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”
2、的跃升，提高我国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
3、理。（2）揭示高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
4、责任公司和中国第二重型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 1
5、nm，控制通道8个；在重载多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
6、工；加工的航空面齿轮乏油运行时间提高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
7、统精良驱动、加工过程闭环控制品质优化、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。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 ” 跃升 源头创新成果形 成 功 能表 面 微 形貌 的 数 字化 制 造 新原理提 出 目 标微 结
8、 构 与性 能 驱 动的 数 字 化成 形 制 造新原理发 展 质 量与 效 率 驱动 的 数 字化 制 造 新原 理 与 新方法凝 固 和 流 变 成形 目 标 微 结 构的 定 向 生 成 与热 - 力 - 位移协同强 激 励 下 多 轴数 控 装 备 复 杂响 应 与 工 艺 过程 的 动 态 交 互机理功 能 表 面 微 形貌 的 表 征 、 数字 化 定 量 反 演与创成机制关键科学问题难加工航空零件 : 单晶涡轮叶片 、 整体叶轮 、 起落架等 特定的内部微观组织结构 极端难加工材料 特定形貌和纹理的功能表面 单晶叶片定向生长成形制造 起落架大型整体锻件连续模锻制造 起落架复合加工
9、数控装备 、加工工艺技术及其批量生产误差波动消减技术 整体叶轮的高效高质量制造以及叶轮形面微形貌渐变加工技术制造技术需求 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 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 字建模与创成主要研究内容理论源泉多 学 科 交 叉 ： 制造科学 、 物理学 、 力学 、 数学 、 材料科学 、 信息科学 、 计算科学数 字 建 模 仿 真 实 验 验 证 ： 多学科交叉基础问题
10、的数字化新原理 、 新理论与新方法图 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
11、，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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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变仿真奠定了理论基础。铸锻理论研究成果为三峡大型水轮机叶片的铸造和歼 11 战机隔框铝合金模锻提供了技术支撑，实现了对我国现有最大模锻压机
20、三万吨水压机的锻造能力与功能升级，具备了五万吨级锻件制造能力。前期 973 项目在大型装备运行稳定性与力流传递特性、铸造过程多尺度数值仿真上所取得的成果，为滚动 973 项目研究“凝固和流 变成形目 标微结构的定向生成与热-力-位移协同” 提供了坚实的理论与平台支撑。 前期 973 项目在物理性能测量、物理性能到加工表面的数理模型反演和高精度曲面创成方面均取得了重大突破，为“功能表面微形貌特征的数字化建模与精确创成” 的开展提供了研究基 础。前期 973 项目中以 导弹天线罩和螺旋锥齿轮为研究对象，针对导弹天线罩对“均匀透波性 ”的功能要求，研究了天线罩电厚度等性能偏差与内外廓形几何偏差以及材
21、料特性偏差间的非线性关联机制和加工参数的逐点定量控制模型，取得了“ 物理性能测量、数控加工”一体化装备的突破；针对螺旋锥齿轮对高啮合性能的要求，提出了离散啮合理论，研究了含误差的真实齿面接触分析、加工参数反调修正与基于五轴联动磨削的齿面创成方法，制造出世界上最大的螺旋锥齿轮数控机床，能生产直径达 1.6 米的高精度螺旋锥齿轮。物理性能到加工表面的数理模型反演和高精度曲面创成方面的研究为“功能表面形貌特征的数字化建模与精确创成”提供了理论和技术上的可行性。本项目将数字化制造装备、工艺和航空制造企业的优势力量进行科学整合，承担单位是与研究内容密切相关的、具有很强综合实力和创新能力的群体，汇集了国内
22、在先进制造技术领域的院士、中青年专家和研究团队，已经具备了各项研 究内容所涉及的理论基础和技术能力，为完成本项目的各项研究内容，达到研究目标提供了坚实的保障。四、年度计划研究内容 预期目标第一年(1)研究多元复相材料的凝固过程热力学与动力学行为，建立微观的形核与晶体生长模型，研究晶体间的竞争生长与淘汰机制，建立单晶的选择与生长模型；(2)研究晶体的各向异性生长、竞争与淘汰过程，考虑晶体的择优取向，建立单晶叶片的晶粒取向演化模型；(3)建立超大惯 量机械系统动态过程的理论模型和一体化数字模型，并使用过程数据对其进行修正，研究在极低速下，爬行、抖动等运动变异成因及及其调控机制；(4)研究机械本体、
23、电气控制系统与驱动系统等各环节中的关键参数对超大惯量机械系统动态性能的影响规律，及超大惯量机械系统的并行驱动原理及技术实现；(5)研究起落架超高强钢材料热模拟(1)建立高温合金晶粒择优生长模型，实现晶粒人取向控制；(2)建立理论-仿真-实验相 结合的复杂超大惯量机械系统的分析、修正与验证方法，揭示驱动系统及机械本体对动态性能的影响规律，实现运动变异消减的优化与控制方案；(3)全面获得超大 惯量机械系统的动态规律，给出超大惯量机械系统的并行驱动的可行性方案；(4)建立超高强钢 材料本构模型与热加工图，确定起落架锻件锻压成形工艺参数可行域，建立超高强钢材料动态再结晶模型，获得变形参数对材料微观组织
24、的影响规律；(5)建立车铣复合加工装 备动刚度的数字表征，以及高速主轴动态特性的数字表征，提出工作空间数控机床动态特性的在线测量技术；研究内容 预 期目标实验与流变特性，超高强钢材料微观组织演化机理与模型；(6) 研究数控装备动态特性与工艺作用过程的数字表征,机床特性参数的在线辨识；(7) 研究多元状态特征的提取方法及基于多元状态特征的加工状态数字化表征方法；数控装备运行信息传感检测与特征提取、融合技术；数控装备动态性能与服役可靠性之间的映射机制；(8)建立面向起落架车铣复合加工的高档数控系统实验平台；(9)研究多轴加工的几何 -力学集成仿真方法；(10)研究高应变 率条件下材料塑性变形机理；
25、(11)研究复杂 曲面零件几何面型的高效原位测量方法；(12)研究激光作用于加工材料表面的光学反射特征，给出测量信号的快速预处理方法；研究基于立体视觉(6)建立基于驱动 信号及光纤等新型传感器的工况实时精确监测技术，以及无附加传感器的刀具状态监测与补偿方法；建立多轴数控装备性能的描述与表征方法，以及多轴数控装备多元信息的实时监测；提出数控装备动态性能与服役可靠性之间映射机制的研究方法；(7)初步搭建面向起落架车铣复合加工的高档数控系统实验平台；(8)提出刀具-工件啮合过程几何仿真和切削力系数实验标定方法；(9)获得不同温度下高温高强材料流动应力与应变率之间的关系，建立体现高速加工过程特点的材料本构模型；(10)提出刀具 /测头全局可达方向 锥的 GPU 计算方法，建立可行空间中刀具/测头路径的整体优化模型；(11)提出异形大尺寸几何量在线测量方法与基于光学测量的关键技术；建立基于装备进给系统电流、扭矩
