复杂薄壁件熔模铸造误差流建模与稳健控制方法研究

摘要

熔模铸造（Investment Casting，IC）作为一种整体成型的重要方法，被广泛的使用在航空航天、国防、船舶、汽车等工业关键零部件，尤其是航空发动机机匣、涡轮叶片等核心构件的生产制造中。但随着各国此类工业的不断发展，关键零部件逐步向高精度、复杂化、薄壁化、整体化的方向发展，这给熔模铸造的精度控制提出了更高的要求。研究复杂薄壁件熔模铸造过程误差建模以及工艺稳健控制方法，能有效提高最终铸件的精度，对提高我国工业水平有重大意义。
　　熔模铸造工序复杂、工艺参数众多，其主要过程包括了熔模制备、型壳制备和铸件浇注。这些主要过程还包含了更多的细分阶段，每一个阶段都对最终铸件的尺寸精度产生影响。目前着眼于单阶段尺寸变形的研究，难以根据最初模具的尺寸及误差预测出最终铸件的尺寸及误差情况。因此，要综合考虑全过程各阶段对最终铸件精度的影响。
　　误差流(Stream of Variation，SoV)方法，是在传统机械加工中，从误差产生的原因出发，考虑误差在不同工序中的传递与累积效应，并对这种效应采用数学解析的方式进行描述的方法。这种方法能够简洁地描述长工序过程中误差的产生、传递和累积现象，从而方便工程人员对最终产品的尺寸质量提出控制方法。而熔模铸造也是一个长流程、多工序的过程，整个过程中也存在着误差的传递与累积现象，因此SoV方法值得借鉴。
　　本文将误差流的方法引入到熔模铸造过程中，从各阶段尺寸误差产生的机理入手，结合各阶段的测试试验，分析了各阶段尺寸误差的多源异类误差源，确定了主要误差源并构建了主要误差源与尺寸误差之间的数学关系。对熔模铸造全过程的误差的传递与累积进行了数学描述，建立了全过程误差流模型。并结合熔模铸造过程多输入多输出的特点，提出了基于熔模铸造误差流模型的稳健控制方法。最终将全过程误差流模型和稳健控制方法运用到复杂薄壁特征件的实际生产中，使最终铸件的精度由CT6提高到CT3。本文的研究内容及创新成果如下：
　　(1)多源异类误差源与尺寸误差影响关系的研究
　　本文阐明了各阶段误差的形成机理，并结合各阶段测试试验，分析了各个阶段引起尺寸变形的多源异类误差源，并对这些因素中的主要随机因素进行了梳理，明确了熔模铸造过程中各阶段的主要误差源包括保压压力、保压时间、存放温度、存放时间、型壳厚度、脱蜡时间、焙烧温度、保温时间以及浇注温度等工艺参数的波动。最后，通过定义误差矢量、尺寸变化率，从尺寸变化率与误差源的定量关系出发进行推导，建立了多源异类误差源与尺寸误差之间的数学表达式，为熔模铸造全过程误差流建模奠定基础。
　　(2)熔模铸造全过程误差流建模
　　针对熔模铸造过程中误差传递和累积的现象，本文通过定义状态矢量、尺寸变化中心等，构建了全过程误差流建模的数学条件，然后对熔模铸造全过程中的误差传递与累积进行了数学推导，建立了全过程误差流模型，实现了熔模铸造过程误差的定量计算。最终将该方法运用于复杂薄壁特征件熔模铸造实例的尺寸精度预测中，铸件关键尺寸的波动预测值比实际值小0.2237mm，关键尺寸均值的预测值比实际均值只小0.0296mm，证明了该方法的有效性。
　　(3)基于熔模铸造全过程误差流模型的工艺稳健控制
　　本文针对熔模铸造过程工序流程长、工艺参数繁多、各响应之间存在干涉的特点，研究了工艺参数在微小范围内波动时，零件几何尺寸的波动特性，提出了基于熔模铸造全过程误差流模型的工艺稳健控制方法。该方法通过控制熔模铸造过程中误差贡献高的阶段与参数，并通过基于满意度函数的多响应极差稳健优化方法，权衡了各尺寸的稳健性，计算出整体最为稳健的压蜡和存放阶段的工艺参数，使得最终复杂薄壁特征件铸件最大外环直径和壁厚的波动分别减小了0.6mm和0.14mm，在较小优化规模的前提下实现了熔模铸造过程多响应的稳健优化。
　　(4)熔模铸造误差流模型的应用与全过程尺寸变形规律的总结与分析
　　基于全过程误差流模型，本文在参数波动方向可控的理想情况下，通过调整工艺参数设计水平及其波动方向，对最终铸件均值和波动进行了调整。然后结合计算机辅助方法，提出了基于全过程误差流模型的模具设计及修改方法，并就复杂薄壁特征件重新开模进行了全过程熔模铸造试验，最终铸件关键尺寸的均值与目标均值的差值小于0.55mm，证明了该方法的有效性，从而为实际生产过程中模具的设计与修改提供了指导。最后，基于复杂薄壁件的熔模铸造试验，总结全过程尺寸变化规律，揭示了薄壁、变截面效应及不同阶段不同对象间的相互作用对尺寸变形的影响。
　　本文针对复杂薄壁铸件熔模铸造过程中熔模制备、型壳制备、铸件浇注等主要阶段，通过变形机理分析与试验相结合的方法，在各阶段误差的产生以及全过程误差的传递与累积等方面做了一些探索性研究，建立了熔模铸造全过程误差流模型，使复杂薄壁铸件精度控制由定性分析向定量控制发展，并形成了基于全过程误差流模型的模具设计及修改方法和工艺稳健控制方法，为复杂薄壁铸件熔模铸造的精度控制提供了新的思路与新的方法。

目录

声明

答辩决议书

符号说明

缩写说明

第一章 绪 论

1.1研究背景、意义及来源

1.2国内外研究现状

1.3研究目标与研究内容

第二章 多源异类误差源对尺寸误差的影响关系研究

2.1引言

2.2熔模铸造全过程误差流的定义与成因

2.3熔模制备主要误差源分析

2.4型壳制备主要误差源分析

2.5铸件浇注主要误差源分析

2.6各阶段误差输入矢量

2.7典型阶段多源异类误差源对尺寸误差定量关系的研究

2.8实例分析

2.9本章小结

第三章 熔模铸造全过程误差流建模

3.1引言

3.2熔模铸造过程中的误差流建模方案

3.3熔模铸造误差流建模条件与数学定义

3.4全过程误差流建模

3.5全过程误差流模型的实验验证

3.6本章小结

第四章 基于全过程误差流模型的工艺稳健控制

4.1引言

4.2熔模铸造工艺参数稳健优化的必要性

4.3基于全过程误差流模型的误差贡献度分析

4.4熔模铸造过程多响应优化与工艺参数稳健控制方法

4.5基于熔模铸造全过程误差流模型的稳健优化步骤

4.6实例分析

4.7本章小结

第五章 全过程误差流模型及工艺稳健控制方法的应用

5.1引言

5.2全过程误差流模型的应用

5.3特征件的全过程工艺稳健优化

5.4复杂薄壁件熔模铸造全过程尺寸变形规律

5.5本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1主要研究内容和结论

6.2主要创新点

6.3不足之处及进一步研究展望

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间完成和参与的科研项目