航空复杂薄壁零件智能加工技术_航空航天

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总序

近年来，“智能制造+共融机器人”特别引人瞩目，呈现出“万物感知、万物互联、万物智能”的时代特征。智能制造与共融机器人产业将成为优先发展的战略性新兴产业，也是中国

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前言

理论上，数控加工中只要使用零件模型编程，生成“正确”的程序，就能加工出合格的零件。然而，在实际的生产实践中，尤其是航空复杂薄壁零件的加工中，数控加工过程并非一直

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第1章　绪论

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1.1　数控加工技术

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1.1.1　数控技术发展历程

数控技术，简称数控（numerical control），是采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。1948年，美国空军提出研制直升机螺旋桨叶片轮廓

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1.1.2　数控加工模型的发展阶段

随着数控技术的发展，数控加工模型也在不断发展，经历了从最初的只处理二维图形到同时考虑几何与物理约束，以及现在的智能加工阶段，如图1.2所示。每个阶段的基本特点如

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1.2　智能加工技术

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1.2.1　智能加工技术的内涵

智能加工技术属制造过程智能化范畴，以实现数控加工过程智能化为目标，包括数控加工工艺系统和工艺过程的建模仿真、优化控制和智能加工系统集成等关键技术，以及智能加工机

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1.2.2　智能加工的实现途径

在智能加工系统中，一般借助先进的数字化检测与加工设备及虚拟仿真手段，实现对加工过程的建模、仿真、预测、优化，以及对真实加工过程的在线监测与控制，即实现动态集成。

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1.2.3　智能加工技术涉及的基础知识

1.数控加工技术数控加工技术主要涉及根据零件的结构特点及工艺要求，采用编程软件自动生成数控加工轨迹，以及控制数控机床，使之按照规划的路径运动。其中涉及的主要研

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1.3　本书的内容编排

本书是作者在加工过程建模、工艺模型、加工过程优化与控制等方面取得的规律性认识和创新性成果的系统性总结。本书后续内容的安排如下：第2章介绍时变加工过程的多态演化

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本章参考文献

［1］周济，周艳红.数控加工技术［M］.北京：国防工业出版社，2002. ［2］刘雄伟，等.数控加工理论与编程技术［M］.2版.北京：机械工业出版社，2003.

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第2章　时变加工过程的多态演化工艺模型

对于加工工艺系统的描述，现有的商业软件如Vericut等在定义加工工艺系统时，将完整的机床结构、工装夹具、数控系统以及相互之间的关系等都进行了描述，VNCK等软

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2.1　加工工艺系统的描述

如图2.1所示，加工工艺系统从里到外可以分为三个层次。最里面的一层为刀具-工件交互作用层面，刀具切削工件形成切屑，执行最基础的切削操作。中间层面为子系统层面，主

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2.1.1　刀具-主轴子系统动力学模型

工艺系统的组成部分中，刀具-主轴的组成部分相对独立与固定。当不考虑沿刀具轴向的振动且忽略机床本体的其他影响时，刀具-主轴形成的子系统可以简化为多自由度（DOF）

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2.1.2　工件-夹具子系统动力学模型

在由薄壁零件组成的弱刚性工艺系统中，工件的弱刚性占据主导地位，对交互作用下工艺系统响应的影响显著。单独考虑工件的振动时，在时刻t，将其简化为二自由度的质量-弹簧

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2.2　加工过程的多态演化模型

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2.2.1　加工过程的定义

加工时，随着工件材料的切除与加工位置的不断变化，工艺系统状态不断发生变化，这一不断变化的过程称为加工过程。为便于分析，实际的连续加工过程可以离散为若干有序的时刻

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2.2.2　加工过程的时域离散

加工过程中，工件上刀具的切削位置不断变化，可以根据刀具的切削位置、工件材料的切除状态、工件的工序阶段等不同层面对加工过程按照时间序列进行离散［2］。以航空发动机

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2.2.3　多态模型的演化

在智能编程系统中，各工序间准确工序模型的建立是实现智能加工技术的关键，国内外学者对工序模型的建立方法进行了大量的研究。但是，目前大多数工序模型建立方法都很难准确

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2.3　工件几何演化模型

复杂零件的加工过程通常分为若干加工工序，每道工序去除一定的材料，工件的形状也因此不断发生变化。为更加准确地分析零件的加工过程，有必要建立工件几何演化模型。工件几

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2.3.1　变形映射方法

变形映射是指从一个物体（源物体）到另一个物体（目标物体）的连续、光滑、自然的过渡。这里的物体可以是数字图像、多边形、多面体网格等，也可以是变形几何造型的一种特殊

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2.3.2　复杂加工特征的变形映射建模方法

在变形映射建模过程中，通过内部网格的生成与优化能够实现被切削几何体的参数化，进而获得被加工零件的多态工序模型。 2.3.2.1　变形映射建模方法的计算流程复杂

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2.4　工件动力学演化模型

零件切削成形的实质是多余材料的切除过程。在薄壁零件加工过程中，随着工件材料的连续切除，刀具姿态与切削位置也会不断改变，这些现象都会对工艺系统的动力学特性产生显著

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2.4.1　基于结构动力修改技术的工件动力学演化分析

采用结构动力修改技术可以快速、有效地预测工艺系统的动力学特性演化情况［11］。在薄壁零件的切削过程中，工件系统的模态参数会随着加工余量的不断切除而连续变化［2］

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2.4.2　基于薄壳模型的工件动力学演化分析

2.4.2.1　常见壳体结构的双曲薄壳力学模型在航空航天装备结构中，壳体结构非常常见。这些壳体的几何特征一定程度上可简化表征为球面、双曲抛物面、圆柱面和其他复

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2.5　刀具磨损演化模型

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2.5.1　加工中的刀具磨损

2.1节介绍的两个子系统中，刀具-主轴子系统中时变性最强的因素是刀具的磨损。刀具后刀面磨损是航空难加工材料零件切削过程中的强时变因素。刀具磨损量达到一定限度后，

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2.5.2　刀具磨损的演化建模

根据刀具分阶段磨损规律，以刀具的后刀面磨损量、磨损速度为状态参数，建立刀具磨损演化的预测模型［14］：式中：tk-1≤t≤tk；VB（tk）为tk时刻刀具的总

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