多工序复杂薄壁件的加工误差分析及其控制方法研究

复杂薄壁件是航空、航天、国防等领域应用最广泛的零件类型之一。多工序薄壁件加工中，极易产生弯曲、扭曲及弯扭组合变形，它不但与毛坯初始残余应力有关，而且与工件夹具系统、切削加工工艺及参数等有很大关系。在切削力、热及其强耦合作用下，残余应力产生对薄壁件加工精度影响极大。.本课题以航天铝合金复杂薄壁件加工精度控制为目标，综合应用现代仿真技术和工程物理实验，研究工艺(序)过程、切削参数、定位夹紧方案及其夹具关键要素对薄壁件加工误差的综合影响，通过研究工件与夹具元件的摩擦、滑动及变形行为，揭示不同工艺参数下的切削力、热的演变行为及其对薄壁件的耦合作用及残余应力的生成及演变规律，构造薄壁件/夹具的力学物理模型和综合误差分析计算模型，探索基于加工精度目标的工艺(序)过程、切削参数、定位夹紧方案及其夹具关键要素综合优化策略和控制方法，为航天关键薄壁件的高质量,高效率，低成本制造提供科学依据.

本课题按照项目计划书要求，以航天铝合金多工序复杂薄壁件为对象，以控制相关关键薄壁件加工精度为目标，综合应用现代仿真技术和工程物理实验，研究了工艺（序）过程、切削参数、定位夹紧方案、夹具关键要素、以及残余应力对薄壁件加工精度的综合影响，全面完成了相关内容的基础研究与应用研究。其中：1）提出和实现了面向不规则工件基准离散定位点布局的拓扑优化设计，可以有效地确定最少定位点和辅助支撑点的数量及其位置，提高有限定位点和辅助定位点的支撑强度和工件安装刚度；2）提出和实现了工件/夹具为一体的系统刚度概念，其中包括通过夹具优化设计弥补薄壁件工件刚性不足，从而解决由此导致的加工变形、或切削效率低等制造瓶颈；或通过减小工件加工特征的刚度差异，减小不可或不易补偿的加工误差；3）研究并提出了薄壁件切削工艺优化策略与准则、工艺参数优化设计及其优化组合的相关原则和知识，研究了工艺参数及优化组合设计、加工顺序设计与误差分析、切削力和切削热的估算、切削力引起的误差计算、切削热引起的误差计算分析等内容；4）提出和构建了考虑基准实际形貌与位姿等引起加工误差的相关要素因素的误差综合方法与计算模型，基于待装配对象自身基准及其装配基准的实际形貌与位姿进行综合误差几何模型的构造，并采用矢量计算方法，进行基于制造精度目标及其关系的综合误差计算，以实现对制造精度的控制或进行有针对性的优化设计或改进设计；5）研究和揭示了切削工艺参数对工件表面和亚表面残余应力的作用机制，初始残余应力与工序残余应力的叠加作用及其分布规律，研究了残余应力与切削力、切削热及其耦合作用的关系，及其对薄壁件加工变形的影响规律。研究获得的相关加工误差分析方法及计算模型、工艺优化设计准则与方法、不规则工件基准离散定位点布局的拓扑优化设计方法及夹具优化设计等成果已用于航天某些关键薄壁件精密加工的工艺方案设计、工艺参数设计及夹具方案设计等过程，取得了预期的理论价值和应用效果。