大型复杂曲面激光精密制作功能性结构的关键技术研究

摘要

复杂曲面零部件已经成为航空航天、能源动力、汽车电子等行业中最复杂而又最常用的核心构件。随着现代工业的高速发展，常常需要在该类型零部件表面加工功能性结构来使零部件获得光学、力学、电磁学或仿生生物学等特殊性能。一般零部件的总体尺寸（米量级）与所需加工的功能性结构尺寸（微米量级）相比有106倍的差别，属于典型的跨尺寸制造。通常这种加工需求所针对的基体材料，既包括硬质材料表面如模具钢、硬质合金等，也包括软质材料如环氧树脂、塑料以及复合材料如覆铜板和柔性板等。多年来，人们采用高精度数控铣削方法、曲面掩膜化学腐蚀方法等来实现对复杂曲面表面功能性结构的加工制造，虽然取得了一定的成效，但是在制造精度、效率和质量方面与最终用户的使用要求还相差甚远，无法满足实际工程需求。本文在大量前期研究工作的基础上，创造性地提出了投影式激光振镜扫描刻蚀（Laser Projective Ablation Galvanometer Scanning，简称LPAGS）制作复杂曲面零部件表面功能性结构的新原理、新方法，并围绕LPAGS加工的装备原理、理论基础、工艺流程、误差来源分析及补偿、质量控制及工艺优化、工业应用等方面展开了相关的技术研究，主要的研究成果如下： 建立并完善了LPAGS加工技术的理论体系。LPAGS加工技术的理论依据主要有：1、平行投影变换原理：基于平行投影变换原理，复杂曲面表面的三维功能性结构图形能够真实、合理地转化成二维平面上投影加工图形；2、光路的可逆性原理：激光光束只需按照由投影加工图形生成的扫描加工轨迹，正向投影作用于复杂曲面表面，即可完成对复杂曲面功能性结构的制作；3、激光焦深特性原理。在激光的焦深变化范围，激光光斑大小、能量分布基本保持不变，因此只要工件表面的起伏变化量小于焦深，则在相同的加工参数下，加工质量和精度也基本保持不变。 基于LPAGS加工技术的理论体系，设计了LPAGS加工的工艺流程，主要包括：（1）复杂曲面零部件的三维建模；（2）曲面表面功能性结构的建模；（3）曲面的分区规划；（4）扫描加工轨迹的生成；（5）曲面的投影刻蚀加工。基于等弧长投影原理的功能性结构建模保证了复杂曲面表面结构图形的合理性和真实性。首次提出了复杂曲面的分片、分块和分层加工的技术路线，并建立了多重判别下的曲面分片、分块和分层准则，以此来作为在复杂曲面获得高精度和高质量以及高效率LPAGS加工的必要条件。曲面分片准则为：曲面分片内任意一点的激光入射角应当小于加工精度要求的最大激光入射角度θ1；曲面分块准则是：曲面分块范围不能超过振镜的有效扫描范围Sz；复杂曲面分层准则为：曲面分片内任意两层层间距?h不大于聚焦激光的焦深范围DOF。采用基于K-means聚类和曲面法矢方向锥的二叉空间划分算法被用来完成对复杂曲面的分片处理，采用Cohen-Sutherland裁剪算法来对复杂曲面的分块、分层处理。 基于多体系统误差建模理论，建立了“5+3”轴LPAGS数控装备的几何误差模型，并在几何误差模型的基础上建立了数控装备误差敏感度分析模型。通过计算和分析误差敏感度系数，识别出了影响装备空间误差Ev的关键性几何误差项。 根据对数控装备误差敏感度的分析结果，采用实时检测的方式来调整了数控装备的装配精度。利用双线性插值的校正算法减小因振镜扫描畸变产生的精度误差，校正后加工扫场范围为40×40mm的方框，尺寸精度可达±10μm。采用基于射影变换的校正算法对因光路误差导致的菱形和梯形误差进行了补偿。 采用田口法来探索了LPAGS加工参数对加工精度和质量的影响，其中激光功率和激光入射角是影响LPAGS加工结果的两个重要参数，在“5+3”轴LPAGS数控装备上进行了LPAGS加工关键技术的验证，成功地将该技术运用到实际大型零件复杂曲面加工应用生产中，实现了雷达罩频率选择表面和手机天线的功能性结构精密制造。

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