品質(zhì)制造能力提供理論與方法。 （ 1） 揭示在超常熱成形制造條 件下復(fù)雜零件微觀組織與性能演化的規(guī)律，闡明多種因素耦合作用機(jī)理與目標(biāo)微結(jié)構(gòu)定向形成的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)條件，建立定向凝固與流變成形制造過程的熱－力－位移協(xié)同控制的原理與方法，提出目標(biāo)微結(jié)構(gòu)與性能驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化成形制造新原理。 （ 2） 揭示高強(qiáng)材料零件多軸加工時(shí)強(qiáng)切削載荷下工藝系統(tǒng)失穩(wěn)和界面表層損傷機(jī)理，建立加工物理過程仿真 、 產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)和工藝參數(shù)優(yōu)化模型，提出適應(yīng) 工藝條件與工況變化的裝備控制品質(zhì)優(yōu)化方法 ，建立 基于加工 測(cè)量一體化的加工質(zhì)量數(shù)字化 監(jiān)測(cè)與反饋控制 原理，發(fā)展質(zhì)量與效率驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化制造新原理與新方法。 （ 3） 揭示航空動(dòng)力傳遞件功能表面微形貌與表層性態(tài)的形成機(jī)理，提出特定屬性表面微形貌的數(shù)字表征方法，建立性能驅(qū)動(dòng)的微形貌與結(jié)構(gòu)紋理數(shù)字化精確創(chuàng)成模型，形成功能表面微形貌的數(shù)字化制造新原理。 在技術(shù)應(yīng)用方面 在航空難加工零件若干關(guān)鍵制造技術(shù)上取得創(chuàng)新成果，提供亟需的核心制造技術(shù)， 在沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司和中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司得到驗(yàn)證。 （ 1） 突破航空渦輪葉片定向凝固技術(shù)的關(guān)鍵工藝參數(shù)優(yōu)化問題、冷卻單元設(shè)計(jì)與傳熱邊界條件控制技術(shù)、定向凝固過程的抽拉運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與熱傳輸?shù)膮f(xié)同控制方法，產(chǎn)品合格率提高一倍 以上； （ 2）突破下一代巨型多向等溫模鍛裝備的高穩(wěn)定性超低速驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)、多向鍛壓運(yùn)行協(xié)調(diào)控制技術(shù)，建立大型多向等溫模鍛裝備的應(yīng)用示范平臺(tái)，裝備的主要指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)模鍛件規(guī)格和性能的突破，起落架整體模鍛件長(zhǎng)度達(dá) 2~3m、抗疲勞性能提高 30%以上； （ 3）研制出具有過程閉環(huán)控制功能的智能化高檔數(shù)控系統(tǒng)，主要技術(shù)指標(biāo)為：插補(bǔ)周期 、程序前瞻段數(shù) 2020，最小分辨率 1nm，控制通道 8個(gè)；在重載多軸車銑復(fù)合數(shù)控裝備上實(shí)現(xiàn)飛機(jī)起落架的加工驗(yàn)證，飛機(jī)起落架加工效率提高 30%、產(chǎn)品合格率提高 20%。 （ 4）突破高溫高強(qiáng)材料復(fù)雜曲面零件高效精密加工的關(guān)鍵技術(shù)，建立復(fù)雜曲面零件的數(shù)字化仿真與工藝優(yōu)化平臺(tái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪的加工效率提高50%以上； （ 5）突破起落架小批量多品種加工過程中工藝－裝備－工件系統(tǒng)交互作用下誤差波動(dòng)的監(jiān)測(cè)與過程能力綜合評(píng)估技術(shù)，建立加工誤差波動(dòng)消減與工藝能力評(píng)估平臺(tái)，起落架批量加工的一次合格率提高 10%以上。 （ 6）突破航空動(dòng)力傳遞功能表面微形貌表征與精確創(chuàng)成的關(guān)鍵技術(shù)，研制出整體葉輪多軸聯(lián)動(dòng)逐點(diǎn)精密拋光原理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)具有特定功能要求的漸變粗糙度形貌加工；加工的航空面齒輪 乏油運(yùn)行時(shí)間提高 50%以上，工作壽命提高 50%以上。 本項(xiàng)目研究過程中，擬在國內(nèi)外重要刊物上發(fā)表論文 300篇以上，其中 SCI和 EI收錄 150篇以上，撰寫專著 3～ 5本，申請(qǐng)專利 30余項(xiàng)。形成具有重要國際影響的數(shù)字化制造研究隊(duì)伍，爭(zhēng)取 1個(gè)國家創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)；涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀中青年人才，包括博士后、博士和碩士 100名左右。 三、研究方案 學(xué)術(shù)思路 學(xué)術(shù)思路如圖 1 所示，項(xiàng)目以難加工關(guān)鍵航空零件為研究對(duì)象， 以極端服役環(huán)境對(duì)零件的目標(biāo)物理性能與制造品質(zhì)及高效率要求為驅(qū)動(dòng)， 針對(duì)難加工航空零件制造面臨的六個(gè)方面的技 術(shù)瓶頸與挑戰(zhàn)，即：成形制造目標(biāo)微觀組織性能定向生成及控制、超大慣量多向鍛壓系統(tǒng)精良驅(qū)動(dòng)、加工過程閉環(huán)控制品質(zhì)優(yōu)化、復(fù)雜曲面零件加工物理過程 仿真 、加工過程誤差波動(dòng)的監(jiān)測(cè)與消減、性能驅(qū)動(dòng)的功能表面微形貌數(shù)字建模與創(chuàng)成，圍繞項(xiàng)目所提出的三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，在發(fā)展數(shù)字化制造理論和方法的層面上，探索難加工航空關(guān)鍵零件制造的新原理和新方法，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵數(shù)控裝備和工藝技術(shù)，突破航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、整體葉輪、飛機(jī)起落架和面齒輪等難加工航空零件高效、精密制造技術(shù)的瓶頸。 從 “ 幾 何精 度 驅(qū) 動(dòng)的 數(shù) 字 化制 造 ” 向“ 物 理 性能 驅(qū) 動(dòng) 的數(shù) 字 化 制造 ” 躍 升 源 頭 創(chuàng) 新 成 果形 成 功 能表 面 微 形貌 的 數(shù) 字化 制 造 新原 理提 出 目 標(biāo)微 結(jié) 構(gòu) 與性 能 驅(qū) 動(dòng)的 數(shù) 字 化成 形 制 造新 原 理發(fā) 展 質(zhì) 量與 效 率 驅(qū)動(dòng) 的 數(shù) 字化 制 造 新原 理 與 新方 法凝 固 和 流 變 成形 目 標(biāo) 微 結(jié) 構(gòu)的 定 向 生 成 與熱 力 位 移 協(xié) 同強(qiáng) 激 勵(lì) 下 多 軸數(shù) 控 裝 備 復(fù) 雜響 應(yīng) 與 工 藝 過程 的 動(dòng) 態(tài) 交 互機(jī) 理功 能 表 面 微 形貌 的 表 征 、 數(shù)字 化 定 量 反 演與 創(chuàng) 成 機(jī) 制關(guān) 鍵 科 學(xué) 問 題難 加 工 航 空 零 件 : 單 晶 渦 輪 葉片 、 整 體 葉 輪 、 起 落 架 等 特 定 的 內(nèi) 部 微 觀 組 織 結(jié) 構(gòu) 極 端 難 加 工 材 料 特 定 形 貌 和 紋 理 的 功 能 表 面 單 晶 葉 片 定 向 生 長(zhǎng) 成 形 制 造 起 落 架 大 型 整 體 鍛 件 連 續(xù) 模鍛 制 造 起 落 架 復(fù) 合 加 工 數(shù) 控 裝 備 、加 工 工 藝 技 術(shù) 及 其 批 量 生 產(chǎn)誤 差 波 動(dòng) 消 減 技 術(shù) 整 體 葉 輪 的 高 效 高 質(zhì) 量 制 造以 及 葉 輪 形 面 微 形 貌 漸 變 加工 技 術(shù)制 造 技 術(shù) 需 求 成 形 制 造 目 標(biāo) 微觀 組 織 性 能 定 向生 成 及 控 制 超 大 慣 量 多 向 鍛壓 系 統(tǒng) 精 良 驅(qū) 動(dòng) 加 工 過 程 閉 環(huán) 控制 品 質(zhì) 優(yōu) 化 復(fù) 雜 曲 面 零 件 加工 物 理 過 程 仿 真 加 工 過 程 誤 差 波動(dòng) 的 監(jiān) 測(cè) 與 消 減 性 能 驅(qū) 動(dòng) 的 功 能表 面 微 形 貌 數(shù) 字建 模 與 創(chuàng) 成主 要 研 究 內(nèi) 容理 論 源 泉多 學(xué) 科 交 叉 ： 制 造 科 學(xué) 、 物 理 學(xué) 、 力 學(xué) 、 數(shù) 學(xué) 、 材 料 科 學(xué) 、 信 息 科 學(xué) 、 計(jì) 算 科 學(xué)數(shù) 字 建 模 － 仿 真 － 實(shí) 驗(yàn) 驗(yàn) 證 ： 多 學(xué) 科 交 叉 基 礎(chǔ) 問 題 的 數(shù) 字 化 新 原 理 、 新 理 論 與 新 方 法 圖 1. 學(xué)術(shù)思路 技術(shù)途徑 通過理論研究與 數(shù)字 仿真、 科學(xué) 實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，重點(diǎn)突破高溫高強(qiáng)航空復(fù)雜零件定向凝固與流變成形過程協(xié)同控制、 高效低損傷 多軸 數(shù)控加工工藝保障 、功能表面微形貌特征和表層性態(tài)精確數(shù)字化創(chuàng)成 技術(shù) ，建立若干關(guān)鍵技術(shù)突破的原理樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái) , 為實(shí)現(xiàn)高精度、高效率和高品質(zhì)制造提供技術(shù)支撐。 ? 在高溫高強(qiáng)航空復(fù)雜零件的精密成形制造研究方面，基于極端服役環(huán)境對(duì)航空關(guān)鍵零件（高溫渦輪葉片與起落架）的組織性能（單晶組織和金屬流線連續(xù)平行分布的變形組織 /高強(qiáng)度、耐高溫、抗沖擊與高 可靠性）要求的驅(qū)動(dòng)，通過超常制造條件下零件成形過程多尺度動(dòng)態(tài)建模與仿真分析，揭示零件內(nèi)部晶體取向演變與金屬流線分布規(guī)律和實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)微結(jié)構(gòu)的定向形成的能量作用通道和熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)條件；通過對(duì)熱成形制造過程制造界面狀態(tài)、熱 /力 /位移等多要素間的相互作用及關(guān)聯(lián)規(guī)律研究，揭示制造過程的失穩(wěn) /失諧機(jī)理，建立與復(fù)雜工況或工藝條件高順應(yīng)性的補(bǔ)償與協(xié)同方法；在這兩方面研究工作的基礎(chǔ)上進(jìn)而提出實(shí)現(xiàn)高溫渦輪葉片與起落架的定向凝固與連續(xù)流變的能場(chǎng)條件、界面狀態(tài)調(diào)控技術(shù)和熱 力 位移（速度）協(xié)同控制原理和方法，從而實(shí)現(xiàn)形性協(xié)同的 高品質(zhì)制造過程 。 ? 在航空關(guān)鍵零件高端多軸數(shù)控系統(tǒng)與加工工藝的自主研發(fā)方面，以超強(qiáng)異形零件（起落架）和高溫高強(qiáng)復(fù)雜曲面零件（航空整體葉輪）為研究對(duì)象，從難加工零件切削界面物理行為和強(qiáng)激勵(lì)下多軸數(shù)控裝備復(fù)雜響應(yīng)與工藝過程動(dòng)態(tài)交互的研究入手，建立難加工材料在非線性時(shí)變切削過程中的物理行為仿真模型，研究時(shí)變切削力強(qiáng)激勵(lì)下加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)辨識(shí)、數(shù)控裝備加工性能預(yù)測(cè)、加工工藝與機(jī)床的動(dòng)態(tài)交互機(jī)理以及動(dòng)態(tài)加工誤差預(yù)測(cè)，基于