復(fù)雜薄壁件熔模鑄造誤差流建模與穩(wěn)健控制方法研究.pdf

1、熔模鑄造（Investment Casting，IC）作為一種整體成型的重要方法，被廣泛的使用在航空航天、國(guó)防、船舶、汽車等工業(yè)關(guān)鍵零部件，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、渦輪葉片等核心構(gòu)件的生產(chǎn)制造中。但隨著各國(guó)此類工業(yè)的不斷發(fā)展，關(guān)鍵零部件逐步向高精度、復(fù)雜化、薄壁化、整體化的方向發(fā)展，這給熔模鑄造的精度控制提出了更高的要求。研究復(fù)雜薄壁件熔模鑄造過(guò)程誤差建模以及工藝穩(wěn)健控制方法，能有效提高最終鑄件的精度，對(duì)提高我國(guó)工業(yè)水平有重大意義。

2、>　　熔模鑄造工序復(fù)雜、工藝參數(shù)眾多，其主要過(guò)程包括了熔模制備、型殼制備和鑄件澆注。這些主要過(guò)程還包含了更多的細(xì)分階段，每一個(gè)階段都對(duì)最終鑄件的尺寸精度產(chǎn)生影響。目前著眼于單階段尺寸變形的研究，難以根據(jù)最初模具的尺寸及誤差預(yù)測(cè)出最終鑄件的尺寸及誤差情況。因此，要綜合考慮全過(guò)程各階段對(duì)最終鑄件精度的影響。
　　誤差流(Stream of Variation，SoV)方法，是在傳統(tǒng)機(jī)械加工中，從誤差產(chǎn)生的原因出發(fā)，考慮誤差在不同工序中

3、的傳遞與累積效應(yīng)，并對(duì)這種效應(yīng)采用數(shù)學(xué)解析的方式進(jìn)行描述的方法。這種方法能夠簡(jiǎn)潔地描述長(zhǎng)工序過(guò)程中誤差的產(chǎn)生、傳遞和累積現(xiàn)象，從而方便工程人員對(duì)最終產(chǎn)品的尺寸質(zhì)量提出控制方法。而熔模鑄造也是一個(gè)長(zhǎng)流程、多工序的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程中也存在著誤差的傳遞與累積現(xiàn)象，因此SoV方法值得借鑒。
　　本文將誤差流的方法引入到熔模鑄造過(guò)程中，從各階段尺寸誤差產(chǎn)生的機(jī)理入手，結(jié)合各階段的測(cè)試試驗(yàn)，分析了各階段尺寸誤差的多源異類誤差源，確定了主要誤差源

4、并構(gòu)建了主要誤差源與尺寸誤差之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。對(duì)熔模鑄造全過(guò)程的誤差的傳遞與累積進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述，建立了全過(guò)程誤差流模型。并結(jié)合熔模鑄造過(guò)程多輸入多輸出的特點(diǎn)，提出了基于熔模鑄造誤差流模型的穩(wěn)健控制方法。最終將全過(guò)程誤差流模型和穩(wěn)健控制方法運(yùn)用到復(fù)雜薄壁特征件的實(shí)際生產(chǎn)中，使最終鑄件的精度由CT6提高到CT3。本文的研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新成果如下：
　　(1)多源異類誤差源與尺寸誤差影響關(guān)系的研究
　　本文闡明了各階段誤差的形成機(jī)理，并

5、結(jié)合各階段測(cè)試試驗(yàn)，分析了各個(gè)階段引起尺寸變形的多源異類誤差源，并對(duì)這些因素中的主要隨機(jī)因素進(jìn)行了梳理，明確了熔模鑄造過(guò)程中各階段的主要誤差源包括保壓壓力、保壓時(shí)間、存放溫度、存放時(shí)間、型殼厚度、脫蠟時(shí)間、焙燒溫度、保溫時(shí)間以及澆注溫度等工藝參數(shù)的波動(dòng)。最后，通過(guò)定義誤差矢量、尺寸變化率，從尺寸變化率與誤差源的定量關(guān)系出發(fā)進(jìn)行推導(dǎo)，建立了多源異類誤差源與尺寸誤差之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，為熔模鑄造全過(guò)程誤差流建模奠定基礎(chǔ)。
　　(2)熔模

6、鑄造全過(guò)程誤差流建模
　　針對(duì)熔模鑄造過(guò)程中誤差傳遞和累積的現(xiàn)象，本文通過(guò)定義狀態(tài)矢量、尺寸變化中心等，構(gòu)建了全過(guò)程誤差流建模的數(shù)學(xué)條件，然后對(duì)熔模鑄造全過(guò)程中的誤差傳遞與累積進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立了全過(guò)程誤差流模型，實(shí)現(xiàn)了熔模鑄造過(guò)程誤差的定量計(jì)算。最終將該方法運(yùn)用于復(fù)雜薄壁特征件熔模鑄造實(shí)例的尺寸精度預(yù)測(cè)中，鑄件關(guān)鍵尺寸的波動(dòng)預(yù)測(cè)值比實(shí)際值小0.2237mm，關(guān)鍵尺寸均值的預(yù)測(cè)值比實(shí)際均值只小0.0296mm，證明了該方法的有效

7、性。
　　(3)基于熔模鑄造全過(guò)程誤差流模型的工藝穩(wěn)健控制
　　本文針對(duì)熔模鑄造過(guò)程工序流程長(zhǎng)、工藝參數(shù)繁多、各響應(yīng)之間存在干涉的特點(diǎn)，研究了工藝參數(shù)在微小范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，零件幾何尺寸的波動(dòng)特性，提出了基于熔模鑄造全過(guò)程誤差流模型的工藝穩(wěn)健控制方法。該方法通過(guò)控制熔模鑄造過(guò)程中誤差貢獻(xiàn)高的階段與參數(shù)，并通過(guò)基于滿意度函數(shù)的多響應(yīng)極差穩(wěn)健優(yōu)化方法，權(quán)衡了各尺寸的穩(wěn)健性，計(jì)算出整體最為穩(wěn)健的壓蠟和存放階段的工藝參數(shù)，使得最終復(fù)雜薄

8、壁特征件鑄件最大外環(huán)直徑和壁厚的波動(dòng)分別減小了0.6mm和0.14mm，在較小優(yōu)化規(guī)模的前提下實(shí)現(xiàn)了熔模鑄造過(guò)程多響應(yīng)的穩(wěn)健優(yōu)化。
　　(4)熔模鑄造誤差流模型的應(yīng)用與全過(guò)程尺寸變形規(guī)律的總結(jié)與分析
　　基于全過(guò)程誤差流模型，本文在參數(shù)波動(dòng)方向可控的理想情況下，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)設(shè)計(jì)水平及其波動(dòng)方向，對(duì)最終鑄件均值和波動(dòng)進(jìn)行了調(diào)整。然后結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助方法，提出了基于全過(guò)程誤差流模型的模具設(shè)計(jì)及修改方法，并就復(fù)雜薄壁特征件重新開(kāi)

9、模進(jìn)行了全過(guò)程熔模鑄造試驗(yàn)，最終鑄件關(guān)鍵尺寸的均值與目標(biāo)均值的差值小于0.55mm，證明了該方法的有效性，從而為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中模具的設(shè)計(jì)與修改提供了指導(dǎo)。最后，基于復(fù)雜薄壁件的熔模鑄造試驗(yàn)，總結(jié)全過(guò)程尺寸變化規(guī)律，揭示了薄壁、變截面效應(yīng)及不同階段不同對(duì)象間的相互作用對(duì)尺寸變形的影響。
　　本文針對(duì)復(fù)雜薄壁鑄件熔模鑄造過(guò)程中熔模制備、型殼制備、鑄件澆注等主要階段，通過(guò)變形機(jī)理分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，在各階段誤差的產(chǎn)生以及全過(guò)程誤差的