超精密飞切机床热行为与热结构优化分析

发布时间：2017-09-13 01:28

  本文关键词：超精密飞切机床热行为与热结构优化分析

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【摘要】：超精密飞刀切削是实现大口径高精度KDP晶体加工的最有效途径。由于KDP晶体具有软脆和易潮解的特点,是国际上公认的难加工材料;同时KDP晶体是惯性约束核聚变项目中实现激光频率转换的关键光学元件,与国防和核能源有着密切的联系,因此发达国家在用于KDP晶体加工的超精密飞切机床方面对我国实行严格的技术封锁。对于超精密飞切机床,自身的结构、静态特性、动态特性和热特性都将严重影响其加工精度。在影响超精密机床加工精度的误差中,热误差所占的比例高达50%,而内外部热源引起的机床结构热变形是热误差的主要来源。因此,本文分析了内外部热源对超精密飞切机床热误差的影响规律,并在此基础上提出了合理的热结构优化方法,从而有效地改善了超精密飞切机床的热性能。首先,在超精密飞切机床中,由内部热源所引起的温升是一个热-流-固耦合作用过程,其中涉及了电机的功率损失和主轴内部流体的粘性功率耗散。因此,本文中针对液体静压主轴系统,结合有限单元法和有限体积法,提出了有限体积单元法,建立了液体静压主轴系统的热流固耦合模型,从而精确分析了液体静压主轴中温升、油膜厚度和热变形之间的相互作用关系,并研究了温升对液体静压主轴刚度、承载能力和偏心率的影响。通过有限体积单元法有效地提高了液体静压主轴系统温度场计算的准确性。同时,对于气体静压主轴系统,通过有限体积法分析了全加工过程中的温升规律。超精密飞切机床内部热源分析为机床整体热分析奠定了良好的基础。然后,由于机床内部结合面会直接影响整体热分析的计算精度,本文中结合有限单元法和分形理论提出了有限单元分形法,建立了接触热阻的动态数学模型。进一步在耦合内部热源、接触热导率、主轴刚度和螺栓预紧力的基础上建立了超精密飞切机床的综合有限单元模型,分析了温升作用下结合面上接触压力的动态变化,并在充分考虑温升、接触热阻和机械结构之间相互作用关系的情况下计算了各个结合面上的接触热导率,有效地提高了超精密飞切机床综合有限单元模型的仿真精度。根据超精密飞切机床的综合有限单元模型分析了机床加工过程中的温升和热变形,得到了内部热源对机床热误差的影响规律。其次,基于超精密飞切机床的综合有限单元模型,进一步研究了外部环境温度对机床热误差的影响,为外部热源的温度控制提供了理论依据。本文中将外界环境温度变化分解成了宏观变化、波动和局部干扰三部分,通过在有限单 元模型中施加斜坡上升、正弦和三角波三种形式的外界环境温度变化分析了外界环境温度宏观变化幅值、波动周期和幅值以及局部温度干扰对机床热误差的影响,得到了超精密飞切机床的最佳温度控制精度。同时,分析了不同进口流体温度下液体静压主轴和气体静压主轴的温升规律,并进一步计算了不同进口流体温度下超精密飞切机床的温度分布和热变形,得到了进口流体温度对机床热误差的影响以及超精密飞切机床的最佳进口流体温度。最后,为了提高超精密飞切机床的加工精度和加工效率,本文中提出了合理的热结构优化方法。针对液体静压机床,分析了结合面上接触热导率对机床热误差的影响,提出了接触热导率优化方法。通过接触热导率优化方法得到了液体静压机床的最优化接触热导率分布,有效地降低了机床的热平衡时间。针对气体静压机床,分析了各个部件上的热变形,提出了热位移分解和消去方法。通过热位移分解和消去方法,将气体静压机床刀尖处的热位移分解成了横梁、主轴和刀盘三部分热变形的叠加,并通过优化横梁和刀盘的结构尺寸有效地减小了机床的热误差。
【关键词】：超精密飞切机床 内外部热源 接触热阻 热误差 热结构优化
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG502
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 绪论15-31
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义15-16
• 1.2 国内外研究现状及分析16-29
• 1.2.1 超精密机床内外部热源的研究现状17-21
• 1.2.2 超精密机床热性能的研究现状21-26
• 1.2.3 超精密机床热结构优化的研究现状26-29
• 1.3 本文的主要研究内容29-31
• 第2章 超精密飞切机床内部热源的热分析31-59
• 2.1 引言31
• 2.2 超精密飞切机床内部热源分析31-38
• 2.2.1 电机的热分析33-36
• 2.2.2 静压主轴的粘性功率耗散36-37
• 2.2.3 外部环境的对流换热37-38
• 2.3 主轴系统的热流固耦合模型38-39
• 2.4 主轴系统内部流体的流动状态分析39
• 2.5 液体静压主轴系统的热分析39-54
• 2.5.1 有限体积单元法40-43
• 2.5.2 液体静压主轴系统的有限体积模型43-45
• 2.5.3 液体静压主轴系统的静态性能分析45-47
• 2.5.4 液体静压主轴系统的热流固耦合分析结果47-52
• 2.5.5 液体静压主轴系统热分析的实验验证52-54
• 2.6 气体静压主轴系统的热分析54-57
• 2.6.1 电机和气体静压主轴的热分析54-56
• 2.6.2 气体静压主轴系统热分析的实验验证56-57
• 2.7 本章小结57-59
• 第3章 内部热源对超精密飞切机床热误差的影响59-84
• 3.1 引言59
• 3.2 超精密飞切机床的有限单元模型59-61
• 3.3 有限单元分形方法61-69
• 3.3.1 分形理论61-63
• 3.3.2 有限单元分形方法63-68
• 3.3.3 接触表面分形实验68-69
• 3.4 液体静压机床的热分析69-78
• 3.4.1 接触压力分析69-73
• 3.4.2 接触热阻计算73
• 3.4.3 液体静压机床热分析结果73-76
• 3.4.4 液体静压机床热分析的实验验证76-78
• 3.5 气体静压机床的热分析及实验验证78-83
• 3.5.1 气体静压机床的热分析78-81
• 3.5.2 气体静压机床热分析的实验验证81-83
• 3.6 本章小结83-84
• 第4章 外部热源对超精密飞切机床热误差的影响84-107
• 4.1 引言84
• 4.2 外界环境温度变化对超精密飞切机床热误差的影响84-98
• 4.2.1 外界环境温度变化规律分析84-86
• 4.2.2 外界环境温度的宏观变化对机床热误差的影响86-90
• 4.2.3 外界环境温度波动对气体静压机床热误差的影响90-94
• 4.2.4 外界环境温度干扰对机床热误差的影响94-96
• 4.2.5 外界环境温度分析的实验验证96-98
• 4.3 进.流体温度对超精密飞切机床热误差的影响98-106
• 4.3.1 进.油温对液体静压机床的影响98-101
• 4.3.2 进气温度对气体静压机床的影响101-105
• 4.3.3 进.流体温度分析的实验验证105-106
• 4.4 本章小结106-107
• 第5章 基于热分析的超精密飞切机床结构优化107-123
• 5.1 引言107
• 5.2 超精密飞切机床热变形分析107-109
• 5.3 接触热导率优化方法109-115
• 5.3.1 液体静压机床的接触热导率优化110-114
• 5.3.2 气体静压机床的接触热导率优化114-115
• 5.4 气体静压机床的热结构优化115-121
• 5.4.1 热位移分解法115-119
• 5.4.2 热位移消去法119-121
• 5.5 本章小结121-123
• 结论123-125
• 参考文献125-132
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果132-134
• 致谢134-135
• 个人简历135

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本文编号：840712