伴随着现代航空技术的迅速发展,蜂窝芯复合材料成为继铝、钢和钛之后迅速崛起的第四大航空结构材料之一。蜂窝芯夹层复合材料与其他传统金属材料相比最大的优势就是其比强度和比刚度极高。这类材料仅仅以极小的重量增加为代价,就可以获得强度和刚度的明显增强。但是蜂窝芯材料的切削加工过程也与传统金属材料有着明显的差别,在夹持方式设计、切削过程仿真及物理建模、加工质量评价及低缺陷工艺优化等各个方面都给切削加工领域带来了全新的挑战,而这主要是因为蜂窝芯材料所具有的独特拓扑结构、各向异性力学特征及其面内弱刚性的特点。因此,本文将从蜂窝芯材料的结构特征入手,研究基于蜂窝芯薄壁多孔结构的新型夹持装置、力学传热学模型以及切削质量评价方法和工艺优化策略,主要工作如下:本文基于铝蜂窝芯材料的结构特征,分别从夹持装置设计、切削过程仿真、切削力学建模、温度分布建模、基础试验研究及表面质量评价、以及加工工艺优化六个方面入手,对蜂窝芯材料的切削加工技术及低缺陷加工策略展开了全方位的研究工作。(1)基于蜂窝芯薄壁多孔的结构特征,提出基于半导体快速制冷技术的冰结蜂窝芯加工夹持方式,既实现蜂窝芯工件的加工夹持,又能够增加蜂窝芯材料的面内刚性,提升加工表面质量;本文通过结构设计、理论分析以及试验验证的方法,确认冰结夹持平台的夹持可靠性,为后续试验研究及应用提供夹持基础。(2)对蜂窝壁切屑形成机理与去除过程展开研究工作,并以单次蜂窝壁切削为基础,建立蜂窝芯的多单元复合切削力模型;研究了不同蜂窝壁切入角、刀具结构及切削参数对蜂窝壁切削过程的影响,着重分析比较了不同切入角对蜂窝壁切削力、切削变形、切屑形成、蜂窝壁变形以及加工裂纹带来的影响;以各蜂窝壁切入角的时变特性为基础,根据蜂窝芯材料的拓扑结构建立了多单元复合切削力预测模型,并通过不同参数的蜂窝芯切削力试验验证该模型的准确性。(3)考虑蜂窝芯材料空间结构特点,建立包含热传导和热对流的各向异性三维等效热传导模型;在此基础上,针对蜂窝芯组合铣刀,提出铣削过程中粉碎刃的移动面热源及圆刀片的移动线热源,并建立基于此两种热源形式的蜂窝芯工件在铣削过程中随时间变化的温度分布预测模型;并通过蜂窝芯铣削温度试验对其进行验证,最后研究了蜂窝芯在铣削过程中的温度分布规律及热影响区域,发现蜂窝芯的铣削温度在刀具区域内维持较高温度,而在刀具区域外急剧下降,并确认了组合铣刀的热影响区域。(4)研究蜂窝芯材料在不同刀具以及不同切削参数下的切削力、温度以及加工表面缺陷特征,针对蜂窝芯材料典型加工缺陷提出了分类统计的评价方法,讨论了各类典型缺陷的形貌特征及产生条件,并分析对比了力热与加工缺陷之间的内在关系;分析了基于冰结夹持平台的喷水雾及冰填充辅助处理手段对蜂窝芯加工质量的影响作用,发现喷水雾处理对组合铣刀在全试验参数及整体铣刀在小切深时的显著优化作用;针对蜂窝芯铣削表面缺陷的切入角分布规律展开研究工作,提出蜂窝芯材料铣削质量的“逆铣区优势”,并根据统计研究发现蜂窝芯铣削缺陷分布角集中分布于三个区域内;针对规律性分布的缺陷,建立使所有蜂窝壁规避上述三个集中区域的低缺陷工艺优化计算方法;针对非规律性分布的缺陷,提出以保障材料去除率为基础而降低切削力切削温度的切削参数优化方法;最后研究了使铣削接刀处保持无缺陷的条件以及使侧铣边无缺陷的条件。