薄壁件周铣切削力建模与表面误差预测方法研究

薄壁件加工变形是影响加工精度与质量的关键因素,而切削力建模则是预测表面加工误差的基础。针对两种典型的切削力模型,系统地研究了薄壁件周铣加工过程中切削力变化及表面变形误差分布的有限元计算方法,提出了基于三维非规则网格的刀具/工件变形的耦合迭代格式以及恒定网格下材料去除效应的变刚度处理方法等关键技术,仿真过程充分考虑了切屑厚度变化及不同切削参数对预测结果的影响。以典型钛合金航空材料构件为例,数值计算结果与实验参考数据比较表明,两种切削力模型对同一切削过程的预测均具有很好的一致性。     

薄壁件铣削过程加工变形研究进展

机床加工性能和刀具切削性能的发展使得薄壁件的高效率和高精密加工成为可能，也使得薄壁件在航空航天领域得到更广泛应用。薄壁零件结构复杂、刚度低，在铣削过程中易发生变形，因此精准预测与控制薄壁件的加工变形是机加工领域亟需解决的工艺难题。通过对薄壁件分类以及加工工艺分析，归纳总结引起薄壁件加工变形的因素，对加工变形影响最为关键的铣削力计算模型进行简述；结合国内外薄壁件变形预测与控制方法的研究，以弹塑性和数值模拟方法对薄壁件加工变形进行预测，通过加工工艺优化、辅助支撑技术、高速切削技术和数控补偿技术等方法对薄壁件加工过程的变形量进行控制；基于数据驱动数字孪生体的更新迭代，实现薄壁件实际加工过程的孪生及薄壁件变形预测与控制，构建了以数字孪生为平台的薄壁件加工变形预测与控制理论框架；最后对数字孪生在薄壁件加工变形预测及控制的发展与应用提出展望。     

基于双三次B样条插值的薄壁件加工误差补偿方法

以薄壁件加工过程为研究对象,针对薄壁件加工的误差预测、补偿问题,提出一种基于双三次B样条插值的薄壁件加工误差补偿方法.在获得薄壁件历史加工数据的基础上,运用插值理论建立误差模型,得到误差分布规律,考虑切削力与弹性变形之间的迭代影响建立误差补偿方法.该方法综合考虑了弹性变形、热误差、几何误差等多种误差源,通过数值分析方法建立误差模型,避免以往薄壁件误差建模中误差源分析不全、解析困难的弊端,最终以薄板工件为例,通过实验验证,应用该误差补偿方法可有效提高薄壁件的加工精度.     

薄壁件周铣过程中材料去除效应的快速仿真

 针对薄壁件铣削过程加工误差预测,建立了一种快速有效的材料去除仿真模型,即利用工件的原始有限元网格模型,直接使用径向切削量的名义值进行材料去除效应模拟,将被切除网格单元的单元刚度按被切除体积与该单元初始体积的百分率等效修正。该模型既无需进行工件网格重划,又可以很好地保证仿真精度,极大地简化了处理流程,提高了计算效率。应用实例的计算结果和试验结果比较,表明了该模型的有效性和实用性。     

石蜡辅助加固钛合金薄壁件加工质量分析

建立了钛合金-石蜡系统静力学模型,从静力学角度研究钛合金薄壁框类零件在瞬态切削力作用下工件的受力特点和变形情况;设计石蜡填充钛合金框类薄壁件铣削试验,对试验过程中的振动加速度信号和已加工表面质量进行分析对比,并研究石蜡辅助加固对钛合金薄壁件加工性能改善的作用机理.研究表明:采用石蜡辅助加固能可显著降低钛合金薄壁件加工让刀变形,提高切削加工稳定性,改善加工表面质量.     

面向航空复杂薄壁零件智能加工的进化建模方法

航空复杂薄壁零件的材料加工性能差、加工过程的强时变性和多态性(工件的几何、动力学特性,刀具磨损状态在加工过程中变化剧烈)导致建模难度较大.为了提高航空复杂薄壁零件的加工精度,首先根据薄壁零件加工工艺,通过对加工时间进行离散,建立了零件加工过程4维多态模型.针对具体工序模型的演化过程,建立了几何演化模型、动力学演化模型以及刀具磨损演化模型,最后通过误差补偿进化模型建立了整个加工过程的闭环控制,通过迭代学习方法实现了非线性误差的建模.     

聚氨酯泡沫辅助加固钛合金薄壁件铣削性能研究

针对钛合金薄壁件刚度低,加工过程中容易产生振动、让刀等问题,通过采用聚氨酯泡沫辅助加固钛合金薄壁结构件来提高工件刚度,以实现钛合金薄壁件高效稳定切削加工的相关工艺理论和关键技术。设计在相同条件下采用聚氨酯泡沫填充以及未填充钛合金框类薄壁件铣削试验,对工件侧壁铣削振动加速度时域信号、加工表面质量以及让刀变形进行对比分析,并利用MATLAB软件对振动信号进行快速傅里叶变换(FFT)来进行频域对比分析。结果表明采用聚氨酯泡沫辅助加固能够显著提高钛合金薄壁件加工过程中的稳定性,改善工件加工表面质量、减小让刀变形。     

航空发动机薄壁件铣削加工动力学研究进展

铣削过程中引起的加工变形和切削振动是影响航空发动机薄壁件加工精度与质量的主要因素,通过分析加工过程中工件的动态响应特性,从切削动力学角度,基于知识型数控加工过程仿真成为航空发动机薄壁件颤振抑制的一种灵活通用的物理仿真方法。目前,关于航空发动机薄壁件的动力学物理仿真研究主要包括航空发动机薄壁件铣削力建模与试验方法研究、铣削动力学建模和铣削动力学模型仿真与工艺参数优化。     

激光加热辅助车削高温合金薄壁件变形仿真及试验研究

机匣件作为航空发动机的重要零部件,是一种典型的薄壁件,其尺寸大、壁薄以及刚性低等特点使得在加工过程中容易发生工件变形、刀具震颤,造成加工精度不达标,以及加工表面质量差等问题。本文建立高温合金常规车削与激光加热辅助车削模型,并通过试验验证了模型的准确性。模型最大误差为10.1%,最小误差为5.5%,平均误差为7.8%,处于可接受范围。然后建立常规车削与激光加热辅助车削薄壁件模型,研究激光加热辅助车削对薄壁件变形的影响。研究结果表明,与常规车削相比,当激光照射温度达到650℃以上时,激光加热辅助车削切削力分别下降了20.2%、19.8%和15.2%。激光加热辅助车削能够降低车削薄壁件过程中的加工变形。与常规车削相比,激光加热辅助车削薄壁件时,加工变形量分别降低了15.6%、12.7%和13.3%。     

基于行列式柔性工装快速重构方法的研究

针对飞机薄壁件加工的技术难点,在行列式柔性工装系统的基础上,通过分析系统机构和运行原理,建立数学模型,提出了工装快速重构的智能方法。该方法根据工件的外形以及待加工孔位信息,确定POGO柱的吸附位置,并通过DELMIA装配仿真进一步确定POGO柱的吸附位置以及相对与工装基准面的伸出距离。仿真结果表明,该方法可以使该柔性工装系统针对不同的产品模型进行快速重构,满足飞机薄壁件的加工需求。     

Chatter stability prediction in four-axis milling of aero-engine casings with bull-nose end mill

An analytical model for chatter stability prediction in bull-nose end milling of aero-engine casings is presented in this paper. And the mechanics and dynamics variations due to the complex cutter and workpiece geometry are considered by analyzing the effects of the lead angle on the milling process. Firstly, the tool-workpiece engagement region is obtained by using a previously developed method and divided into several disk elements along the tool-axis direction.Secondly, a 3D dynamic model for stability limit calculation is developed and simplified into a 1D model in normal direction considering only the dominant mode of the workpiece. Then the cutting force coefficients, the start and exit angles corresponding to each disk element are determined. And the total stability lobe diagram is calculated using an iterative algorithm. Finally, several experimental tests are carried out to validate the feasibility and effectiveness of the proposed prediction approach.     

薄壁件加工变形主动补偿方法

研究薄壁件加工过程中受力变形产生的回弹误差控制,提出了分层完全补偿和优化补偿两种加工路径补偿方法,建立了加工路径补偿优化模型,考虑了多次走刀间加工变形和切削力的耦合作用,并应用迭代算法求解路径补偿优化模型。以航空薄壁件单刃端铣加工为例,对完全补偿、分层完全补偿和优化补偿进行了仿真分析和试验分析。结果表明,分层完全补偿和优化补偿能更好地减少加工误差,为薄壁件受力变形控制提供了参考依据。     

A novel stability prediction approach for thin-walled component milling considering material removing process

The milling stability of thin-walled components is an important issue in the aviation manufacturing industry,which greatly limits the removal rate of a workpiece.However,for a thin-walled workpiece,the dynamic characteristics vary at different positions.In addition,the removed part also has influence on determining the modal parameters of the workpiece.Thus,the milling stability is also time-variant.In this work,in order to investigate the time variation of a workpiece's dynamic characteristics,a new computational model is firstly derived by dividing the workpiece into a removed part and a remaining part with the Ritz method.Then,an updated frequency response function is obtained by Lagrange's equation and the corresponding modal parameters are extracted.Finally,multi-mode stability lobes are plotted by the different quadrature method and its accuracy is verified by experiments.The proposed method improves the computational efficiency to predict the time-varying characteristics of a thin-walled workpiece.     

Vibration suppression of thin-walled workpiece machining considering external damping properties based on magnetorheological fluids flexible fixture

Milling of the thin-walled workpiece in the aerospace industry is a critical process due to the high flexibility of the workpiece. In this paper, a flexible fixture based on the magnetorheological(MR) fluids is designed to investigate the regenerative chatter suppression during the machining.Based on the analysis of typical structural components in the aerospace industry, a general complex thin-walled workpiece with fixture and damping constraint can be equivalent as a rectangular cantilever beam. On the basis of the equivalent models, natural frequency and mode shape function of the thin-walled workpiece is obtained according to the Euler–Bernoulli beam assumptions. Then,the displacement response function of the bending vibration of the beam is represented by the product of all the mode shape function and the generalized coordinate. Furthermore, a dynamic equation of the workpiece-fixture system considering the external damping factor is proposed using the Lagrangian method in terms of all the mode shape function and the generalized coordinate, and the response of system under the dynamic cutting force is calculated to evaluate the stability of the milling process under damping control. Finally, the feasibility and effectiveness of the proposed approach are validated by the impact hammer experiments and several machining tests.     

一种薄壁悬臂叶片数控加工非均匀余量刚度补偿方法

 在数控加工过程中,因受到切削力的影响,薄壁悬臂叶片容易出现弯曲、扭转变形等问题而导致被加工曲面误差较大。针对该问题,提出了一种非均匀余量刚度补偿方法,将非均匀余量偏置面作为粗加工/半精加工零件面以提高叶片精加工时的抗弯刚度。首先,分析了集中力载荷下截面厚度对薄壁工件变形的影响;然后,对叶片径向和截面线方向分别采用线性变化和正弦函数变化两种方法进行叶片曲面非均匀余量刚度补偿设计;最后,基于叶片原始截面线,采用放样法构造出叶片曲面的非均匀余量偏置面。试验结果表明,采用非均匀余量刚度补偿方法可以提高被加工叶片精加工时的刚度,加工出的叶片满足了设计误差要求。     

基于环面刀具的叶片过渡区域宽行加工技术

基于“最短距离线对”(SDCP)刀位误差分布计算原理,提出了一种利用圆环面刀具来进行叶片过渡区域的宽行加工的刀位优化数学模型.以圆环面刀具的环心圆前沿上的各点到被加工曲面等距面的误差在控制范围内,后沿上的各点到被加工曲面等距面的误差大于零,以及环心圆上的各点到相邻曲面等距面的误差大于零作为刀位计算的约束条件,以行宽作为...     

基于改进半阈值算法的电容层析成像滑油监测方法研究

针对航空滑油检测过程中电容层析成像（Electrical Capacitance Tomography,ECT）存在的病态性和欠定性问题,将稀疏正则化中基于L1/2正则化的半阈值迭代算法应用到ECT图像重建,加入L2范数的惩罚项,构造新的泛函模型,并在迭代过程中设计一种新的约束项以优化解向量。仿真实验采用Comsol5.3搭建系统模型,Matlab2014a处理采集数据。实验结果表明,与Landweber迭代算法相比,改进算法成像误差降低37.33%,相关系数提升33.67%;与半阈值迭代算法相比,改进算法成像误差和相关系数分别降低12.31%和提升11.86%,图像误差降低至0.24、相关系数提升至0.92,且成像时间依然保持在0.06s。实际滑油监测的实验系统采用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）直接数字频率生成模块生成数字量的正弦激励信号,通过D/A转化为正负交流信号对测量电极进行激励。实验结果表明,基于ECT系统的改进半阈值迭代算法可以满足航空发动机滑油监测的实时性和准确性的要求。     

高温合金复杂薄壁零件多道次充液拉深技术

充液拉深(HDD)技术是薄壁零件成形的一种有效方法.针对难成形,复杂薄壁结构的某型发动机高温合金板材零件,通过分析锥面自由悬空区的起皱失稳现象,设计了多道次充液拉深结合刚模成形的技术方案,并建立了有限元分析模型.基于有限元模拟和工艺验证试验,研究了预成形高度和终成形液室压力等关键工艺参数对零件最终成形质量的影响,探讨了...