国家重点基础研究发展计划（973计划）项目申报书-难加工航空零件的数字化制造基础研究

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”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1nm，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。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，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、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；(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；研究基于立体视觉的大尺寸空间定位三维坐标测量方法；研究基于无传感器测试技术的装备大角度与长行程的连续在线精密检测原理与方法；(13)研究复合加工装备功能部件状态、加工质量等多调制特征样本分离技术；(14)研究起落架多工序小子样生产过程性能质量的表征、误差波动复杂性建模与分析方法；(15)面向高速、极低质量比、长运转寿命、高动态稳定性等使役性能需求，研究动力传递零件表面形貌的表征方法；实验与理论分析相结合建立使役性能参数与曲面特性参量的耦合模型；(16)研究型面磨/抛过程的力热耦合模型、加工精度、表层组织结构及表面损伤的工艺影响规律；(17)开展钛合金等材料零件特定表面微形貌的磨/抛工艺实验。(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；(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、扭矩与主轴功率融合信息的力场预测模型；提出基于无传感器技术的机床热、力、位移等物理量获取技术及加工装备状态信息的可靠优化同步采集与存储技术；(12)提出复合加工装备功能部件状态、加工质量等多调制特征样本分离技术，初步建立加工状态参量的一次性分离与解耦方法；(13)提出复合加工过程性能质量表征方法与加工误差传递网络的建模与分析技术；(14)提出动力传递功能表面的表征新方法，构建特征参数集；(15)掌握钛合金等难加工材料的磨/抛机理；(16)确定航空叶轮功能表面微形貌创成的可行性方案。第二年(1)研究抽拉单元的运动规律，抽拉运动对叶片内热量传递的影响规律，抽拉单元的运动模式对凝固界面前沿、凝固组织的影响；(2)实现抽拉单元运动与叶片内传热的同步控制；(3)研究并行驱动在极低速下的运行规律，以及其运动平稳性与可确定性的控制原理，研究多元并联大流量液压系统对并行驱动的耦合关联影响；(4)构建超大惯量系统运动的同步平面补偿原理与技术实现，以及其补偿模型；(5)起落架关键结构成形工艺及微观组织、锻造流线仿真研究；关键结构锻件成形工艺物理模拟实验；(6)研究装备动态特性与工艺作用过程的交互作用；(7)基于过程模型的加工状态阈值预测方法及加工参数实时自调整；基于历史数据和多元信息谱的数控装备性能表征方法和预测模型；基于动态性能监测的数控装备服役可靠性评估及预测；(8)开展面向起落架的车铣复合加工实验；(9)研究多轴加工工艺系统的动力学特性；(10)研究基于力-热耦合作用的高温高强材料多轴加工过程仿真方法；(11)研究曲面轮廓度误差评定、分离和诊断方法；(12)研究激光光束细化技术，利用光学衍射和透镜阵列，实现微米级光束细化；研究红外光学靶标的制作和三维空间建模；(13)研究大型精密回转台与直线进给机构耦合动态特性的在线识别技术；(14)研究复合加工装备功能部件状态、加工质量等多调制特征样本分离技术；研究复合加工装备非平稳、非线性工况特性信息提取方法；(15)进一步研究起落架多工序小子样生产过程性能质量的表征、误差波动复杂性建模与分析方法；研究误差波动分析方法；(16)针对面齿轮的特定表面形貌，研究性能驱动的动力传递曲面的数字化精密磨削工作原理；研制实现面齿轮功能表面的数字化制造的原型样机；(17)研究性能驱动的航空叶轮动力传递曲面的数字化精密磨/抛加工原理；(18)研制实现面航空叶轮表面微形貌数字化精确创成的原型样机；(19)项目中期总结、评估。(1)掌握定向凝固抽拉单元的运动规律；(2)提出抽拉单元运动与叶片内热传递的协同原理；(3)实现低速下大惯量系统平稳与精准的并行驱动，多元并联大流量液压系统驱动多参数耦合作用规律与匹配；(4)揭示大惯量机械系统的同步平面位姿补偿的规律；(5)获得锻件成形过程温度场、应力应变场以及微观组织、锻造流线变化规律；对比分析数值仿真与物理模拟实验结果，提出起落架锻件微观组织与流线调控策略；(6)建立面向车铣复合加工装备的加工稳定性分析和加工表面烧蚀分析方法，建立基于车铣复合加工装备主轴-刀具-工件动态特性的高精度控制策略，研发面向起落架车铣复合加工的轨迹规划功能模块；(7)建立切削力的动态预测模型，分析切削力、运动参数对加工精度的影响，建立加工精度的预测模型，研发基于切削力在线检测的加工参数优化功能模块；建立基于多轴非线性耦合的多元信息谱方法，研发基于多元信息谱监测的数控装备性能劣化分析与早期预示功能模块；提出基于动态性能监测的数控装备服役可靠性评估及预测技术，研发基于动态性能监测的数控装备服役可靠性评估及预测功能模块；(8)针对300M高强钢等材料开展车铣复合加工实验，获取起落架多轴车铣复合加工基础工艺数据；(9)建立具有惯量与刚度时变、参数不确定特点的多轴加工工艺系统刚柔耦合动力学模型；(10)建立高温高强材料高速加工过程仿真模型，包括：切屑形成仿真模型、刀屑摩擦磨损模型等；(11)建立复杂曲面零件的质量评价体系；(12)提高光学测量方法的在线/在位测量精度，优化测量系统构成；(13) 建立大型精密回转台与直线进给系统的动力学耦合模型，提出基于信息融合与灰箱技术的复合加工设备进给系统动态特性混合辨识技术；(14) 初步提出复合加工装备非平稳、非线性特性信息提取的新原理与方法；初步揭示复合加工装备的服役性能退化机理和失效规律；(15) 提出质量性能表征、加工误差传递网络模型的建模与波动分析技术；(16)提出面齿轮齿面精确创成的原理和方法；(17)提出航空叶轮动力传递功能表面微形貌的数字化创成原理和方法；(18)完成航空叶轮和面齿轮表面创成的原型样机的研制；(19)完成项目中期评估。第三年(1)针对航空发动机涡轮叶片，开展铸造成形过程中动量、能量、质量传输及微观组织形成的跨尺度、多学科数理建模与仿真，研究单晶叶片定向凝固过程中传热边界条件的形成规律与控制方法，研究水冷单元的设计及其对叶片内热量传递的影响规律；(2)研究单晶形成与生长过程中最佳的温度梯度及其控制方法，研究制造工艺的优化方法，提出单晶叶片的质量调控技术，实现单晶组织的有效控制；(3)研究运动副间隙、液压冲击、碰撞等对并行驱动平稳性的影响规律；变载荷以及不确定性下的并行驱动的智能集成控制策略；同步平面补偿的快速性与稳定性的控制原理和方法；(4)研究主动同步与被动同步之间的耦合关系，以及混合同步平衡匹配控制策略；(5)研究试验件微观组织、流线形态与力学性能相关规律；研究多向成形锻件流线形成机理与能场条件；(6)开展基于装备动态特性与工艺作用过程的工艺策略优化；研究装备性能时变特性对加工稳定性和加工质量一致性的影响；(7)研究保证数控装备服役稳定性的主动维护策略；(8)研究面向起落架车铣复合加工、具有过程闭环控制功能的高档数控系统；(9)研究时变强激励下工艺系统的高频响应与稳定性分析方法；(10)研究复杂曲面零件加工的变形、振动和表面质量预测方法；(11)研究复杂曲面线接触和高阶点接触多轴数控加工成形原理和刀位规划方法；(12)研究测量系统的快速处理算法以及数据传输技术；研究加工过程的误差演变规律；(13)研究耦合动态特性与空间加工误差关联建模技术；(14)研究复合加工装备运行可靠性模型；(15)在误差波动分析的基础上，研究误差模式与可控参数辨识及其参数调整决策机制；(16)研究共轭曲面高次流形、加工纹理、安装位姿、接触迹线等多尺度几何参量与曲面相对运动/力的相关规律；航空叶轮表面创成过程的工具运动轨迹和、姿态及运动学参数等与微形貌特征参数的关联模型；(17)研究复杂曲面上特定表面微形貌和表层性态参数的形成机理；(18)研究航空叶轮和面齿轮磨/抛制造的数字化仿真模型。(1)掌握叶片定向凝固过程的热量传递规律；(2)实现传热边界控制与最佳温度梯度创成；(3)实现大惯量机械系统在异常情况下的平稳与精确的并行驱动；形成变载荷及不确定性条件下的并行驱动集成控制策略；实现同步平面补偿；(4)建立大惯量机械系统的混合同步模型及其调控机制；(5)建立超高强钢材料微观组织、流线形态与力学性能的映射关系；建立锻件目标微结构生成机制与力-位移协同控制方法；(6)建立数控系统、机床结构、切削过程的集成建模与仿真方法，揭示装备动态特性与工作作用过程的交互作用机理，提出加工性能约束下面向工件和机床特性的工艺策略优化方法；揭示装备性能时变特性对弱刚性系统加工稳定性和难加工材料零件表面烧蚀的影响规律；(7)提出保证数控装备服役性能稳定性的主动维护策略，研发服役性能稳定性的主动维护功能模块；(8)在面向起落架车铣复合加工的高档数控系统上集成基于装备动态特性的起落架车铣复合加工轨迹规划、加工参数优化、装备性能劣化分析与早期预示、以及装备服役可靠性评估及预测等功能模块，构建具有过程闭环控制功能的综合实验平台；(9)提出高速加工稳定性预测与SLE计算的时域新方法；(10)揭示不同加工条件对变形、振动和表面质量的影响规律；(11)建立五轴数控加工的统一运动几何学模型； (12)实现几何量的在线/在位数据获取；初步建立几何量变化与加工过程误差累积的关系模型；(13)建立复合加工装备空间复杂运动模型，分析加工误差的形成机理；分析复合加工装备耦合动态特性对加工质量的影响，揭示大型精密回转台与直线进给机构耦合动态特性与空间加工误差的映射机理；(14)建立复合加工装备运行可靠性模型，如比例故障率模型，得到设备不同运行时刻的可靠度大小及变化趋势，获得设备的可靠度指标；(15)提出基于计算智能的误差波动模式分类算法；建立基于EPC的加工质量调整与控制模型；(16)揭示工具轨迹、姿态等加工参数对功能表面微形貌的影响规律；(17)揭示复杂曲面上功能表面微形貌和表层性态参数的形成机制；(18)建立动力传递功能表面创成过程的数字化模型。第四年(1)研究单晶形成和竞争生长过程中热应力的形成机理，建立多元高温合金的高温应力本构模型；(2)研究陶瓷型壳和型芯的双重约束条件下，单晶叶片的变形过程及其规律；(3)研究落砂后叶片的残余应力和残余变形，残余应力释放对再结晶的影响，以及热处理过程中单晶组织和应力、变形的变化规律；揭示单晶叶片制造过程的力、热、组织的相互影响规律；(4)研究变载荷以及不确定性下的同步平面补偿原理与控制方法及混合同步的智能控制策略； (5)建立多向模锻的三维空间模型，并研究各个方向的耦合关系；(6)实现起落架外筒锻件预成形设计、成形过程仿真与组织模拟；完成起落架外筒锻件模具型腔设计与结构优化；(7)面向装备加工性能趋势分析的集成优化；(8)开展基于动态性能的装备服役可靠性评估与控制的综合实验；(9)开展基于装备动态特性与工艺作用过程的工艺策略优化综合实验；开展时变切削力强激励下过程闭环控制综合实验；(10)研究加工过程物理状态与工艺参数间的反演关系；研究适应工艺系统动态特性与加工过程物理约束的多轴加工工艺规划方法；(11)研究基于加工-测量一体化的加工质量数字化监测与反馈控制原理；(12)研究测量系统与加工装备安装的高精度标定方法和嵌入技术；研究几何量在线/在位测量与加工误差闭环控制技术；(13)进一步研究耦合动态特性与空间加工误差关联建模技术；(14)进一步研究复合加工装备运行可靠性模型；研究加工过程可靠性评估方法；(15)研究基于小子样误差传递效应的加工过程能力评估建模及过程能力的波动轨迹图构建方法；(16)研究功能表面微形貌特征的综合评价指标体系与有效控制方法；(17)研究基于性能预控的多轴联动最优控制策略；(18)研究满足特定表面形貌和表层性态要求的创成工艺参数反演技术；叶轮表面形貌创成的工艺规划策略和各工艺参数的优化匹配方法。(1)建立定向凝固过程中热应力应变演化的本构模型；(2)完成叶片定性凝固过程仿真，预测热应力与热变形，提出残余变形控制方法；(3)实现具有变载荷及不确定性下的平面同步与混合同步；(4)建立多向模锻的三维空间模型，并揭示其运动耦合规律； (5)获得起落架外筒锻件成形制造最优预制坯工艺、润滑条件以及成形工艺；提出起落架外筒锻件模具设计方案与参数；(6)实现面向装备加工性能趋势分析的集成优化，研发针对复杂、突变工况的多轴数控装备性能优化控制功能模块；(7)实现基于动态性能的装备服役可靠性评估与主动维护，开展验证性实验；(8)针对起落架开展基于装备动态特性与工艺作用过程的工艺策略优化综合实验，获取优化后的工艺策略库；针对具有加工过程闭环控制的高档数控系统，围绕时变切削力强激励条件，开展各种综合实验，验证各种智能化控制策略的有效性，建立确保起落架车铣复合加工效率和质量一致性的控制方法；(9)提出静、动态误差和表面质量约束下的工艺系统与工艺参数优化方法；(10)建立复杂曲面零件“加工-测量”一体化闭环自适应加工系统；(11)建立在线/在位测量系统与加工装备的整合，形成有在线/在位测量能力和误差闭环控制能力的加工装备；(12) 建立复合加工装备耦合动态特性与加工误差的关联模型；(13) 利用复合加工装备的运行可靠性模型，提出基于设备当前的运行敏感特征的设备可靠性评估方法，求取可靠度、置信区间等可靠性指标，实现设备的可靠性评估和预测；(14) 提出基于贝叶斯/支持向量机等的小字样控制图模型及其工艺能力的轨迹图评估技术；(15)建立功能表面形貌特征的综合表征与评价体系；(16)建立表面微形貌特征参数与创成工艺控制参数间的关联模型与控制方法； (17)实现曲面性态参数与性能参数及各工艺参数间的多元最优映射。第五年(1)研究精密复杂铸件凝固过程中缺陷的形成机理、形成过程，预测相关缺陷，研究制造工艺的优化方法；(2)建立单晶叶片制造过程中结构完整性建模与仿真和缺陷预测平台；(3)提出单晶叶片的质量调控技术，实现单晶组织的有效控制；(4)实现多向模锻三维空间协同控制策略与技术；(5)实现低速下的并行驱动、面同步或空间同步、多功能逻辑操作与运动参量检测等单元技术的创新与技术集成；(6)建立极低速下高精度的运动协同控制技术原型，实施测试研究与工业应用研究；完成起落架外筒锻件工业实验；(7)超强异形零件多轴加工失稳机制及控制品质优化；(8)研制具有加工过程闭环控制的高档数控系统；(9)实施起落架车铣复合加工的综合性实验；(10)开发高温高强复杂曲面零件加工数字化仿真与工艺规划平台；(11)建立难加工异形零件复合加工过程的误差波动监测与工艺能力评估平台；以飞机起落架关键零件如主筒等为生产案例，验证有关机理、模型、方法及关键技术的正确性，并在某航空企业建立应用示范环境；(12)构建航空叶轮和面齿轮功能表面实验测试平台；加工工艺参数优化验证实验，依据零件表面微形貌与表层性态的检测数据，并与预估结果比较，对功能表面数字化创成模型进行校准与修正；(13)整理研究资料，准备项目验收。(1)揭示凝固缺陷的生成机理，提出工艺优化措施,建立定向凝固单晶叶片的质量控制平台；(2)实现对大惯量机械系统全行程高精度、高响应运动控制,操作系统快速准确定位与偏载状态实时监控, 形成大惯量机械系统的精良驱动及其控制的集成技术原型；(3)建立超高强整体锻件成形制造理论与多尺度锻压工艺研究方法；(4)提出适应工艺条件与工况变化的装备控制品质优化方法,全面实现面向起落架车铣复合加工高档数控系统的各项功能和技术指标；(5)综合300M高强钢工艺参数的基础加工实验结果和起落架车铣复合数控加工实验结果，建立300M高强钢飞机起落架多轴车铣复合加工的轨迹规划策略库、工艺参数数据库、以及智能控制策略库，实现高效低损伤加工；(6)建立典型高温高强航空材料切削加工数据库、多轴数控加工动力学与物理过程集成仿真及工艺规划软件；应用于航空发动机整体叶轮加工，效率提高50%；(7)突破起落架小批量多品种加工过程中“工艺-装备-刀夹具-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，形成加工工艺的实时复稳调整和实时加工质量监控机制；(8)完成航空叶轮和面齿轮表面创成与质量检测实验；完成理论模型和实验平台修正；完成项目验收。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。一、研究内容本项目以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，以极端服役环境对不同零件的目标物理性能与制造品质及高效率要求为驱动，以复杂零件成形制造目标微观组织定向生成机制、超大惯量多向成形制造系统协同控制、重载多轴数控加工过程闭环控制品质优化、难加工材料复杂曲面零件高效加工、制造过程质量波动规律与数字监控、功能表面微形貌数字建模与创成等为探索和认识的突破点，揭示难加工航空关键零件制造全过程的科学规律，建立和发展物理性能驱动的数字化制造新原理与核心技术体系。 本项目研究围绕以下三个关键科学问题： 科学问题一：凝固和流变成形目标微结构的定向生成与热-力-位移协同 航空发动机高温涡轮叶片与起落架均在极端环境条件下服役，性能要求（高强度、耐高温、抗冲击与抗疲劳）极高，其内部组织必须具有特定微观组织结构特征：单晶组织和金属流线连续平行分布的变形组织。因此这类关键零件在特殊制造环境条件下精确成形的同时必须对内部组织进行精确调控。为此需要研究高温、高强材料关键零件制造过程中组织性能形成及演变机理，通过对成形制造过程的多学科多尺度模拟与仿真，掌握其主要工艺参数相互耦合影响的规律，建立航空关键复杂零件（高温涡轮叶片与起落架）定向凝固与流变成形过程热-力-位移协同控制原理与方法。 科学问题二：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 飞机起落架、航空整体叶轮采用高温高强、极端难加工材料制造，要求多轴数控装备长时间工作，面临强力输入下加工失稳、切削界面材料性态激烈变化、切削效率和质量一致性低等难题。为此需要研究高强材料零件加工时强激励下装备与工艺过程的动态交互作用规律，建立加工物理过程仿真、产品质量预测与工艺优化模型，提出加工过程闭环控制品质优化理论和方法。通过工艺优化、过程闭环控制和数字化监测实现对加工过程的控制。 科学问题三：功能表面微形貌的表征、数字化定量反演与创成机制 航空整体叶轮和面齿轮等关键件具有高速、极低质量比、长运转寿命、高动态稳定性和大压力梯度等极端使役要求，这些零件的表面微形貌和表层性态特征对航空发动机的运转寿命、压气效率、推重比和热导率等性能指标的影响重大。为此需要研究使役性能驱动的功能表面微形貌和表层性态的形成机理，建立表面微形貌的表征及与创成参数间的反演模型，形成满足特定表面微形貌和表层性态要求的高性能零件加工制造的理论与方法。围绕科学问题一：凝固和流变成形目标微结构的定向生成与热-力-位移协同，开展以下研究：（1）精密复杂铸件凝固成形的建模仿真与单晶生长的热-位移同步控制针对单晶涡轮叶片外部曲面和内部型腔结构复杂、成形工艺可变因素多、多组元间相互作用复杂、最佳温度梯度不易控制、抽拉单元运动与叶片内热变化难以同步等特点，研究叶片定向凝固过程中多晶粒竞争生长机制和晶粒最优生长方向控制方法，通过对定向凝固叶片制造全过程、跨尺度数值模拟仿真，揭示传热、应力、系统运动耦合作用下叶片的组织演变规律及其与宏观性能的内在联系，提出单晶叶片成形制造过程中组织、性能、质量的预测方法，获得定向凝固抽拉单元的最佳运动规律及其与叶片内热量传递的同步协调方法。主要研究内容包括： 高温合金晶粒择优生长和选晶过程的建模仿真与晶粒取向控制 定向凝固过程中热应力应变演化的建模仿真与残余变形控制 定向凝固水冷单元设计、传热边界控制与最佳温度梯度创成 定向凝固抽拉单元运动规律及其与叶片内热传递的协同原理（2）超高强锻件多向成形的流线演变数字化表征与力-位移协同控制目前多向等温模锻新工艺在应用实践中遇到了重大障碍，主要表现在：复杂锻件多向等温成形由于复杂多变接触界面与运动阻力、极低速运行带来的装备运行不稳定问题，给驱动系统的驱动与顺应性控制带来新的难题；由于对多向模锻不同方向的运行协调机制缺乏系统研究，无法实现在预期的超低速下锻件连续流变成形，导致锻件流线不连续、穿流，锻件品质难于保证。本课题将围绕大型高强复杂锻件多向锻造成形过程中流线形成机理与分布规律、装备驱动平稳性及多向成形过