高性能精密制造

高性能制造是高端装备和产品的关键零部件以性能精准保证为目标的几何和性能一体化制造,体现了由几何尺寸及公差要求为主的传统制造向高性能要求为主的先进制造的跃升。从制造的现状、需求和发展趋势出发,阐明了高性能零件的内涵、高性能制造的特点、面临的问题及其分类体系,并结合实例给予了深入分析和说明,为高端装备中一大批关键零部件的精密制造难题提供了可行的解决策略和途径。     

高性能制造

随着应用空间的不断拓展和服役性能的不断提升,航空航天、能源动力、信息电子等领域对高端装备的需求迫切。这些高端装备以承载、传导、换能、隐身等性能的精准保证为主要制造目标,不仅性能要求高,且往往结构复杂、材料难加工、表面完整性或精度要求极高,制造难度极大。高性能制造是应对上述挑战,突破高端装备制造瓶颈的必然选择。从高端装备及其零件/部件/构件/器件(简称零件)的特点、制造要求和制造技术的现状出发,阐明了高性能制造的内涵、所需要探究的基础问题以及设计与制造环节的定量关联关系,建立了高性能制造的总体框架和模型表达形式,分析了高性能制造应注意的要素和应遵循的规律,给出了高性能制造的实现途径、关键技术和两个应用实例,并指出高性能制造是以性能为第一目标,设计、制造、使役等多参量关联关系建模为核心的科学、精准和最适宜的制造,也是数字化和可计算的制造,亦是以性能的精准保证为目标的性能与几何结构一体化制造。     

高性能表面层制造:基于可控表面完整性的精密制造

高性能表面层制造是具有特殊功能性表面层结构零件的精密制造,体现了高性能零件性能与几何参数一体化制造的特点。依据功能性表面层结构零件的性能要求所设计的几何参数和材料特性,选择表面层加工制造方法,确定加工工艺载荷的物质与能量输入条件,通过减控加工工艺的几何、结构、物理、化学等多源耦合约束,构建主动协调的材料加工载荷的应力场、温度场和化学位场等(多)场环境,相应地揭示零件表面完整性变化关系内禀的加工过程印记,利用可控的表面完整性与高性能零件性能的关联模型,实现具有特殊功能性表面层的精密制造。高性能表面层加工制造原理的核心是表面完整性的形成机制、评价方法和调控作用,所提出的高性能表面层精密制造的体系框架,以基于知识方法取代实验迭代的试错法,可解决高性能制造的加工制造反问题。     

大型不规则薄壁零件测量-加工一体化制造方法与技术

正在我国航空航天、运载、国防等重大工程领域中,出现了一批必须满足其高性能要求的大型不规则薄壁零件,如火箭发动机喷管、火箭推进剂共底构件、火箭燃料贮箱壁板等。这类零部件具有几何尺寸大、形状复杂、结构刚度低、材料难加工等制造特点,易在半精加工阶段产生较大的结构变形。若仅按照原始设计尺寸或模型进行常规数控加工,无法加工出满足几何精度和性能要求的零件。本文以我国大型/重载液体火箭发动机的研制为工程背景,依托国家自然科学基金重点基金(No.50835001)、装备预研基金重点基金(No.9140×××0902)和航天科技集团委托项目,针对大型不规则薄壁零件加工精度难以保证的问题,开展高效、精密数字化加工方法与关键技术的研究。     

高性能光学制造

聚变点火、同步辐射、光刻机、深空探测、侦察预警等高端装备要实现一系列前所未有的极端性能,并朝着多样化和复杂化的方向发展。强光元件、同步辐射反射镜、掩膜版和光刻物镜、深空探测X射线反射镜等关键光学元件是这些系统实现聚焦、极高能量输出、极高峰值功率、极端尺寸光束聚焦和纳米尺度精确图案转印等极端性能的关键。要实现这些高端装备的极端性能,对核心关键元件的光学制造提出了高精度、低损伤、低应力、洁净制造和功构一体等要求,要求实现的是多物理参数约束下的高性能。元件的性能不仅由设计约束,更受到制造水平的制约,传统的以提升精度为目标的光学制造方法面临挑战,亟待实现从高精度制造到高性能制造的跃升。高性能光学制造是指面向极端性能高端制造装备发展对材料/结构特殊、高功率/高能辐照、低缺陷和洁净制造等关键光学元件的制造需求,以服役性能精准调控为目标,通过高性能光学制造装备、工具、检测和工艺等方面的技术创新,制造特殊材料/结构或者极高功能的元件,可作业于极端性能服役环境的制造。将近年来国内外围绕光学元件和超精密零件高性能光学制造的工作进行初步凝练,总结高性能光学制造典型元件的特点、光学制造要求和光学制造技术,尝试...     

高性能零件成性质量实时分析与控制方法研究

高端装备高性能关键零件以性能要求为主,具有性能与几何参数一体化的加工要求。由于其形面复杂、材料难加工特征,零件材料变形抗力大,组织性能对热加工时间、温度、强度等参数极为敏感,因此,在实现高性能零件成形同时,其性能受材料、热处理、几何形状等多因素作用,零件组织性能难以保证,生产中废品率高。提出了建立高性能零件质量信息集成的全生命周期信息模型,从分散的质量信息处理转向面向制造过程的质量信息集成管理,研究质量数据与质量检验标准的映射、集成,通过质量检测数据的实时采集、管理、分析与评判,实现成形过程中成性质量管理与控制。     

国家工业基础标准体系建设指南(续)

正(4)先进热处理工艺标准研制。开展高性能钢热处理工艺及质量检测标准、可控气氛/感应加热/真空等高端热处理装备标准、绿色热处理工艺标准、数字化(智能化)热处理在线控制技术标准和齿轮、轴承精密可控热处理工艺、超大型零件真空热处理工艺、大型轴类和管类零件感应淬火、铸件热等静压工艺等高端装备关键基础构件热处理标准研制。(5)清洁高效表面工程工艺标准研制。开展等     

第三届上银优秀机械博士论文摘要选登

正论文名称:大型不规则薄壁零件测量-加工一体化制造方法与技术论文作者:大连理工大学/刘海波指导教师:王永青《研究领域:数控及数字化制造系统、复杂曲面精密测量和加工。》在我国航空航天、运载、国防等重大工程领域中,出现了一批必须满足其高性能要求的大型不规则薄壁零件。该类零件往往具有几何尺寸大、形状复杂、结构刚度低、材料难加工等制造特点,易在精加工阶段或前期工序产生较大的结构变形,若仅按照原始设计尺寸进行常规数控加工,无法加工出满足几何精度和性能要求的零件。本文以我国大型/重载液体火箭发动机的研制     

特种加工技术在航空产品中的应用

在现代航空发动机设计中，为满足高性能航空发动机的要求，必须大量采用新材料、新结构，于是产品的可制造性就对制造技术提出了新的挑战，如难加工材料、复杂型面、精密表面的加工及特殊要求的零件加工等问题。特种加工技术的采用，可使航空发动机零件数量减少，结构设计简化，从而在性能、适用性、可靠性、维修性等方面均得到提高。     

高端制造装备关键技术的科学问题

分析了高端制造装备的国家重大需求和面临的发展机遇,讨论了现阶段高端数控机床和极大规模集成电路制造装备研发的主要任务,通过分析这两类高端制造装备的研究现状与发展趋势,总结出了高性能运动控制、高速高精度驱动、装备与工艺动态交互作用、精密加工的环境控制四方面的关键科学问题。     

基于非刚性配准的复杂曲面修复原理与再制造五轴加工方法研究

1．项目简介
　　当前，在很多关键装备尚需进口和叶片等高端零件制造费用昂贵的情况下，提升我国高端零件的再制造能力对保障装备长期使役、减少资源浪费和实现绿色制造意义重大，需求极为迫切，但受到数字化修复能力不足的严重制约。本项目将非刚性配准思想引入复杂形状零件修复制造中，提出了复杂曲面零件在变形条件下破损区域几何修复的模型建立与求解新思路、新方法；针对薄壁件破损区域修复加工的特点，提出了适于多亏格曲面的五轴加工刀位规划新方法，建立了切削力/热和残余应力的定量描述与预测模型，并以叶片等典型零件为研究对象，进行典型破损形式的几何修复与五轴加工试验验证。本项目为复杂曲面零件的精确几何修复提供了源头创新成果，并提炼总结出高端零件数字化修复的一体化工艺策略和方法。     

高性能制造：设计与制造的协同机制

高性能制造,是由以几何精度为主的制造上升到以产品性能的精准保证为目标的制造,其作为推动我国装备制造业升级的引擎,以及引领传统制造理念提升的旗帜,对国家装备产业的发展具有十分重要的意义。高性能制造理论指出,传统的装备制造流程形成了设计、制造、服役等严格的上下游关系,一定程度上了推动了多任务协作能力,提高了装备制造的效率。然而,不容忽视的事实是,这种设计、制造的单向串行模式人为割裂了设计环节与制造环节的耦合作用,在提高制造效率的同时,亦不可避免地制约了高端装备性能的进一步提升。作为高性能制造理论的重要组成部分,针对上述设计、制造之间的耦合作用,展开了进一步的讨论。首次采用Karush-Kuhn-Tucker最优性条件,从数学角度定量定式的揭示了传统设计制造“不协同”的根源所在,并针对这些不足,给出串行、并行和循环模式的高性能制造解决方案和求解方法。为打破我国高端装备/零部件的高性能制造瓶颈,进一步推动我国高端装备高性能制造的发展提供了理论与技术参考。     

光刻机精密运动框架的一体化设计与3D打印制造

作为新兴的制造技术,3D打印不仅是产品创新的利器,更是高端装备制造的重要研究方向。研究遵循电子束熔覆工艺特点,以零件结构与功能需求为正向切入点,借助CAD和CAE工具,对光刻机工件台现有精密运动框架进行二次设计。理论计算表明:与原零件相比,3D打印运动框架重量减轻69%,模态基本保持不变。这一结果证明了提出的3D打印高性能光刻机零件设计与制造方法的科学性。     

影响加工中心直线轴线位置精度的测量误差

加工中心在机械工程领域的应用主要体现在汽车制造以及航天航空装备制造等,这些领域的加工制造都属于高精密集中型。加工中心可以保证零件的加工精度,促进生产加工过程的精确性和规范化。加工中心的"位置精度"是直接影响加工精度的一个重要方面,也是精密零件加工制造时要考虑的一个重要因素。采用激光干涉仪测量后进行误差补偿可以提高加工中心的位置精度。     

高性能复杂曲面零件测量-再设计-数字加工一体化加工方法

高性能要求复杂曲面零件的精密加工,不但要保证一定的几何精度,更要满足其性能指标。此类零件性能与几何、物理等参量密切相关,因此最终精确尺寸和形状受几何、物理、性能等多源约束的影响,加工难度大,迫切需要按零件性能要求进行加工的新方法。从分析零件特征入手,将该类高性能要求复杂曲面零件称为多源约束面形再设计类复杂曲面零件。研究零件性能与多源约束的耦合关联模型,针对零件性能与多源约束的显式关联关系或隐式关联关系,建立几何量修正补偿性能偏差的补调机制,综合应用活动标架和曲面相伴理论,建立测量面、加工基准面、加工目标曲面的关联模型,最终提出保证零件性能要求的面形再设计原理与方法。在此基础上,提出多源约束面形再设计类复杂曲面零件“测量-再设计-数字加工”一体化加工策略,构建相应的技术体系,为实现该类零件的精密加工提供了一种新的理论与方法。     

面向CPV的聚光透镜制造装备设计技术研究

太阳能光伏发电作为太阳能利用中最具发展前景的技术已被广泛应用,其中由聚光透镜构成聚光器是光学系统中的关键部件,从而开展面向CPV的聚光透镜制造装备设计是实现太阳能光伏发电的基础。为此从复杂微结构大口径光学元件(菲涅尔透镜)结构及其表面微结构几何特征尺寸,分析得到超精密加工机床的技术要求。通过对装备功能构架的设计,获得超精密立式车床的总体构成,再分别对装备中床身、导轨、主轴、刀架等进行分析,获得满足菲涅尔透镜加工精度要求的超精密加工机床。     

我国超精密光学零件加工技术跨入世界领先行列

<正>由国防科技大学机电工程与自动化学院自主研制的新一代超精密光学零件加工设备,日前通过相关单位组织的工艺考核。结果表明,该套设备加工精度实现亚纳米级重大突破,其典型试验件的光学零件面形精度RMS(均方根)值达到0.361纳米,标志我国超精密光学零件加工技术跨入世界领先行列。超精密加工技术是先进装备制造的关键性瓶颈技术,纳米精度被誉为超精密加工技术"皇冠上的明珠"。过去,由于我国光学零件加工技术落后,无法进行大口径、高精     

局部几何特征急变类零件分区变参工艺制定方法

高端装备中许多关键零件存在局部几何急变特征,由于多采用难加工材料、特殊结构,加工难度大,或者虽能加工但效率极低,无法满足高端装备快速发展的需求。随着数控加工技术的发展,局部几何特征急变类零件的高效数控加工技术成为目前工业生产领域研究的热点与难点。鉴于局部几何急变特征的存在,局部几何特征急变类零件采用统一工艺参数进行整体加工的加工工艺对该类零件适用度降低,制约了此类零件加工效率的提升。针对局部几何特征急变类零件,研究复杂曲面CAD模型基于局部几何急变特征的快速分割方法及功能结构件基于机床动态特性的加工误差模型,由此提出了局部几何特征急变类零件分区变参工艺制定方法,最终根据加工区连续特征生成序列化加工程序,可在数控加工设备上实现局部几何特征急变类零件高质高效加工。研究成果为局部几何特征急变类零件加工工艺制定提供了一种新方法。     

通用集团北京机床所精密全自动生产线助力飞机钛合金零件加工

正随着国内高端装备制造业的逐步发展,在国家科技专项的大力推动下,航空航天、能源、交通运输和工业领域所需的重要零部件也越来越多地产自国产高端装备制造行业。中国通用技术集团作为中央企业中唯一将机床产业发展作为主责主业的国有重要骨干企业,以服务国家战略为使命,通过创新驱动促进产业升级,全力支撑各领域国家重大项目建设。近期,通用技术集团北京机床研究所有限公司研发的钛合金接头类卧式精密加工生产线已完成设备的安装调试,全部达到了用户要求的技术指标,将有效解决钛合金零件的加工难题。     

自动与智能磨削

<正>数控磨床是航空航天、轨道交通、海洋工程等行业关键零件实现高效精密加工的核心装备,是高端技术最密集的产品之一,磨削机理复杂,控制困难,其关键技术和制造工艺难以复制。磨削加工的整个过程会直接影响到工件的精度、质量、效率与成本,工件磨削后的产品质量好坏又直接反映到最终产品的寿命与可靠性,