浅析喷管大型不规则薄壁零件测量—加工一体化制造策略与技术

论文导读：杂、结构刚度低、材料难加工等制造特征,易在半精加工阶段产生较大的结构变形。若仅按照原始设计尺寸或模型进行常规数控加工,无法加工出满足几何精度和性能要求的零件。本论文从我国大型／重载液体火箭发动机的研制为工程背景,依托国家自然科学基金重点基金(No.50835001)、装备预研基金重点基金(No.9140x×××××××××x0902)和航天
摘要：在我国航空航天、运载、国防等重大工程领域中,出现了一批必须满足其高性能要求的大型不规则薄壁零件,如火箭发动机喷管、火箭推进剂共底构件、火箭燃料贮箱壁板等。这类零部件具有几何尺寸大、形状复杂、结构刚度低、材料难加工等制造特征,易在半精加工阶段产生较大的结构变形。若仅按照原始设计尺寸或模型进行常规数控加工,无法加工出满足几何精度和性能要求的零件。本论文从我国大型／重载液体火箭发动机的研制为工程背景,依托国家自然科学基金重点基金(No.50835001)、装备预研基金重点基金(No.9140x×××××××××x0902)和航天科技集团委托项目,针对大型不规则薄壁零件加工精度难从保证的不足,开展高效、精密数字化加工办法与关键技术的探讨。针对大型不规则薄壁零件尺寸误差或结构变形导致实际加工曲面与设计模型不一致的加工难题,提出一种基准关联约束的精加工目标曲面生成办法。基于E.Cartan活动标架和曲面相伴论述,使用在机实测的几何参数数据,在分析被测面、基准面及加工目标曲面的空间位姿联系基础上,探讨精加工目标曲面建模技术及曲面生成算法,再设计出精加工目标曲面。为提升大型复杂几何廓形的测量速度与精度,提出一种基于截面线法的点激光快速、精密扫描测量办法。探讨复杂曲面几何信息提取技术、激光三角法曲面测量误差预测技术。针对等步长测量案例易丢失关键几何信息的不足,探讨基于曲面局部曲率特点的测量制约步长优化制约技术,进而实现测点在被测曲面上的自适应分布。对于模型已知曲面,使用设计模型规划出传感器的采样制约点；对于模型未知曲面,在已测坐标的基础上使用混合预估法和二次形函数优化计算进给步长和测量行距。根据激光传感器位移测量误差与曲面几何特点的强关联性,量化分析了入射角度对测量精度的影响规律。针对不锈钢材料加工效率低、易切削振动等不足,探讨其铣削历程的动力学建模与稳定性性预测。建立考虑刀具偏心的三维稳态切削力力学模型和“主轴-刀具-零件”自由度加工动力学模型；基于材料本构联系和斜切机理,构建一种面向参数化铣刀的通用三维稳态切削力预报模型；使用高次谐波影响的多频法对盘铣刀铣槽加工进行切削稳定性预测,并根据稳定性叶瓣图优化切削参数。针对液体火箭发动机喷管直槽冷却通道原有的卧式仿形加工模式有着的零件胀形大、自动化程度差、产品合格率低等不足,发明了喷管直槽冷却通道的立式对称加工办法。设计了喷管直槽冷却通道数字化铣槽加工案例,研制出喷管立式装夹高刚度工装卡具,开发出在零件一次装夹下实现其几何参数在机测量、铣槽加工等多工位自动化操作的加工制约体系,研制出双主轴、双立柱结构的铣槽加工专用装备。所探讨的测量-加工一体化制造办法和高效率、高可靠性的专用加工装备成功运用于新一代液体火箭发动机喷管铣槽加工,为我国航天事业的进展做出了积极贡献。关键词：大型不规则零件论文薄壁论文测量-加工一体化论文数字化加工论文火箭喷管论文
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Abstract6-11
1 绪论11-21

1.1 选题背景及作用11-14

1.2 国内外探讨近况14-19

1.2.1 曲面生成办法14-15

1.2.2 曲面精密测量技术15-17

1.2.3 切削性能分析17-18

1.2.4 测量-加工一体化体系18-19

1.3 课题来源及论文主要内容19-21

1.3.1 课题来源19

1.3.2 论文主要内容19-21

2 基于活动标架论述的加工目标曲面生成办法21-29

2.1 曲面活动标架论述21-24

2.2 曲面建模24-26

2.1 相伴曲面24-25

2.2 加工目标曲面25-26

2.3 目标曲面求解26-28

2.3.1 参考面双三次B样条表示26

2.3.2 标架矩阵26-27

2.3.3 曲面生成算法27-28

2.4 本章小结28-29

3 基于截面线法的激光快速扫描测量29-47

3.1 曲面坐标提取原理29-31

3.2 模型已知曲面的扫描测量31-36

3.

2.1 扫描轨迹31-33

3.

2.2 测量制约点33-34

3.

2.3 测量行距34-36

3.3 模型未知曲面的扫描测量36-44
3.3.1 扫描进论文导读：移测量仿真48-524.2.1单元建模48-494.2.2离散能量光斑49-514.2.3位移评定51-524.3入射角影响分析52-574.3.1位移测量误差524.3.2校准实验设计52-554.3.3仿真预测55-564.3.4结果分析56-574.4本章小结57-585不锈钢材料切削力和加工振动建模与预测58-80

5.1不锈钢材料可加工性分析58-592三维稳态切削力建模与预测5

给步长37-39

3.2 测量行距39-40

3.3 跟踪采样40-42

3.4 自适应采样算法42-44

3.4 测量实验44-45

3.5 本章小结45-47

4 点激光三角法测量精度分析47-58

4.1 光学三角法位移测量原理47-48

4.2 位移测量仿真48-52

4.

2.1 单元建模48-49

4.

2.2 离散能量光斑49-51

4.

2.3 位移评定51-52

4.3 入射角影响分析52-57
4.

3.1 位移测量误差52

4.

3.2 校准实验设计52-55

4.

3.3 仿真预测55-56

4.

3.4 结果分析56-57

4.4 本章小结57-58
5 不锈钢材料切削力和加工振动建模与预测58-80

5.1 不锈钢材料可加工性分析58-59

5.2 三维稳态切削力建模与预测59-68

5.

2.1 刀具几何模型59-62

5.

2.2 力学联系模型62-65

5.

2.3 瞬时切屑厚度65-67

5.

2.4 切削力预测算法67-68

5.3 基于多频法的加工振动预测68-74
5.

3.1 动态切削力69-71

5.

3.2 加工稳定性预测71-74

5.4 加工实验74-79
5.

4.1 切削力实验74-77

5.

4.2 稳定性叶瓣图77-79

5.5 本章小结79-80
6 液体火箭发动机喷管测量-加工一体化体系研制80-97

6.1 火箭发动机喷管的加工特点81-82

6.2 多工位加工工艺案例82-83

6.3 机械体系83-86

6.

3.1 机床运动分析与总体结构83-84

6.

3.2 喷管立式装夹84-85

6.

3.3 可转位铣头85-86

6.4 制约体系86-88
6.

4.1 双通道制约86-87

6.

4.2 双电机串联制约87

6.

4.3 多个模拟主轴制约87-88

6.5 软件体系88-95
6.

5.1 体系通信构架88-89

6.

5.2 功能模块与算法89-94

6.

5.3 功能界面94-95

6.6 本章小结95-97
7 加工实验与实际运用97-108

7.1 实验条件97-99

7.2 廓形测量99-101

7.3 铣槽加工101-105

7.4 样件试切105-107

7.5 本章小结107-108

结论108-110
论文创新点110-111
参考文献111-118
附录A 机床精度118-119
附录B 软件体系人机交互界面119-121
附录C 专利证书121-122
攻读博士学位期间发表学术论文状况122-123
致谢123-124
作者介绍124-125