碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic,CFRP）和钛合金（Titanium alloy,简称Ti）叠层结构因其同时具有两种材料优异的物理/机械性能,在现代飞机中央翼盒、机翼等结构中受到广泛应用。Ti/CFRP结构零部件在装配时需要加工大量高精度的连接孔,从而保证两种材料的良好连接。然而,组成叠层结构的两种材料均为难加工材料,且其材料属性和加工性能相差甚远,同一种刀具结构难以同时良好的匹配两种材料加工,在加工过程中极易出现CFRP出口分层、金属出口毛刺以及孔径偏差大等问题,严重制约了叠层结构在高端装备中的应用。针对上述问题,本文在Ti/CFRP叠层结构加工损伤产生机理、损伤抑制方法以及专用加工工具设计等方面进行了研究和探讨,主要研究内容如下:（1）为明确钻削Ti/CFRP叠层结构时刀具结构、加工参数和钻削载荷间的关联关系,首先分析了Ti/CFRP叠层结构的钻削过程特点和刀具几何特征,获得了钻削过程中刀具结构的受力状态。将切削刃进行离散化分析,考虑纤维角度对切削角的影响规律,进而获得微元状态下各关键角度的数学表达式。基于刀具结构与材料的接触形式,同时考虑纤维切削角、后刀面摩擦,副切削刃切削以及制孔参数对钻削载荷的影响,建立了微元直角及斜角切削模型及坐标转换矩阵,采用微元积分方法,建立了Ti/CFRP叠层结构一体化钻削载荷预测模型。设计了系列钻削实验,获得了切削系数、接触系数和摩擦系数与加工参数间的关联关系,最后对钻削载荷预测模型进行了验证,预测轴向力和扭矩的最大误差分别小于10%和15%。研究结果为叠层结构加工合理控制钻削载荷提供了理论基础。（2）为揭示Ti/CFRP叠层结构钻削出口区域材料切削去除行为及已加工表面回弹机制,首先对损伤易发的CFRP出口处材料所受到的约束状态以及初始损伤情况等进行了分析,建立了具有初始分层损伤的单侧约束的单纤维切削模型;其次,基于赫兹接触理论,考虑刀具结构与材料的接触状态以及纤维角度变化,建立了已加工表面材料回弹高度预测模型。根据上述模型,解析求解了切削力作用下,出口区域材料在已有初始损伤状态下纤维断裂及开裂规律以及已加工表面材料回弹规律,分析了不同切削深度对出口材料去除和损伤以及材料回弹高度的影响,发现在有初始损伤时,切削深度应大于初始损伤长度,并采用小切深以降低已加工材料表面回弹高度。研究结果为抑制叠层结构出口损伤和孔径偏差提供了理论依据。（3）针对在钻削加工Ti/CFRP叠层结构过程中,极易出现钛合金出口毛刺和CFRP出口分层等加工损伤的问题,分析了刀具在不同钻削阶段与材料的接触关系,确定了分层及毛刺损伤易发位置,考虑钻尖部分几何参数及加工参数,将剩余材料考虑为变厚度对称圆锥体,建立了界面处金属出口毛刺高度预测模型,获得钛合金出口毛刺损伤临界长度。其次,结合阶梯刀具几何结构,考虑阶梯刀具载荷作用形式及端部加载断裂形式,分别建立了 CFRP出口分层临界轴向力模型以及出口分层损伤扩展模型,从而获得刀具直径与分层长度的比值与轴向力间的关系;同时结合钻削载荷预测模型,揭示了刀具各阶梯比例与出口分层、毛刺等损伤临界条件的关联关系,从而改进了刀具的阶梯比例,使CFRP出口分层损伤长度降低18%～28%,钛合金出口毛刺高度下降55%～80%。研究结果为低损伤制孔刀具结构设计奠定了基础。（4）基于对叠层结构材料去除行为研究和刀具阶梯比例与损伤临界条件的关系,提出了“渐成式切削”叠层结构加工损伤抑制原理。设计出具有特殊阶梯比例以及分阶段、微量去除功能的多阶梯多刃带的Ti/CFRP叠层结构制孔专用刀具,实现了在轴向方向对材料的分阶段加工和沿刀具旋转方向上对材料的渐进式小切深加工,通过钻削对比实验发现,具有“渐成式切削”功能的多阶梯多刃带结构刀具可以有效抑制出口分层、毛刺等损伤,并提高了孔径精度,验证了“渐成式切削”加工方法的正确性和制孔刀具的有效性。同时针对刀具寿命不稳定的问题,考虑叠层结构组成材料共同,交替以及单独加工对刀具结构磨损影响规律,揭示了在连续整体加工条件下刀具性能的衰变机制,并基于此进一步优化了刀具结构。最后,对所研制并改进的多阶梯多刃带刀具进行了实验和现场钻削实验,证明了所研发的多阶梯多刃带刀具结构抑制损伤的有效性,为Ti/CFRP叠层结构低损伤钻削加工提供了新途径。通过上述研究,获得了 Ti/CFRP叠层结构一体化钻削载荷的时变规律,揭示了出口损伤临界条件与轴向力间的关联关系;提出了“渐成式切削”加工损伤抑制新原理,研发了具有多阶梯多刃带结构的专用制孔工具;经过加工现场测试,验证了所提出的加工原理与刀具结构的有效性,为Ti/CFRP叠层结构低损伤制孔提供了新方法。