【導(dǎo)讀】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)。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。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。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。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。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。評估平臺，起落架批量加工的一次合格率提高10%以上。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

　　

【正文】 面齒輪功能表面實(shí)驗(yàn)測試平臺；加工工藝參數(shù)優(yōu)化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，依據(jù)零件表面微形貌與表層性態(tài)的檢測數(shù)據(jù)，并與預(yù)估結(jié)果比較，對功能表面數(shù)字化創(chuàng)成模型進(jìn)行校準(zhǔn)與修正 ； (13)整理研究資料，準(zhǔn)備 項(xiàng)目 驗(yàn)收。 統(tǒng)交互作用下誤差波動(dòng)的監(jiān)測與過程能力綜合評估技術(shù)，建立加工誤差波動(dòng)消減與工藝能力評估平臺，形成加工工藝的實(shí)時(shí)復(fù)穩(wěn)調(diào)整和實(shí)時(shí)加工質(zhì)量監(jiān)控機(jī)制； (8)完成航空 葉輪和面齒輪表面創(chuàng)成與質(zhì)量檢測實(shí)驗(yàn)；完成理論模型和實(shí)驗(yàn)平臺修正； 完成 項(xiàng)目驗(yàn)收 。 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。 一、研究內(nèi)容 本項(xiàng)目以航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶渦輪葉片、整體葉輪、飛機(jī)起落架等為研究對象，以極端服役環(huán)境對不同零件的目標(biāo)物理性能與制造品質(zhì)及高效率要求為驅(qū)動(dòng)，以復(fù)雜零件成形制造目標(biāo)微觀組織定向生成機(jī)制、超大慣量多向成形制造系統(tǒng)協(xié)同控制、重載多軸數(shù)控加工過程閉環(huán)控制品質(zhì)優(yōu)化、難加工材料復(fù)雜曲面零件高效加工、制造過程質(zhì)量波動(dòng)規(guī)律與數(shù)字監(jiān)控、功能表面微形貌數(shù)字建模與創(chuàng)成等為探索和認(rèn)識的突破點(diǎn)，揭示難加工航空關(guān)鍵零件制造 全過程的科學(xué)規(guī)律，建立和發(fā)展物理性能驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化制造新原理與核心技術(shù)體系。 本項(xiàng)目研究圍繞以下三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題： 科學(xué)問題一：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 航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度、耐高溫、抗沖擊與抗疲勞）極高，其內(nèi)部組織必須具有特定微觀組織結(jié)構(gòu)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(guān)鍵零件在特殊制造環(huán)境條件下精確成形的同時(shí)必須對內(nèi)部組織進(jìn)行精確調(diào)控。為此需要研究高溫、高強(qiáng)材料關(guān)鍵零件制造過程中組織性能形成及演變機(jī) 理，通過對成形制造過程的多學(xué)科多尺度模擬與仿真，掌握其主要工藝參數(shù)相互耦合影響的規(guī)律，建立航空關(guān)鍵復(fù)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(xué)問題二：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 飛機(jī)起落架、航空整體葉輪采用高溫高強(qiáng)、極端難加工材料制造，要求多軸數(shù)控裝備長時(shí)間工作，面臨強(qiáng)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(zhì)量一致性低等難題。為此需要研究高強(qiáng)材料零件加工時(shí)強(qiáng)激勵(lì)下裝備與工藝過程的動(dòng)態(tài)交互作用規(guī)律，建立加工物理過程仿 真、產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測與工藝優(yōu)化模型，提出加工過程閉環(huán)控制品質(zhì)優(yōu)化理論和方法。通過工藝優(yōu)化、過程閉環(huán)控制和數(shù)字化監(jiān)測實(shí)現(xiàn)對加工過程的控制。 科學(xué)問題三：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 航空整體葉輪和面齒輪等關(guān)鍵件具有高速、極低質(zhì)量比、長運(yùn)轉(zhuǎn)壽命、高動(dòng)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(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命、壓氣效率、推重比和熱導(dǎo)率等性能指標(biāo)的影響重大。為此需要研究使役性能驅(qū)動(dòng)的功能表面微形貌和表層性態(tài)的形成機(jī)理，建立表面微形貌的表征及與創(chuàng)成參數(shù)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(xué)問題一：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， 開展 以下研究： （ 1）精密復(fù)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(nèi)部型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成形工藝可變因素多、多組元間相互作用復(fù)雜、最佳溫度梯度不易控制、抽拉單元運(yùn)動(dòng)與葉片內(nèi)熱變化難以同步等特點(diǎn)，研究葉片定向凝固過程中多晶粒競爭生長機(jī)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(shù)值模擬仿真，揭示傳熱、應(yīng)力、系 統(tǒng)運(yùn)動(dòng)耦合作用下葉片的組織演變規(guī)律及其與宏觀性能的內(nèi)在聯(lián)系，提出單晶葉片成形制造過程中組織、性能、質(zhì)量的預(yù)測方法，獲得定向凝固抽拉單元的最佳運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其與葉片內(nèi)熱量傳遞的同步協(xié)調(diào)方法。主要研究內(nèi)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(yīng)力應(yīng)變演化的建模仿真與殘余變形控制 ? 定向凝固水冷單元設(shè)計(jì)、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(yùn)動(dòng)規(guī)律及其與葉片內(nèi)熱傳遞的協(xié)同原理 （ 2）超高強(qiáng)鍛件多向成形的流線演變數(shù)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(yīng) 用實(shí)踐中遇到了重大障礙，主要表現(xiàn)在：復(fù)雜鍛件多向等溫成形由于復(fù)雜多變接觸界面與運(yùn)動(dòng)阻力、極低速運(yùn)行帶來的裝備運(yùn)行不穩(wěn)定問題，給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)與順應(yīng)性控制帶來新的難題；由于對多向模鍛不同方向的運(yùn)行協(xié)調(diào)機(jī)制缺乏系統(tǒng)研究，無法實(shí)現(xiàn)在預(yù)期的超低速下鍛件連續(xù)流變成形，導(dǎo)致鍛件流線不連續(xù)、穿流，鍛件品質(zhì)難于保證。本課題將圍繞大型高強(qiáng)復(fù)雜鍛件多向鍛造成形過程中流線形成機(jī)理與分布規(guī)律、裝備驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)性及多向成形過程順應(yīng)性控制等方面的內(nèi)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(jī)理及調(diào)控 ? 極低運(yùn)行速度下超大慣量 機(jī)械系統(tǒng)的并行驅(qū)動(dòng)與穩(wěn)定性控制 ? 超大慣量系統(tǒng)同步平面補(bǔ)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(jī)理與多向混合協(xié)同控制 圍繞科學(xué) 問題二：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，開 展 以下研究： （ 1） 超強(qiáng)異形零件多軸加工失穩(wěn)機(jī)制及控制品質(zhì)優(yōu)化 由于起落架零件的材料難加工、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及加工工藝系統(tǒng)弱剛性的特點(diǎn)，在時(shí)變強(qiáng)切削力的作用下，極易引起裝備 工藝系統(tǒng)的高階復(fù)雜響應(yīng)，導(dǎo)致加工過程失穩(wěn)。同時(shí)，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(chǎn)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(qiáng)切削力作用下工藝系統(tǒng)響應(yīng)過程復(fù)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(yù)測與控制方法，因此需要開展相關(guān)基礎(chǔ)研究從加工 過程主動(dòng)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(nèi)容包括： ? 裝備動(dòng)態(tài)特性與工藝作用過程數(shù)字表征與工藝策略優(yōu)化 ? 時(shí)變切削力強(qiáng)激勵(lì)下加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)辨識與過程閉環(huán)控制 ? 基于多元信息譜的數(shù)控裝備加工性能預(yù)測 ? 基于動(dòng)態(tài)性能的裝備服役可靠性評估與控制 （ 2） 高溫高強(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)雜曲面零件的加工效率很低，主要原因是：材料高溫下的強(qiáng)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(dòng)；材料熱導(dǎo)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(zhì)量和刀具壽命。因此需要研究多軸加工時(shí)變切削參數(shù)條件下，工藝系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性條件；建立基于力 熱耦合作用的高溫高強(qiáng)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(fù)雜曲面零件數(shù)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(bǔ)償”的 閉環(huán)反饋。主要研究內(nèi)容包括： ? 時(shí)變強(qiáng)激勵(lì)下多軸加工工藝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定性分析 ? 高溫高強(qiáng)復(fù)雜零件加工過程力 熱耦合建模與 質(zhì)量 預(yù)測 ? 弱剛性曲面零件數(shù)字化加工 測量一體化大閉環(huán)制造原理 ? 高溫高強(qiáng)復(fù)雜曲面零件加工數(shù)字化仿真與工藝規(guī)劃平臺 （ 3） 難加工異形零件復(fù)合加工過程的誤差波動(dòng)監(jiān)測與工藝能力評估 飛機(jī)起落架的難加工性不僅與材料高強(qiáng)超硬高韌引起的難切削特性相關(guān)，而且也體現(xiàn)在工藝－裝備－工件系統(tǒng)交互作用下運(yùn)行工況的復(fù)雜響應(yīng)特性上，從而導(dǎo)致多工序加工過程的誤差波動(dòng)與過程能力欠缺。因此，系統(tǒng)復(fù)雜響應(yīng)特性下小批量加工 的多工序過程能力穩(wěn)態(tài)判據(jù)、工件誤差與設(shè)備工況的監(jiān)測與關(guān)聯(lián)、誤差波動(dòng)與誤差模式的辨識及其消減等是獲取高性能高質(zhì)量工件的關(guān)鍵。據(jù)此以起落架的小批量加工過程為對象，全過程數(shù)字化測量為基礎(chǔ)，研究多工序加工過程影響性能質(zhì)量波動(dòng)的誤差模式辨識方法與可控參數(shù)調(diào)整機(jī)制，提高飛機(jī)起落架批量加工質(zhì)量的一致性與加工效率。主要研究內(nèi)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(jià)建模 ? 復(fù)合加工過程裝備運(yùn)行工況波動(dòng)的監(jiān)測及其與工件加工誤差的關(guān)聯(lián) ? 耦合工況監(jiān)測的加工誤差波動(dòng)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(zhì)量綜合評估平臺 圍繞科學(xué)問題三：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， 開 展開以下研究： （ 1）高速動(dòng)力傳遞功能表面微形貌特征的數(shù)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(jié)構(gòu)紋理及其分布特征的多尺度耦合作用機(jī)制、綜合表征和精確創(chuàng)成方法缺乏認(rèn)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(jī)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(jī)理與工藝規(guī)律，進(jìn)而提出適應(yīng)特定表面形貌和性態(tài) 要求的功能表面數(shù)字化可控精密加工新原理。主要研究內(nèi)容包括： ? 高速動(dòng)力傳遞功能表面微形貌特征的數(shù)字化建模 ? 面向性能的復(fù)雜曲面表層性態(tài)建模與仿真 ? 性能驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力傳遞曲面精確創(chuàng)成原理和方法 ? 功能表面微形貌數(shù)字化加工與測試平臺