薄壁曲面零件数字化制造优化技术研究

薄壁曲面零件数字化制造优化技术研究

张月海

牡丹江中车金缘铸业有限公司  黑龙江 牡丹江 157000

摘要：文章针对薄壁曲面零件数字化制造中存在的问题，如加工振动、工装夹具和固定难题以及热机械耦合效应，探讨了相应的优化技术策略。通过引入数字孪生驱动的加工、在机测量与代用刚度模型、以及自适应定位和夹紧技术，旨在提升薄壁曲面零件的制造精度与效率。这些策略的综合应用有望为薄壁曲面零件的数字化制造带来显著的优化效果。

关键词：薄壁曲面零件；数字化制造；加工振动

引言：随着现代工业的快速发展，薄壁曲面零件在航空航天、汽车、模具等领域的应用日益广泛。然而，这类零件在数字化制造过程中面临着一系列技术挑战，如加工过程中的振动和颤振、工装夹具的设计和零件的固定难题，以及加工过程中产生的热机械耦合效应等。这些问题不仅影响零件的加工精度和质量，还可能导致生产成本的增加和生产效率的降低。

1.薄壁曲面零件数字化制造中存在的问题

1.1加工振动和颤振问题

薄壁曲面零件因其结构特性，刚性较差，在加工过程中容易发生振动和颤振。这种现象不仅会影响加工精度，还会对加工设备造成损害，增加了生产成本。振动是指零件在切削力作用下产生周期性的小幅度机械位移，而颤振则是振动的一种特殊形式，通常表现为较大幅度的周期性位移，严重时可导致工件表面出现波纹，甚至断裂。在薄壁零件的加工过程中，颤振频率通常在2000Hz至5000Hz之间。这些频率范围内的颤振对切削力有显著影响，切削力波动幅度可达原切削力的20%至50%加工振动和颤振不仅会影响表面质量，还会缩短刀具寿命。颤振会导致刀具磨损加剧，使用寿命缩短30%至50%。

1.2工装夹具和固定难题

薄壁零件由于其几何形状复杂且结构薄弱，传统的夹具往往难以提供足够的支持和固定力，这导致在加工过程中零件易变形、位置精度难以保证，从而影响最终产品的质量。夹具设计需要在不增加零件变形的前提下，提供足够的夹紧力，但由于薄壁零件的刚性较低，过大的夹紧力可能会引起零件局部应力集中，导致永久变形。根据实际生产数据，在薄壁零件加工中，由于夹具设计不合理导致的零件变形问题约占总质量问题的30%[1]。

1.3热机械耦合效应

在薄壁曲面零件的数字化制造过程中，热机械耦合效应是一个显著的问题。由于零件壁薄、曲面复杂，加工时易产生大量的切削热，导致局部温度迅速升高。这种温度变化与机械应力相互作用，使得零件在加工过程中容易发生变形，影响最终的加工精度。具体来说，当切削速度增加时，产生的热量也随之增加，例如，在某实验中，当切削速度从100米/分钟提高到300米/分钟时，切削区域的温度上升了约40%，这显著增加了零件的热膨胀和变形风险。由于薄壁零件的刚性较差，加工过程中产生的机械应力也容易导致零件变形。在相同的加工条件下，薄壁零件的变形量比普通零件高出约30%。

2.薄壁曲面零件数字化制造优化技术策略

2.1数字孪生驱动的加工

要实现数字孪生驱动的加工，需要建立精确的数字模型，包括利用先进的CAD软件对薄壁曲面零件进行精确的三维建模，确保模型的几何形状、尺寸和材料属性与实际零件相一致。还需要考虑加工过程中的各种物理因素，如切削力、热变形等，以便更准确地模拟实际加工情况。利用虚拟仿真软件，在数字模型上进行切削实验，模拟不同的切削参数和工艺路线对零件加工的影响。通过对比不同方案的加工效果，选择最优的加工参数和工艺路线。可以模拟不同的切削速度、进给量和切削深度等参数，观察其对零件加工精度和表面质量的影响。在实施数字孪生驱动的加工过程中，还需要对加工过程进行实时监控和调整。集成传感器和数据分析技术，实时监测加工过程中的切削力、温度、振动等参数，并与数字模型进行比对。一旦发现异常情况，如切削力过大或温度过高，可以立即调整加工参数或采取其他措施来避免零件损坏或加工质量下降。建立零件的数字孪生体，可以预测零件在使用过程中的性能变化和潜在故障点，从而制定合理的维护计划。这种预测性维护策略可以延长零件的使用寿命并降低维护成本。

2.2在机测量和代用刚度模型

在进行在机测量时，选用合适的测头系统，这通常包括接触式测头和非接触式测头两种。接触式测头通过物理触碰工件表面来获取数据，其精度较高，但需要考虑测头与工件的接触力对测量结果的影响。非接触式测头，如激光测距仪，可以在不接触工件的情况下进行测量，速度更快，但可能受到工件表面反射性能的影响。在实施测量时，应确保机床、测头和工件之间的相对位置准确无误，同时采取多次测量取平均值的方法来提高数据可靠性。测量数据的处理同样重要，通常涉及数据的平滑处理、异常值的剔除以及基于统计学的误差分析。采用最小二乘法对测量数据进行拟合，以减少随机误差的影响[2]。

2.3自适应定位和夹紧技术

自适应定位技术是通过先进的传感器和控制系统来实现的，在加工前需要使用高精度的测量设备对工件进行精确测量，获取其准确的形状和位置信息。这些数据将被输入到控制系统中，与预设的加工路径进行对比和校准。在加工过程中，控制系统会实时监测刀具和工件之间的相对位置，根据实时反馈调整刀具路径，以确保加工精度。安装高分辨率的摄像头，捕捉工件的实时图像，并通过图像处理算法提取工件的边缘轮廓和特征点。这些数据将与CAD模型进行匹配，从而精确地定位工件在机床坐标系中的位置。利用激光跟踪仪等高精度测量设备，实时监测工件的位置和姿态变化，为控制系统提供准确的反馈。对于薄壁曲面零件，需要采用柔性的夹紧方式，以避免夹紧力对工件造成变形或损伤。可以使用自适应夹紧结构，这种结构能够根据工件的形状和大小自动调整夹紧力。采用由弹性材料制成的夹具，通过传感器实时监测夹紧力的大小，并根据预设的阈值进行调整。这种方式可以确保夹紧力既不过大也不过小，从而保护工件免受损伤。

结语：薄壁曲面零件的数字化制造是一个高度复杂且精细的工艺过程，它涵盖了诸多技术难题。通过深入研究并应用数字孪生技术、在机实时测量、自适应定位和智能夹紧等先进制造技术，能够显著提升薄壁曲面零件的加工精确度和生产效率，从而为现代制造业的持续发展注入新的活力。展望未来，随着这些前沿技术的逐步完善与广泛应用，坚信薄壁曲面零件的加工工艺将迈上一个崭新的台阶，为制造业的进步贡献更大的力量。

参考文献：

[1]彭应征.薄壁曲面零件数字化制造优化技术研究[J].有色金属设计,2019,46(04):110-112.

[2]赵东宏.薄壁曲面零件数字化制造优化技术研究[D].江苏大学,2016.

作者简介：张月海，出生年月:1986 07 04，性别:男，民族：汉，籍贯:黑龙江海林，职称：工程师，学历：大学本科，研究方向：薄壁曲面零件数字化制造优化技术