基于动态可加工性分析的薄壁多框体结构件夹具设计方法

As the low rigidity of the thin-walled multi-frame structure parts, improper fixture layout is apt to generate the machining vibration and deformation, which will seriously affect the machining accuracy and efficiency. Therefore, in this project the fixture design for thin-walled multi-frame structure parts is studied. The goal is to improve the machining accuracy and efficiency of the parts. The model of thin-walled multi-frame structure part is substituted by the multi-span plate model. Both the Rayleigh's energy and the Rayleigh-Ritz methods are used for the calculation of the response of the multi-span plate. The machining dynamics model of the workpiece-fixture-cutter system is established according to the dynamics of the flexible multi-body system. Both the float frame approach and the modern differential geometry theory are used for establishing the mathematical model of the machining global deformation of the workpiece. On this basis, the fixture design for thin-walled multi-frame structure parts based on the dynamic machinability analysis and the change of thickness due to the material removal action is established. The mathematical model for simultaneous prediction of the surface location error, the stability and the surface topography is built by using the temporal finite element analysis and the harmonic balance method. This will achieve the efficient machining and high precision machining for the thin-walled multi-frame structure parts.

由于薄壁多框体结构件的弱刚性，在加工过程中因装夹方式不当很容易产生加工振动和变形，影响加工精度和加工效率。为此，本项目拟以薄壁多框体结构件的夹具设计为研究对象，以提高零件的加工精度和加工效率为目标，以多跨度板模型替代薄壁多框体结构件模型，利用瑞利能量法和瑞利-里兹方法建立多跨度板动力学响应的数学物理方程，进而根据柔性多体系统动力学理论建立“工件-夹具-刀具”系统的加工动力学模型，利用浮动坐标系方法和现代微分几何理论建立工件在加工过程中整体变形的数学模型。在此基础上，建立反映工件在加工过程中的振动和铣削稳定性以及工件在加工过程中材料去除影响的夹具设计方法，并利用时间有限元分析方法和谐波平衡方法建立薄壁多框体结构件铣削加工表面位置误差、铣削稳定性以及加工表面形貌同时预测的数学模型，实现薄壁多框体结构件的高效高精加工。

随着我国航空工业的发展，对飞机的性能要求越来越高。为了减轻飞机的重量，并提高其机械性能，在飞机的零部件中，薄壁框体结构件作为主要承力结构件，得到了越来越广泛的使用。这类零件壁厚很薄，刚性差，在加工过程中极易产生振动和变形，使得其表面加工质量很难得到有效的控制。此外，对于这类高精高性能要求的产品，在铣削加工过程中由于装夹方式不当很容易产生加工振动和变形，影响铣削精度和效率，如何通过合理的夹具布局，使这类高柔性的薄壁框体结构件在装夹过程中产生的静态装夹变形最小化的同时，提高这类零件的动态可加工性(即，抑制工件的加工振动，提高工件的铣削稳定性) 显得尤为重要。本项目以薄壁框体结构件的装夹理论与技术为研究对象，以抑制薄壁框体结构件在加工过程中的振动和变形为目标，采用数学建模和实验相结合的方法，建立了“工件-夹具-刀具”系统的加工动力学模型，实现了基于夹具布局优化的薄壁框体结构件的加工振动抑制。在此基础上，研究了夹具元件布局优化对工件动态可加工性的影响，为进一步控制薄壁框体结构件的整体变形和优选铣削工艺参数提供了理论依据。主要的研究工作及创新点包括：(1) 建立了多体系强耦合高维非线性加工动力学模型；(2) 实现了基于夹具布局优化的薄壁框体结构件的加工振动抑制；(3) 实现了基于夹具布局优化的薄壁框体结构件动态可加工性分析；(4) 建立了薄壁框体结构件加工整体变形的数学模型；(5) 建立了薄壁多框体结构件铣削加工表面位置误差及加工表面形貌同时预测的数学模型；(6) 实现了基于混合算法的薄壁件铣削加工工艺参数优化以及基于灰关联神经网络的铣削表面粗糙度预测。本项目实现了薄壁多框体结构件的高效高精加工，为进一步合理优化铣削加工工艺参数以及优化刀具路径提供了科学依据和理论指导。项目成果对提升我国高档数控机床的加工工艺水平以及掌握航空高性能零件高效高精加工的关键技术有着重要的学术价值和应用前景。