框类薄壁件装夹布局与加工参数研究

针对航空隔框类薄壁件在铣削加工中极易产生变形等问题,通过有限元软件ABAQUS研究了铣削过程中装夹布局和铣削参数对薄壁件加工变形量的影响。首先根据装夹有限元模型,分析装夹位置和夹紧顺序对薄壁件变形量的影响,并在装夹仿真的基础上建立了铣削加工模型,设计正交试验得到不同铣削加工参数下薄壁件的变形量;其次以仿真数据为样本,使用BP神经网络和遗传算法对装夹布局和铣削参数进行优化;最后对优化结果进行实验验证,结果显示仿真与实验数据比较符合,最小偏差为4.38%,最大偏差为9.35%。研究结果表明:通过有限元仿真试验辅助选取薄壁件的铣削加工参数,能充分地提高航空薄壁件的加工质量。

基于双混联机器人协同运动控制的薄壁件镜像铣削研究

为提高薄壁件镜像铣削过程中的加工质量,本文提出一种针对双混联机器人镜像铣削的协同运动控制策略。首先,结合机器人运动控制特点,研发出一种双CPU主从控制架构的开放式数控系统,以实现人机交互和运动控制;然后,为实现双机协同运动并提高薄壁件加工质量,在数控系统中集成了4大关键技术,分别是双机器人的镜像路径生成、同步速度规划、协同运动学和运动误差实时补偿;最后,基于自主开发的集成式镜像铣削数控系统,开展了单点和多点支撑、双机协同与非协同加工的平面薄壁件槽铣削试验,多点支撑的平面铣削试验,大曲率路径高速协同运动试验与曲面薄壁件槽铣削加工试验。试验结果表明,提出的协同运动控制策略能够保证双机器人具有较高的同步位置精度。此外,多点支撑方式在保证薄壁件铣削壁厚的同时,还可提高工件铣削的颤振稳定性。

小熔池激光沉积制造薄壁件沉积宽度的模型预测及试验研究

将激光沉积制造的热物理过程与薄壁件的几何特性相结合,基于层间沉积过程中的能量守恒关系建立了可以适配于小熔池激光沉积制造薄壁件沉积宽度的预测模型。该模型详细阐述了沉积宽度与激光功率、扫描速度与送粉速率之间的关系。利用Ti–6Al–4V(TC4)粉末沉积制备了多组样品来进行预测模型的验证,结果表明,该模型可以准确地预测不同工艺参数下薄壁件的沉积宽度,提高了试验参数匹配的准确性与效率,并为小熔池激光沉积制造工艺成形精度控制奠定了理论基础。

飞机薄壁件损伤铆接修理前后承载能力分析

铆接是飞机结构损伤修理中常用的修理方法之一。为深入研究飞机薄壁件损伤铆接修理前后的承载能力和破坏形式,应用ANSYS/LS-DYNA软件建立了其三维有限元模型,进行了准静态拉伸仿真模拟,并将相应的模拟结果与试验结果进行了对比分析。结果表明:有限元分析能有效模拟飞机薄壁件损伤铆接修理前后的承载能力和破坏形式;同时,进一步分析了铆钉布置和盖板形状对飞机薄壁件损伤铆接修理前后承载能力的影响。这些结果为研究飞机结构铆接修理工艺参数优化设计提供了参考依据。

钛合金薄壁件铣削加工的颤振监测方法研究

钛合金薄壁件在铣削加工过程中的动态特性相对复杂,易出现颤振现象,严重影响铣削加工的质量和效率。为满足钛合金薄壁件的高效、高精度铣削加工,提出一种考虑加工动态特性的颤振识别方法,利用粒子群算法(ParticleSwarmOptimization,PSO)来优化变分模态分解(VariationalModeDecomposition,VMD)参数,实现对颤振现象的有效监测。最后利用仿真实验,证实所提出的检测方法具有科学性和有效性。

铝合金薄壁件铣削变形原因分析与控制方法

针对铝合金薄壁类零件的数控铣削变形难题,从零件原材料性能、铣削前后残余应力的分布、刀具和切削工艺参数的选择及不同精度工装的使用等方面进行分析,确定影响零件变形的主要原因。介绍当前的变形控制方法和国内外研究现状,为薄壁件数控铣削提供了理论依据和研究方向。

柔性工装装夹下复合材料薄壁件铣边变形预测

针对复合材料薄壁件在阵列式柔性工装装夹下进行铣边加工的变形问题,通过有限元软件ABAQUS对其铣削过程进行模拟仿真。研究了POGO柱间距、POGO柱到边沿的边距,以及复材薄壁件主要纤维角度对铣边变形的影响规律。提出了柔性装夹时的薄壁件变形预测方法,可以有效预测间距、边距、角度等参数影响下的薄壁件的变形,对薄壁件边沿自重变形预测的误差值最大为3.6%,对薄壁件边沿外力变形预测的误差值最大为2.70%。

面向多品种大型筒类薄壁件的机外预调系统及方法

针对大型薄壁件机内找正定位效率低,机床占用率高等问题,依据“机外找正-机内加工”的双工位作业模式,提出并开发了面向多品种大型筒类薄壁件的机外预调系统,主要包含机外预调工作站及其管控软件。机外预调工作站由四轴测量设备、测量末端(百分表或激光扫描仪)和零点定位工装等组成,而管控软件则主要包含打表数据分析、点云数据分析和辅助调姿等功能。对于圆柱、圆锥筒类薄壁件,利用百分表配合四轴测量设备完成其位姿打表数据测量并通过管控软件计算调姿量,辅助工人完成工件调姿。对于异形筒类薄壁件,利用激光扫描仪配合四轴测量设备完成测量获取点云数据,进而通过管控软件利用点云配准手段计算加工坐标系的修正量。在机外预调工作站上完成多品种薄壁件位姿测量及预调后,利用零点定位系统将其快速转运至机床内部完成加工。在某型武器中的三类典型筒类薄壁件进行了机外预调应用验证,结果表明机外预调系统可提高圆柱、圆锥类零件找正效率约4倍,提高异形类零件找正效率约0.7倍。同时,该设备具备一定的通用性,可为航空航天制造业中其他类型的大型薄壁件找正定位过程提供参考及技术支持。

铝合金薄壁件超声振动铣削形变量研究

针对铝合金薄壁件加工中形变量较大的问题,这里提出了超声振动辅助铣削的方法对铝合金薄壁结构进行加工,以提高薄壁件的加工质量。首先采用ABAQUS软件建立了T形薄壁结构的热力耦合仿真模型,从温度场和应力场两方面对薄壁的变形因素进行了分析。然后设计了铝合金薄壁件铣削实验,研究了薄壁区域温度和受力的变化规律。最后通过测量试验后薄壁件的最大形变量,对仿真模型的准确性进行了验证。研究结果表明:薄壁结构的形变量随主轴转速的升高逐渐降低,随进给速度的增加逐渐增加。超声振动可以有效的降低薄壁结构的温度和受力,从而降低薄壁结构的形变量。超声振动铣削时形变量平均减小了22.8%。实验和仿真之间两者之间形变量的平均误差为4.3%,薄壁铣削形变量模拟具有较高的准确性。

超低温冷却对钛合金薄壁件切削形变作用仿真研究

在钛合金薄壁件铣削过程中,由于热—力耦合作用导致加工负载大、升温快,因此将液氮作为冷却介质应用于钛合金薄壁件的铣削。为了探究不同温度下钛合金薄壁件铣削变形的特性,基于ABAQUS软件建立有限元仿真模型,并将温度设定为20℃和-196℃,观察不同铣削参数下工件变形量的变化情况,将两种数据进行对比分析。研究结果表明:钛合金薄壁件在铣削过程中,相较于常温,低温可以减小工件的变形量。由此可得,低温可以优化钛合金薄壁件铣削的加工过程。

TC4钛合金薄壁件低温铣削变形研究

钛合金薄壁件刚性差、导热系数小,在加工过程中易产生回弹变形,直接影响其加工精度和性能。基于冰固持铣削实验和ABAQUS软件二维铣削及回弹变形有限元仿真,在温度区间[20℃,-80℃]内研究了工件温度、刀具角度和装夹方式对TC4钛合金薄壁件回弹变形的影响规律,得到不同条件下变形量、残余应力、切削力和刀具温度变化曲线。结果表明:铣削与回弹仿真可以有效预测实际加工。当工件温度从20℃降到-8℃时,TC4钛合金薄壁件的回弹变形量和残余应力分别减小了5.97%和48.61%,切削力在整个温度阶段增长了4%。当刀具角度为9°时,工件变形量最大;当刀具角度从3°增大到15°时,切削力和刀具温度分别下降了14.6%和27%。与点接触相比,面接触能够有效抑制工件变形。

大型薄壁件多点位自动化柔性支撑系统的位置优化研究

为解决多点位柔性工装系统在夹持大型薄壁件过程中需要满足定位形变量控制问题,基于“N-2-1”定位原理,针对均布算法局限,提出一种不依赖于外部操作者就能按照自生成原理实现系统的位置优化方法,并通过有限元软件Abaqus建立了大型薄壁件多点定位数值模型,采用先整体再局部依次进行位置优化。结果表明:优化后的支撑点位布局合理,系统资源利用率高,与单一整体位置优化相比,添加局部位置优化能够以最少支撑点位使得航空薄壁件更易达到工程要求;而对于局部存在缺陷无法进行支撑,则需考虑特定情况,调整相应支承机构点沿减小工件加工变形的最敏感方向移动,在局部变形较大的地方优化支撑点的数目,使得其变形相对于初始变形量显著下降,并且吸附压力也满足工程要求。

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CiteSpace的薄壁件加工研究进展与趋势分析

为了宏观掌握和挖掘薄壁件加工领域的研究动态、热点及前沿趋势,采用文献计量与知识图谱分析方法,以中国知网为检索平台梳理了2010-2022年关于薄壁件加工的研究成果,运用可视化分析软件CiteSpace对该领域的文献数据进行了发文量统计、关键词共现、关键词的聚类/突现/时间线、发文核心作者的分析。通过分析结论并结合国内外薄壁件加工的研究,从薄壁件的加工参数优化、装夹方式优化、低温切削技术角度等归纳总结当下的最新研究进展,展望了薄壁件加工领域的发展前景。

基于辐射噪声的柴油机薄壁件形貌优化设计

以某国六阶段的四缸柴油机中装配在空调压缩机上用于隔热的薄壁件为研究对象,采用形貌优化设计方法研究其一阶约束模态频率,以改善薄壁件在柴油机上的辐射噪声,并在考虑一阶模态频率的条件下实现薄壁件的轻量化设计。通过对优化前的薄壁件壳体建立三维实体模型,分析薄壁件的一阶约束模态和噪声测试结果,发现薄壁件存在自身的振动频率与发动机的工作频率共振的情况,进而导致薄壁件在柴油机工作过程中产生较为明显的异响。为解决该问题,需要对薄壁件进行优化设计,调整其一阶约束模态频率,以避开发动机的22阶下的振动频率,从而改善其NVH品质。利用形貌优化设计薄壁件共得出两种优化设计方案,综合考虑生产制造工艺可行性及成本控制确定了最终优化设计方案。对新优化设计方案进行模态分析发现,优化后模型的一阶约束模态频率提升幅度高达48.25%,重量降低了4 g;且优化后的模型一阶模态振型大幅改善,在噪声对比测试过程中发现优化后的结构辐射噪声改善明显;同时其振动加速度由原先的134 m·s^(-2)下降到118 m·s^(-2),降幅高达11.9%。优化后的设计有效改善了薄壁件的辐射噪声及其表面加速度,同时也为汽车轻量化设计提供了支持。

环形薄壁件残余应力分布及预测

薄壁件被广泛用于军事航空等领域,曲面薄壁件由于其形状的特殊性对加工精度和变形控制的要求更是十分严格,加工完成后的残余应力重分布会影响成品零件质量。以7075-T651铝合金环形薄壁件为分析对象,通过ABAQUS仿真软件建立曲面铣削模型,使用单因素分析法,分析了铣削速度、径向切深、轴向切深和每齿进给量等工艺参数对环形薄壁件残余应力分布的影响。结果表明使用高速,小切深可将最大残余应力值减少13%~15%.通过铣削仿真数据,通过BP神经网络和GRNN神经网络,建立预测曲面最大残余应力和工艺参数之间的关系,以实现对最大残余应力值的预测,从而改善铣削质量。结果表明,BP网络训练结果的最小误差为2.3%,GRNN神经网络预测的最小误差值为0.07%,综合对比后GRNN神经网络具有更优的预测能力。

激光选区熔化成形大尺寸薄壁件变形控制仿真与试验研究

采用Simufact Additive软件对典型大尺寸薄壁件——排气管进行了增材制造过程工艺仿真分析。结果显示,无约束下的排气管零件在激光选区熔化(SLM)成形后具有较高的残余应力,并存在较大变形;后处理释放了零件残余应力,但零件整体形变量进一步增至3.5 mm,最大形变量高达9 mm。通过引入具有高比强度、高比刚度的晶格结构作为控形辅助结构,设计了一种既具有足够抵抗变形能力又能够后处理去除的晶格工艺方案:单元格类型为QuadDiametral,杆径1.3 mm,杆长19 mm,晶格区域宽度约60 mm。晶格约束下的排气管零件SLM成形试验结果与数值模拟结果相当吻合,三维扫描云图结果显示,零件整体变形量在1 mm左右,最大变形量不超过2.5 mm,满足零件的使用要求。上述结果验证了晶格结构用于SLM成形大尺寸薄壁件变形控制的有效性。

选区激光熔化成形钛合金薄壁件热行为及打印极限高度研究

为了研究钛合金薄壁件在选区激光熔化工艺下的热行为及工艺参数对打印极限高度的影响,采用理论建模、模拟仿真和正交试验法等手段开展了钛合金薄壁件在复杂热循环作用下的热行为及打印极限高度研究。分别从单层单道、单层多道和多层单道展开研究。模拟结果表明,对于单层单道成形,当激光束从节点N1移动到节点N3时,熔池峰值温度和最大冷却速率逐渐增加;对于单层多道成形,当激光束从第1道扫描至第3道时,熔池尺寸和熔池峰值温度呈递增趋势;对于多层单道成形,当激光束从第1层扫描至第5层时,熔池尺寸呈递增趋势。试验结果表明,打印极限高度与激光功率成正相关,与扫描速度呈负相关,随着扫描间距的增加先增加后减小,且与激光能量密度呈线性增长趋势。

基于随动支撑头的薄壁件加工优化

针对航空航天大型薄壁零件加工过程易发生变形和颤振的特点,设计开发了基于音圈电机驱动的刚柔多点随动支撑头,该支撑头在抑振的同时可以保证壁厚误差。首先,采用ANSYS对薄壁件进行了模态分析与动力学分析并确定最佳预推位移;其次,通过模态实验以及铣削加工试验对最佳预推位移及其抑振效果进行验证;同时,采用自抗扰控制器(ADRC)控制音圈电机实时轴向伸缩调节使得加工过程中的轴向切深始终保持一致。结果表明,该支撑头可以有效降低薄壁件的振动且最佳预推位移为1 mm;同时,该支撑头可以控制轴向切深在加工过程中始终保持一致,同时可以将振动抑制在±5μm范围内。

316L不锈钢粉末激光熔覆薄壁件成形工艺研究

在316L不锈钢薄壁墙和方形薄壁试件的激光熔覆过程中,薄壁墙出现塌陷、表面不平整的缺陷,方形薄壁试件出现翘曲、过堆和裂纹等问题,对其成形过程进行了分析,提出措施解决了成形问题。并分析了方形薄壁件的硬度分布。结果表明:熔覆头急停急走,送粉量不均匀,造成熔覆成形缺陷。通过实时观察成形形貌,采用均匀送粉,得到规则形状的薄壁墙。对于方形薄壁件,不仅采用均匀送粉量,还采用“路径随机”方法,即以四层为一个周期,其中每周期第一、二、三、四层的起点依次为正方形的四个随机点进行熔覆,成形件层间均匀、表面平整,成形质量得到有效改善。