薄壁件切削用多点支撑夹具设计与定位布局优化研究

作     者：胡凯鑫 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马嵩华

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：薄壁件 多点支撑夹具 定位布局优化 振动抑制 

摘      要：航天工业中大量使用薄壁件,其具有强度高、质量轻等特点。航天薄壁件大多为曲面薄壁件,由于其尺寸大、刚度低,极易产生装夹变形,而且在对其进行切削加工时,会出现切削颤振现象,影响工件的质量和精度。因此,需要研究满足弱刚性工件装夹需求的夹具。由于航天器密集发射的趋势,其中的薄壁件生产具有单件小批量、定制化的特点,原有的工装夹具难以适应当前快速变化的产品变型设计。因此,需要研究在一定范围内适应薄壁件特征参数变化的夹具。本文以薄壁弧板为研究对象,采用理论分析、有限元仿真、测试验证结合进化算法的方式对夹具结构设计、定位布局优化和加工振动抑制分析三方面进行研究。主要研究内容如下:设计了适应薄壁弧板特征参数变化的多点支撑夹具。分析了薄壁件的切削工艺性能和定位原理,建立了装夹约束模型;在此基础上设计了面向薄壁件切削用多点支撑夹具,完成了可重构本体和主要工作部件选型,制造了夹具实体。所设计的夹具利用真空吸附实现多点夹紧,能够增强薄壁件的刚度,提高工件的加工稳定性,同时满足一定范围不同尺寸规格的薄壁件装夹需求,提升了夹具的适应性。提出了面向薄壁弧板的夹具定位布局多目标优化方法,该方法结合粒子群改进的反向传播(Back Propagation,BP)神经网络与多目标遗传算法实现多点定位布局的优化。以“N-2-1定位原理为基础,以定位点位置坐标为设计变量,以装夹变形和振动位移作为定位布局的双重目标,采用拉丁超立方采样法选取定位点位置,并通过有限元计算薄壁件装夹变形和主振型位移获取了样本集;通过引入粒子群算法改进神经网络,建立定位布局与目标变量之间非线性关系的高精度代理模型;最后,通过多目标遗传算法对建立的代理模型求解,得到了最优的定位布局方案,保证了定位布局优化的有效性和求解效率。完成了基于多点支撑夹具的薄壁件加工振动抑制作用分析。基于所设计的多点支撑夹具,从装夹的角度对切削加工振动的抑制作用进行研究。首先,分析了工件振动抑制原理,明确了通过增加刚度和阻尼提高加工稳定性的可行性;通过模态试验明确了定位点数目、定位布局方式对切削振动特性的影响规律;通过实际铣削加工试验,验证了所设计夹具及优化后的定位布局对加工振动的有效抑制作用。