復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、國防、船舶、汽車等工業(yè)關(guān)鍵零部件，尤其是航空發(fā)動機機匣、渦輪葉片等核心構(gòu)件的生產(chǎn)制造中。但隨著各國此類工業(yè)的不斷發(fā)展，關(guān)鍵零部件逐步向高精度、復雜化、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。研究復雜薄壁件熔模鑄造過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，對提高我國工業(yè)水平有重大意義。

2、>　　熔模鑄造工序復雜、工藝參數(shù)眾多，其主要過程包括了熔模制備、型殼制備和鑄件澆注。這些主要過程還包含了更多的細分階段，每一個階段都對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測出最終鑄件的尺寸及誤差情況。因此，要綜合考慮全過程各階段對最終鑄件精度的影響。
　　誤差流(Stream of Variation，SoV)方法，是在傳統(tǒng)機械加工中，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)，并對這種效應(yīng)采用數(shù)學解析的方式進行描述的方法。這種方法能夠簡潔地描述長工序過程中誤差的產(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長流程、多工序的過程，整個過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程中，從各階段尺寸誤差產(chǎn)生的機理入手，結(jié)合各階段的測試試驗，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)學關(guān)系。對熔模鑄造全過程的誤差的傳遞與累積進行了數(shù)學描述，建立了全過程誤差流模型。并結(jié)合熔模鑄造過程多輸入多輸出的特點，提出了基于熔模鑄造誤差流模型的穩(wěn)健控制方法。最終將全過程誤差流模型和穩(wěn)健控制方法運用到復雜薄壁特征件的實際生產(chǎn)中，使最終鑄件的精度由CT6提高到CT3。本文的研究內(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理，并

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

6、鑄造全過程誤差流建模
　　針對熔模鑄造過程中誤差傳遞和累積的現(xiàn)象，本文通過定義狀態(tài)矢量、尺寸變化中心等，構(gòu)建了全過程誤差流建模的數(shù)學條件，然后對熔模鑄造全過程中的誤差傳遞與累積進行了數(shù)學推導，建立了全過程誤差流模型，實現(xiàn)了熔模鑄造過程誤差的定量計算。最終將該方法運用于復雜薄壁特征件熔模鑄造實例的尺寸精度預測中，鑄件關(guān)鍵尺寸的波動預測值比實際值小0.2237mm，關(guān)鍵尺寸均值的預測值比實際均值只小0.0296mm，證明了該方法的有效

7、性。
　　(3)基于熔模鑄造全過程誤差流模型的工藝穩(wěn)健控制
　　本文針對熔模鑄造過程工序流程長、工藝參數(shù)繁多、各響應(yīng)之間存在干涉的特點，研究了工藝參數(shù)在微小范圍內(nèi)波動時，零件幾何尺寸的波動特性，提出了基于熔模鑄造全過程誤差流模型的工藝穩(wěn)健控制方法。該方法通過控制熔模鑄造過程中誤差貢獻高的階段與參數(shù)，并通過基于滿意度函數(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)，使得最終復雜薄

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

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