基于构形空间理论的复杂薄壁曲面零件铣削变形控制的理论与方法

面向航空、航天、能源等国家重点发展行业中复杂薄壁件加工质量控制难的共性问题，针对其典型工艺特点，基于弹性力学理论，研究薄壁件在铣削力和边界条件下多种变形的耦合关系，推导位移、扭角与外载荷之间的几何关系、外力平衡方程、物理关系，建立铣削变形预测的解析模型；基于铣削变形的预测，结合曲面的几何模型，构建出误差模型及刀位面模型；借助构形空间理论，以刀位面模型、刀具位姿、铣削力、铣削变形以及刀具不发生干涉和碰撞的约束条件为元素，构建曲面加工的构形空间；在构形空间中，利用交叉熵原理优选出加工曲面的首条走刀轨迹，以该轨迹为依据，采用等残留高度为优化准则，优化刀具的位姿，优化并生成铣削轨迹；基于该轨迹和刀具的位姿，补偿弹性铣削变形引起的加工误差，实现铣削变形的有效控制。该研究将满足国家重点领域的迫切需求，提升高精密铣削加工的技术水平。

面向航空、航天、能源等国家重点发展行业中复杂薄壁件加工质量控制难的共性问题，针对其典型工艺特点，重点开展壁零件铣削变形建模和铣削变形控制方法的研究。. 在铣削变形和铣削力建模方面，以典型薄壁结构件整体叶轮为研究对象，针对薄壁叶片的铣削变形，基于弹性力学理论，研究薄壁件在铣削力和边界条件下多种变形的耦合关系，推导位移、扭角与外载荷之间的几何关系、外力平衡方程、物理关系，建立了铣削变形预测的解析模型。. 基于铣削变形的预测，以叶片轮廓周铣削为研究对象，研究低刚度工艺系统的铣削变形对铣削力的影响，建立了加工工艺系统的工艺几何模型，研究瞬时铣削厚度和瞬时切削啮合角的变化，分析铣削力系数识别方法，建立了弹性铣削力模型；采用Newton-Raphson迭代算法，仿真出铣削薄壁叶片时的弹性铣削力和弹性铣削变形，并结合铣削试验，验证了铣削变形模型的可行性。经研究表明：在加工叶片边缘时，由于叶片有明显的振动，加大了实际切深，使得切削力有较大增长；随着切削路径曲率半径的增大，进给速度缓慢增长，切削力随进给速度增长而增长直到稳定；叶边区域的加工有如下特点：首先，当进给速度发生较大改变时，由于 B、C 轴协同变化，其进给速度比直线进给速度慢，使得切削力有了较大的下降。同时B、C轴转动引起惯性力，在该铣削力的测试结果中约为50N。. 基于B样条曲面参数化方法，结合曲线、曲面的正算和反算算法，采用曲面重构方法对叶片测试数据进行了重构建模；借助构形空间理论，以刀具位姿、铣削力、铣削变形为约束条件，建立了构型空间中的刀具局部干涉和全局干涉检查，构建出加工整体叶轮的无干涉刀具构形空间。. 在构形空间中，采用镜像补偿原理对变形误差进行了补偿，提出利用交叉熵原理优选出加工曲面的首条走刀轨迹，以该轨迹为依据，采用等残留高度为优化准则，进一步优化刀具的位姿，获得刀轴矢量光顺变化的走刀轨迹；为了验证该理论的有效性，通过三坐标测试比对和网格误差比对，获得叶轮样机的加工精度。经两种比对可知：在进气边靠近叶尖加工误差最大，在叶片底部区域加工误差明显小于其他区域，靠近叶根线处，两者基本上是重合的，由结果可知：优化后的叶轮加工精度明显提高。因此，基于构型空间中优化后轨迹和刀具位姿，补偿了弹性铣削变形引起的加工误差，实现了铣削变形的有效控制。