薄壁件精密加工工艺表面统一几何模型及应用研究

Thin-walled parts are widely used in aviation, aerospace, automotive fields, but production efficiency and machining precision of those parts are greatly limited due to the characteristics of multi-process technology and multi-procedure technology. Aimed at the process surface modeling in the machining process of thin-walled surface parts, multi-axis machining theory and controlling method are researched based on the process surface geometric model. A unified model is established to represent the polymorphism of process surface for every stage in the whole machining process. Then using the four variables, design surface model, process surface model, offset transform and localization transform, and their interactions, different application problems are described, which reveals the common mathematical essence. For the process design of thin-walled parts, non-uniform allowance optimization design method is presented based on the stable process stiffness. For the rapid clamping and localization of thin-walled parts, an alignment localization with constraints and allowance optimization method is presented for the near-shape workpiece. For the machining process controlling of thin-walled parts, a modeling and compensation method of elastic deformation error is developed in the multi-axis NC machining. These modeling and solution methods are based on the geometrical and mechanical rules, which lay a common theoretical basis for different machining process problems. The research results will enrich and perfect the current multi-axis NC machining theory, which will satisfy multi-axis precision machining technology needs of thin-walled parts used in the major equipments.

薄壁曲面零件在航空、航天、汽车领域应用广泛，但这类零件多工艺、多工序的制造特点极大地限制了生产效率和加工精度的提升。本项目围绕薄壁件精密加工过程中的工艺表面建模问题，开展基于工艺表面几何模型的多轴加工理论和控制方法研究。通过建立一统一模型表示加工过程中不同工序阶段工艺表面的多态性，利用设计、工艺表面模型、偏置、定位变换四个变量及其相互关系，描述不同的典型应用问题，揭示其共同的数学本质。针对薄壁件的工艺过程设计，提出基于稳态工艺刚度约束的非均匀余量设计方法；针对薄壁件的快速装夹与定位，提出近净成形毛坯约束配准与余量优化方法；针对薄壁件的加工过程控制，提出精密加工弹性变形误差建模与补偿方法。这些基于几何、力学准则的模型求解方法，为解决不同的加工过程问题，奠定了共性理论基础。本项目的研究成果有助于丰富和完善现有的多轴数控加工理论，满足我国重大装备对薄壁曲面零件精密加工技术的需求。

薄壁曲面零件在航空、航天、汽车领域应用广泛，其多工艺复合、多工序加工特点容易导致前期工艺变形、定位误差及加工变形不同程度地影响加工精度。此时的设计表面模型不再适用于多轴数控加工编程，必须建立相应的工艺表面几何模型。为此，本项目围绕薄壁件精密加工过程中的工艺表面建模问题，开展了基于工艺表面几何模型的多轴加工理论和控制方法研究。通过建立一统一模型表示加工过程不同工序阶段工艺表面的多态性，利用设计、工艺表面模型、偏置、定位变换四个变量及其相互关系，描述不同的典型应用问题。主要研究内容及成果包括：1) 提出基于曲面变形映射技术建立工艺表面几何模型，并在埃尔米特和拉格朗日超限插值中引入工艺约束设计模型参数，使得生成的工艺几何模型更加满足实际加工的工艺性要求。2) 针对薄壁零件结构和变形特点，通过建立稳态工艺刚度场实现了材料切除顺序的优化，并优化设计了非均匀余量，应用于薄壁框肋、叶片以及叶盘叶片的精密加工中。3) 建立了带约束的配准定位与余量优化数学模型。根据约束条件和求解策略的不同，解决了单一曲面的无余量、带余量表面定位以及变形曲面组的定位问题。以焊接式整体叶盘为对象，依照叶片周向对称分组原则，提出了变形叶片组逐层细分的余量分布优化方法，降低了焊接工艺引起的叶片位置偏差和余量分布不均对叶盘加工质量的影响。4) 基于薄壁零件的弹性变形分析，发展了变形误差补偿的建模方法，并给出了工序循环和工艺循环两种条件下的误差补偿求解方法。在此基础上，通过建立薄壁零件变形误差补偿的工艺几何模型，实现了薄壁零件的精密加工，有效减小了工序循环条件下的加工误差达53%。这些研究成果有助于丰富和完善现有的多轴数控加工理论，满足我国重大装备对薄壁曲面零件精密加工技术的需求。