薄壁曲面零件数字化制造优化技术研究

摘要

随着薄壁曲面零件的广泛应用，薄壁曲面零件的设计及加工已成为数字化设计和制造（CAD/CAM）开发与应用领域的热点。薄壁曲面零件形状复杂加工周期长，刚性差容易变形，变形补偿困难，装夹难度很大。薄壁曲面零件的数控加工是数字化制造领域的研究重点，本文就面向薄壁曲面零件的数控编程技术、数控加工工艺和曲面夹具进行了深入的研究。
　　针对传统数控刀路轨迹不连续、或刀路轨迹连续但尖角转接过多等严重制约高速加工切削性能的瓶颈问题，本文提出了面向高速加工的复合型螺旋刀轨生成方法。以高速加工必须的切削稳定性为目标，将复杂自由曲面细分为“平坦曲面”、“顶部平面－陡峭面”、“顶部平坦曲面－陡峭面”和“复合型陡峭曲面”等几大类型，根据各自不同的形状特点和工艺特点，分别开发不同结构的复合型螺旋刀轨，可以满足各种复杂形状自由曲面高速加工的苛刻要求，有效解决了高速加工中的切削颤振和振动，薄壁曲面零件的加工效率和加工精度有明显提高。
　　针对曲面逆向构建过程中常见的扭曲现象，以构建变形补偿曲面为核心，将传统变形补偿技术、逆向工程技术和数控5轴CAM技术的最新成果有效结合起来，提出面向薄壁曲面变形补偿的“样条曲线拟合技术优化法”、“曲面重构技术优化法”和“基于曲面三维法向补偿的CAM编程法”，实现了曲面误差补偿和数控编程一体化，在曲面变形补偿精度和CAM编程效率方面都有较大的提高。
　　针对薄壁曲面零件工装设计方面缺乏高效曲面自适应夹具的问题，研制了面向环形薄壁毛坯的多点式环形曲面自适应夹具以及面向薄壁曲面箱体零件的多点式曲面自适应真空夹具。多点式曲面自适应夹具综合了机械结构和液压结构的优点，与传统夹具相比接触点数量成倍增加，在结构上实现了多点浮动功能，形状适应性强装夹效率高，可以满足自动化生产线对自由曲面零件快速装夹的要求。有限元分析和实际使用效果表明自适应夹具能够满足自动化生产线对自由曲面快速装夹的要求。
　　论文的研究结果为薄壁曲面零件高速切削技术、薄壁曲面三维变形补偿技术和多点式曲面自适应夹具的应用提供新的方法和工具。

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变量注释表

第1章 绪 论

1.1 课题背景与意义

1.2 曲面零件的分类和加工特点

1.3 薄壁曲面零件数控加工国内外应用与研究现状

1.4 薄壁曲面零件数控加工存在的问题及对策

1.5 本课题的组织结构

第2章 面向薄壁平坦曲面的高速加工切削刀轨的研究

2.1 不连续刀轨切削力的分析

2.2 边界线性扩展螺旋刀轨

2.3 通用型复合曲线螺旋刀轨

2.4 面向大面积平坦曲面的多螺旋线切削法

2.5 本章小结

第3章 面向薄壁陡峭曲面的高速切削刀轨的研究

3.1 陡峭曲面简易型螺旋切削刀轨

3.2 “顶部平面－陡峭曲面”复合螺旋刀轨

3.3 “顶部平坦面－陡峭面”复合螺旋刀轨

3.4 复合型陡峭曲面的高速刀轨

3.5 本章小结

第4章 曲面变形补偿数控技术的研究

4.1 样条曲线拟合技术优化法

4.2 曲面重构技术优化法

4.3 曲面变形补偿技术的数控应用

4.4 本章小结

第5章 薄壁曲面零件自适应夹具的研究

5.1 多点式环形曲面自适应夹具

5.2 多点式曲面自适应真空夹具

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 论文主要的研究工作和成果

6.2 论文的主要创新点

6.3 今后研究工作的展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的相关论文及科研项目