【摘要】：復(fù)雜曲面零部件已經(jīng)成為航空航天、能源動(dòng)力、汽車電子等行業(yè)中最復(fù)雜而又最常用的核心構(gòu)件。隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展,常常需要在該類型零部件表面加工功能性結(jié)構(gòu)來使零部件獲得光學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)或仿生生物學(xué)等特殊性能。一般零部件的總體尺寸(米量級(jí))與所需加工的功能性結(jié)構(gòu)尺寸(微米量級(jí))相比有10~6倍的差別,屬于典型的跨尺寸制造。通常這種加工需求所針對(duì)的基體材料,既包括硬質(zhì)材料表面如模具鋼、硬質(zhì)合金等,也包括軟質(zhì)材料如環(huán)氧樹脂、塑料以及復(fù)合材料如覆銅板和柔性板等。多年來,人們采用高精度數(shù)控銑削方法、曲面掩膜化學(xué)腐蝕方法等來實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面表面功能性結(jié)構(gòu)的加工制造,雖然取得了一定的成效,但是在制造精度、效率和質(zhì)量方面與最終用戶的使用要求還相差甚遠(yuǎn),無法滿足實(shí)際工程需求。本文在大量前期研究工作的基礎(chǔ)上,創(chuàng)造性地提出了投影式激光振鏡掃描刻蝕(Laser Projective Ablation Galvanometer Scanning,簡(jiǎn)稱LPAGS)制作復(fù)雜曲面零部件表面功能性結(jié)構(gòu)的新原理、新方法,并圍繞LPAGS加工的裝備原理、理論基礎(chǔ)、工藝流程、誤差來源分析及補(bǔ)償、質(zhì)量控制及工藝優(yōu)化、工業(yè)應(yīng)用等方面展開了相關(guān)的技術(shù)研究,主要的研究成果如下:建立并完善了LPAGS加工技術(shù)的理論體系。LPAGS加工技術(shù)的理論依據(jù)主要有:1、平行投影變換原理:基于平行投影變換原理,復(fù)雜曲面表面的三維功能性結(jié)構(gòu)圖形能夠真實(shí)、合理地轉(zhuǎn)化成二維平面上投影加工圖形;2、光路的可逆性原理:激光光束只需按照由投影加工圖形生成的掃描加工軌跡,正向投影作用于復(fù)雜曲面表面,即可完成對(duì)復(fù)雜曲面功能性結(jié)構(gòu)的制作;3、激光焦深特性原理。在激光的焦深變化范圍,激光光斑大小、能量分布基本保持不變,因此只要工件表面的起伏變化量小于焦深,則在相同的加工參數(shù)下,加工質(zhì)量和精度也基本保持不變�；贚PAGS加工技術(shù)的理論體系,設(shè)計(jì)了LPAGS加工的工藝流程,主要包括:(1)復(fù)雜曲面零部件的三維建模;(2)曲面表面功能性結(jié)構(gòu)的建模;(3)曲面的分區(qū)規(guī)劃;(4)掃描加工軌跡的生成;(5)曲面的投影刻蝕加工�；诘然￠L(zhǎng)投影原理的功能性結(jié)構(gòu)建模保證了復(fù)雜曲面表面結(jié)構(gòu)圖形的合理性和真實(shí)性。首次提出了復(fù)雜曲面的分片、分塊和分層加工的技術(shù)路線,并建立了多重判別下的曲面分片、分塊和分層準(zhǔn)則,以此來作為在復(fù)雜曲面獲得高精度和高質(zhì)量以及高效率LPAGS加工的必要條件。曲面分片準(zhǔn)則為:曲面分片內(nèi)任意一點(diǎn)的激光入射角應(yīng)當(dāng)小于加工精度要求的最大激光入射角度θ_1;曲面分塊準(zhǔn)則是:曲面分塊范圍不能超過振鏡的有效掃描范圍S_z;復(fù)雜曲面分層準(zhǔn)則為:曲面分片內(nèi)任意兩層層間距?h不大于聚焦激光的焦深范圍DOF。采用基于K-means聚類和曲面法矢方向錐的二叉空間劃分算法被用來完成對(duì)復(fù)雜曲面的分片處理,采用Cohen-Sutherland裁剪算法來對(duì)復(fù)雜曲面的分塊、分層處理�；诙囿w系統(tǒng)誤差建模理論,建立了“5+3”軸LPAGS數(shù)控裝備的幾何誤差模型,并在幾何誤差模型的基礎(chǔ)上建立了數(shù)控裝備誤差敏感度分析模型。通過計(jì)算和分析誤差敏感度系數(shù),識(shí)別出了影響裝備空間誤差E_v的關(guān)鍵性幾何誤差項(xiàng)。根據(jù)對(duì)數(shù)控裝備誤差敏感度的分析結(jié)果,采用實(shí)時(shí)檢測(cè)的方式來調(diào)整了數(shù)控裝備的裝配精度。利用雙線性插值的校正算法減小因振鏡掃描畸變產(chǎn)生的精度誤差,校正后加工掃場(chǎng)范圍為40×40 mm的方框,尺寸精度可達(dá)±10μm。采用基于射影變換的校正算法對(duì)因光路誤差導(dǎo)致的菱形和梯形誤差進(jìn)行了補(bǔ)償。采用田口法來探索了LPAGS加工參數(shù)對(duì)加工精度和質(zhì)量的影響,其中激光功率和激光入射角是影響LPAGS加工結(jié)果的兩個(gè)重要參數(shù),在“5+3”軸LPAGS數(shù)控裝備上進(jìn)行了LPAGS加工關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證,成功地將該技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際大型零件復(fù)雜曲面加工應(yīng)用生產(chǎn)中,實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)罩頻率選擇表面和手機(jī)天線的功能性結(jié)構(gòu)精密制造。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN249
【圖文】：

圖 1-1 復(fù)雜曲面零部件表面功能性結(jié)構(gòu)示例——戰(zhàn)機(jī)雷達(dá)罩的頻率選擇表面（FSS）在仿生生物學(xué)方面，生物體表面功能性的微納結(jié)構(gòu)為仿生材料學(xué)家研制新面材料結(jié)構(gòu)提供了絕佳啟示。例如仿制荷葉表面結(jié)構(gòu)能夠使材料具有超疏壁虎腳面結(jié)構(gòu)能夠使材料超強(qiáng)黏附脫附功能[14]、仿制鯊魚鱗片結(jié)構(gòu)能夠減面的阻力[15]以及仿制貝殼表面結(jié)構(gòu)能夠使材料具有超高的耐磨性能[16]等實(shí)現(xiàn)以上復(fù)雜曲面零部件特殊性能的核心技術(shù)之一就是如何在大尺寸復(fù)高質(zhì)量、高精度和高效率地制作微結(jié)構(gòu)陣列或特殊的短程無序圖形的功能然而，針對(duì)這類加工制造需求來說一直存在著重大技術(shù)瓶頸。通常，零部尺寸與所需加工功能性結(jié)構(gòu)的尺寸精度相比有 106倍之多的差別，屬于典寸制造，且需要加工的基體材料一般為典型的難加工材料，既包括硬質(zhì)材模具鋼、硬質(zhì)合金、脆性材料等，也包括軟質(zhì)薄膜金屬復(fù)合材料如銅鋁

復(fù)雜曲面的加工主要采用人工方法，顯然人工方法難以著計(jì)算機(jī)數(shù)控加工（CNC）技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床逐步被用來加工復(fù)雜曲面。然而，當(dāng)復(fù)雜加工機(jī)床無法實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面的高精度、高效率加工[18]。近的迅猛發(fā)展，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床成為解決復(fù)雜曲面加工聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密加僅提供了刀具沿 X、Y、Z 三軸運(yùn)動(dòng)的自由度，而且還軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，使刀具的運(yùn)動(dòng)擁有了更大的調(diào)整范圍實(shí)現(xiàn)多面加工，因此加工效率和加工精度也有了較大幅床及加工技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用于加工復(fù)雜曲面的最有效手段自動(dòng)化水平的標(biāo)志，也是現(xiàn)代制造領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)之一大利菲迪亞（FIDIA）機(jī)電設(shè)備公司研制的 GTF 高精度面零部件的加工現(xiàn)場(chǎng)圖片。

【參考文獻(xiàn)】

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1 陳良輝;趙盛宇;周泳全;周逸;;五軸數(shù)控系統(tǒng)的三維曲面激光加工關(guān)鍵技術(shù)[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2015年07期

2 陳天飛;趙吉賓;王銀靈;吳翔;;基于射影變換圓陣靶標(biāo)中心像點(diǎn)的計(jì)算[J];儀器儀表學(xué)報(bào);2015年04期

3 朱q

本文編號(hào)：2741297