基于非刚性配准的复杂曲面修复原理与再制造五轴加工方法研究

当前，在很多关键装备尚需进口和叶片等高端零件制造费用昂贵的情况下，提升我国高端零件的再制造能力对保障装备长期使役、减少资源浪费和实现绿色制造意义重大，需求极为迫切，但受到数字化修复能力不足的严重制约。应用非刚性配准思想，提出复杂曲面零件在变形条件下破损区域几何修复的模型建立与求解新思路、新方法，给出面形修复质量的综合评价指标，为复杂曲面零件的精确几何修复提供源头研究成果；针对薄壁件破损区域焊后加工的特点，提出基于自由边界协调映射的五轴加工刀位轨迹生成新方法，建立切削力、热和残余应力的定量描述与预测模型，在考虑热力耦合效应的再制造五轴加工工艺参数制定方面取得突破；以叶片等典型零件为研究对象，进行典型破损形式的几何修复与焊后五轴加工实验，并结合相关的参数检测结果，提炼总结出高端零件数字化修复的一体化工艺策略和方法，提高修复加工的表面质量和效率，为提升我国的再制造能力提供核心关键工艺技术支持。

当前，在很多关键装备尚需进口和叶片等高端零件制造费用昂贵的情况下，提升我国高端零件的再制造能力对保障装备长期使役、减少资源浪费和实现绿色制造意义重大，需求极为迫切，但受到数字化修复能力不足的严重制约。应用非刚性配准思想，建立了基于变形模版的复杂面形的几何修复模型，提出了零件轮廓缺损区域几何修复的修复依据和评价准则，给出了稳定的数值算法和迭代求解策略。揭示了钛合金零件激光熔覆修复的熔覆层成形规律，提出了基于响应曲面法的激光熔覆工艺参数优化方法。借助于反向建模思想，建立了钛合金激光熔覆过程的自适应三维热力学有限元模型，实现了适应工艺参数组合变化的温度场分布模拟。针对零件修复加工过程中的路径规划问题，通过引入自由边界条件，提出了基于自由边界映射的多岛链环形走刀轨迹生成模型和方法，给出了基于树状结构的无抬刀连续加工的等距环连接策略，有效避免了直接在空间曲面上进行等距求交等复杂操作，丰富了轨迹设计的形式和方法。基于加工路径几何参数、运动参数和机床各轴驱动特性之间的解析关系，提出了以刀具位姿变化最小、机床各轴角速度或角加速度变化最小为目标的刀具位向约束优化方法。针对跳动情形下的五轴加工问题，提出了考虑刀具跳动效应的刀具扫掠面建模方法、加工几何误差的刀位规划补偿方法、五轴加工铣削力精确预测方法和铣削稳定性预报新方法，揭示了跳动效应对加工误差和加工动力学特性的影响规律。提出了几何特性、工艺特性和机床驱动特性约束下进给率定制的线性规划方法和跃动约束下基于曲线演化的多轴加工运动规划方法。以钛合金叶片为典型零件，进行了典型破损形式的几何修复、激光熔覆与修复后五轴加工实验，验证了本课题的研究成果，并据此提炼总结出高端零件数字化修复的一体化工艺策略和方法，为提升我国的再制造能力提供了理论与技术支持。.本课题授权发明专利1项、公开发明专利一项；在国内外期刊上发表学术论文15篇，其中SCI期刊论文11篇，EI论文15篇。有关数字化加工方面的部分研究成果已获得实际应用。课题负责人做国际学术会议特邀报告2次，作为第三完成人获得2013年度教育部技术发明一等奖1项。本课题培养博士生3人，硕士生9人，其中已毕业博士生1人，硕士生4人。