【導讀】本項目以航空難加工關鍵零件（航空發(fā)動機單晶渦輪葉片、整體葉輪、飛機。起落架等）為研究對象，從目標微結構驅動的熱成形制造、質量與效率驅動的多。軸數控加工、功能表面微形貌高效加工三個方面開展系統(tǒng)深入的基礎研究，重點。核心制造技術，培養(yǎng)一批從事數字化制造科學研究的青年學術帶頭人和研究骨。闡明多種因素耦合作用機理與目標微結構定向形成的熱力學與動力學條件，建立。突破航空渦輪葉片定向凝固技術的關鍵工藝參數優(yōu)化問題、冷卻單元。設計與傳熱邊界條件控制技術、定向凝固過程的抽拉運動系統(tǒng)與熱傳輸的協(xié)同控。的主要指標達到國際先進水平，實現(xiàn)高強模鍛件規(guī)格和性能的突破，起落架整體。重載多軸車銑復合數控裝備上實現(xiàn)飛機起落架的加工驗證，飛機起落架加工效率。評估平臺，起落架批量加工的一次合格率提高10%以上。復雜零件定向凝固與流變成形過程協(xié)同控制、高效低損傷多軸數控加工工藝保

　　

【正文】 面齒輪功能表面實驗測試平臺；加工工藝參數優(yōu)化驗證實驗，依據零件表面微形貌與表層性態(tài)的檢測數據，并與預估結果比較，對功能表面數字化創(chuàng)成模型進行校準與修正 ； (13)整理研究資料，準備 項目 驗收。 統(tǒng)交互作用下誤差波動的監(jiān)測與過程能力綜合評估技術，建立加工誤差波動消減與工藝能力評估平臺，形成加工工藝的實時復穩(wěn)調整和實時加工質量監(jiān)控機制； (8)完成航空 葉輪和面齒輪表面創(chuàng)成與質量檢測實驗；完成理論模型和實驗平臺修正； 完成 項目驗收 。 在國內外重要刊物上發(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，申請專利 30 余項。形成具有重要國際影響的數字化制造研 究隊伍，爭取 1 個國家創(chuàng)新團隊；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。 一、研究內容 本項目以航空發(fā)動機單晶渦輪葉片、整體葉輪、飛機起落架等為研究對象，以極端服役環(huán)境對不同零件的目標物理性能與制造品質及高效率要求為驅動，以復雜零件成形制造目標微觀組織定向生成機制、超大慣量多向成形制造系統(tǒng)協(xié)同控制、重載多軸數控加工過程閉環(huán)控制品質優(yōu)化、難加工材料復雜曲面零件高效加工、制造過程質量波動規(guī)律與數字監(jiān)控、功能表面微形貌數字建模與創(chuàng)成等為探索和認識的突破點，揭示難加工航空關鍵零件制造 全過程的科學規(guī)律，建立和發(fā)展物理性能驅動的數字化制造新原理與核心技術體系。 本項目研究圍繞以下三個關鍵科學問題： 科學問題一：凝固和流變成形目標微結構的定向生成與熱 力 位移協(xié)同 航空發(fā)動機高溫渦輪葉片與起落架均在極端環(huán)境條件下服役，性能要求（高強度、耐高溫、抗沖擊與抗疲勞）極高，其內部組織必須具有特定微觀組織結構特征：單晶組織和金屬流線連續(xù)平行分布的變形組織。因此這類關鍵零件在特殊制造環(huán)境條件下精確成形的同時必須對內部組織進行精確調控。為此需要研究高溫、高強材料關鍵零件制造過程中組織性能形成及演變機 理，通過對成形制造過程的多學科多尺度模擬與仿真，掌握其主要工藝參數相互耦合影響的規(guī)律，建立航空關鍵復雜零件（高溫渦輪葉片與起落架）定向凝固與流變成形過程熱 力 位移協(xié)同控制原理與方法。 科學問題二：強激勵下多軸數控裝備復雜響應與工藝過程的動態(tài)交互機理 飛機起落架、航空整體葉輪采用高溫高強、極端難加工材料制造，要求多軸數控裝備長時間工作，面臨強力輸入下加工失穩(wěn)、切削界面材料性態(tài)激烈變化、切削效率和質量一致性低等難題。為此需要研究高強材料零件加工時強激勵下裝備與工藝過程的動態(tài)交互作用規(guī)律，建立加工物理過程仿 真、產品質量預測與工藝優(yōu)化模型，提出加工過程閉環(huán)控制品質優(yōu)化理論和方法。通過工藝優(yōu)化、過程閉環(huán)控制和數字化監(jiān)測實現(xiàn)對加工過程的控制。 科學問題三：功能表面微形貌的表征、數字化定量反演與創(chuàng)成機制 航空整體葉輪和面齒輪等關鍵件具有高速、極低質量比、長運轉壽命、高動態(tài)穩(wěn)定性和大壓力梯度等極端使役要求，這些零件的表面微形貌和表層性態(tài)特征對航空發(fā)動機的運轉壽命、壓氣效率、推重比和熱導率等性能指標的影響重大。為此需要研究使役性能驅動的功能表面微形貌和表層性態(tài)的形成機理，建立表面微形貌的表征及與創(chuàng)成參數間的反演模型， 形成滿足特定表面微形貌和表層性態(tài)要求的高性能零件加工制造的理論與方法。 圍繞科學問題一：凝固和流變成形目標微結構的定向生成與熱 力 位移協(xié)同， 開展 以下研究： （ 1）精密復雜鑄件凝固成形的建模仿真與單晶生長的熱 位移同步控制 針對單晶渦輪葉片外部曲面和內部型腔結構復雜、成形工藝可變因素多、多組元間相互作用復雜、最佳溫度梯度不易控制、抽拉單元運動與葉片內熱變化難以同步等特點，研究葉片定向凝固過程中多晶粒競爭生長機制和晶粒最優(yōu)生長方向控制方法，通過對定向凝固葉片制造全過程、跨尺度數值模擬仿真，揭示傳熱、應力、系 統(tǒng)運動耦合作用下葉片的組織演變規(guī)律及其與宏觀性能的內在聯(lián)系，提出單晶葉片成形制造過程中組織、性能、質量的預測方法，獲得定向凝固抽拉單元的最佳運動規(guī)律及其與葉片內熱量傳遞的同步協(xié)調方法。主要研究內容包括： ? 高溫合金晶粒擇優(yōu)生長和選晶過程的建模仿真與晶粒取向控制 ? 定向凝固過程中熱應力應變演化的建模仿真與殘余變形控制 ? 定向凝固水冷單元設計、傳熱邊界控制與最佳溫度梯度創(chuàng)成 ? 定向凝固抽拉單元運動規(guī)律及其與葉片內熱傳遞的協(xié)同原理 （ 2）超高強鍛件多向成形的流線演變數字化表征與力 位移協(xié)同控制 目前多向等溫模鍛新工藝在應 用實踐中遇到了重大障礙，主要表現(xiàn)在：復雜鍛件多向等溫成形由于復雜多變接觸界面與運動阻力、極低速運行帶來的裝備運行不穩(wěn)定問題，給驅動系統(tǒng)的驅動與順應性控制帶來新的難題；由于對多向模鍛不同方向的運行協(xié)調機制缺乏系統(tǒng)研究，無法實現(xiàn)在預期的超低速下鍛件連續(xù)流變成形，導致鍛件流線不連續(xù)、穿流，鍛件品質難于保證。本課題將圍繞大型高強復雜鍛件多向鍛造成形過程中流線形成機理與分布規(guī)律、裝備驅動平穩(wěn)性及多向成形過程順應性控制等方面的內容，開展下列研究： ? 多向約束變形鍛件微觀組織演化、流線形成機理及調控 ? 極低運行速度下超大慣量 機械系統(tǒng)的并行驅動與穩(wěn)定性控制 ? 超大慣量系統(tǒng)同步平面補償與混合同步平衡匹配控制 ? 多向模鍛流變成形耦合作用機理與多向混合協(xié)同控制 圍繞科學 問題二：強激勵下多軸數控裝備復雜響應與工藝過程的動態(tài)交互機理，開 展 以下研究： （ 1） 超強異形零件多軸加工失穩(wěn)機制及控制品質優(yōu)化 由于起落架零件的材料難加工、結構復雜以及加工工藝系統(tǒng)弱剛性的特點，在時變強切削力的作用下，極易引起裝備 工藝系統(tǒng)的高階復雜響應，導致加工過程失穩(wěn)。同時，在大切削力條件下，刀具與工件接觸界面的溫度急劇增高，產生局部高溫，引起零件表面燒蝕。引發(fā)上述現(xiàn) 象的主要原因是強切削力作用下工藝系統(tǒng)響應過程復雜，目前缺乏工藝系統(tǒng)整體建模方法、工藝優(yōu)化策略、閉環(huán)過程控制能力以及裝備可靠性預測與控制方法，因此需要開展相關基礎研究從加工 過程主動監(jiān)控角度保證起落架加工穩(wěn)定、避免燒蝕現(xiàn)象發(fā)生。主要研究內容包括： ? 裝備動態(tài)特性與工藝作用過程數字表征與工藝策略優(yōu)化 ? 時變切削力強激勵下加工狀態(tài)的實時辨識與過程閉環(huán)控制 ? 基于多元信息譜的數控裝備加工性能預測 ? 基于動態(tài)性能的裝備服役可靠性評估與控制 （ 2） 高溫高強復雜曲面零件多軸加工物理過程仿真與 高效低損傷加工 航空葉輪等 高溫高強復雜曲面零件的加工效率很低，主要原因是：材料高溫下的強度高，切削力大，葉片間通道深而窄，常使用大長徑比的刀具，葉片薄、葉展長，易發(fā)生變形和振動；材料熱導率低，切削界面上高能量的積聚造成材料表層性態(tài)的激變，直接影響零件加工質量和刀具壽命。因此需要研究多軸加工時變切削參數條件下，工藝系統(tǒng)的動力學模型，動態(tài)響應特性和穩(wěn)定性條件；建立基于力 熱耦合作用的高溫高強材料多軸加工物理過程仿真模型，提出面向加工過程控制的工藝優(yōu)化方法；建立復雜曲面零件數字化加工 測量一體化大閉環(huán)制造原理，形成加工誤差“測量 補償”的 閉環(huán)反饋。主要研究內容包括： ? 時變強激勵下多軸加工工藝系統(tǒng)動態(tài)響應與穩(wěn)定性分析 ? 高溫高強復雜零件加工過程力 熱耦合建模與 質量 預測 ? 弱剛性曲面零件數字化加工 測量一體化大閉環(huán)制造原理 ? 高溫高強復雜曲面零件加工數字化仿真與工藝規(guī)劃平臺 （ 3） 難加工異形零件復合加工過程的誤差波動監(jiān)測與工藝能力評估 飛機起落架的難加工性不僅與材料高強超硬高韌引起的難切削特性相關，而且也體現(xiàn)在工藝－裝備－工件系統(tǒng)交互作用下運行工況的復雜響應特性上，從而導致多工序加工過程的誤差波動與過程能力欠缺。因此，系統(tǒng)復雜響應特性下小批量加工 的多工序過程能力穩(wěn)態(tài)判據、工件誤差與設備工況的監(jiān)測與關聯(lián)、誤差波動與誤差模式的辨識及其消減等是獲取高性能高質量工件的關鍵。據此以起落架的小批量加工過程為對象，全過程數字化測量為基礎，研究多工序加工過程影響性能質量波動的誤差模式辨識方法與可控參數調整機制，提高飛機起落架批量加工質量的一致性與加工效率。主要研究內容包括： ? 空間異形大尺寸幾何量的在線檢測與加工誤差評價建模 ? 復合加工過程裝備運行工況波動的監(jiān)測及其與工件加工誤差的關聯(lián) ? 耦合工況監(jiān)測的加工誤差波動分析、誤差模式辨識與過程能力評估 ? 多工序加工誤差 消減與工件質量綜合評估平臺 圍繞科學問題三：功能表面微形貌的表征、數字化定量反演與創(chuàng)成機制， 開 展開以下研究： （ 1）高速動力傳遞功能表面微形貌特征的數字化建模與精確創(chuàng)成 高性能零件的表面微形貌和表層性態(tài)特征顯著影響零件的使用性能，但是對表面微形貌、結構紋理及其分布特征的多尺度耦合作用機制、綜合表征和精確創(chuàng)成方法缺乏認識，為此，以航空整體葉輪和面齒輪為對象，研究功能表面微形貌 與表層性態(tài)的生成機制與定量描述模型，揭示極端工況下高性能零件表面微觀形貌的精確創(chuàng)成機理與工藝規(guī)律，進而提出適應特定表面形貌和性態(tài) 要求的功能表面數字化可控精密加工新原理。主要研究內容包括： ? 高速動力傳遞功能表面微形貌特征的數字化建模 ? 面向性能的復雜曲面表層性態(tài)建模與仿真 ? 性能驅動的動力傳遞曲面精確創(chuàng)成原理和方法 ? 功能表面微形貌數字化加工與測試平臺