本文關(guān)鍵詞：超精密飛切機(jī)床熱行為與熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

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【摘要】：超精密飛刀切削是實現(xiàn)大口徑高精度KDP晶體加工的最有效途徑。由于KDP晶體具有軟脆和易潮解的特點,是國際上公認(rèn)的難加工材料;同時KDP晶體是慣性約束核聚變項目中實現(xiàn)激光頻率轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵光學(xué)元件,與國防和核能源有著密切的聯(lián)系,因此發(fā)達(dá)國家在用于KDP晶體加工的超精密飛切機(jī)床方面對我國實行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖。對于超精密飛切機(jī)床,自身的結(jié)構(gòu)、靜態(tài)特性、動態(tài)特性和熱特性都將嚴(yán)重影響其加工精度。在影響超精密機(jī)床加工精度的誤差中,熱誤差所占的比例高達(dá)50%,而內(nèi)外部熱源引起的機(jī)床結(jié)構(gòu)熱變形是熱誤差的主要來源。因此,本文分析了內(nèi)外部熱源對超精密飛切機(jī)床熱誤差的影響規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上提出了合理的熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,從而有效地改善了超精密飛切機(jī)床的熱性能。首先,在超精密飛切機(jī)床中,由內(nèi)部熱源所引起的溫升是一個熱-流-固耦合作用過程,其中涉及了電機(jī)的功率損失和主軸內(nèi)部流體的粘性功率耗散。因此,本文中針對液體靜壓主軸系統(tǒng),結(jié)合有限單元法和有限體積法,提出了有限體積單元法,建立了液體靜壓主軸系統(tǒng)的熱流固耦合模型,從而精確分析了液體靜壓主軸中溫升、油膜厚度和熱變形之間的相互作用關(guān)系,并研究了溫升對液體靜壓主軸剛度、承載能力和偏心率的影響。通過有限體積單元法有效地提高了液體靜壓主軸系統(tǒng)溫度場計算的準(zhǔn)確性。同時,對于氣體靜壓主軸系統(tǒng),通過有限體積法分析了全加工過程中的溫升規(guī)律。超精密飛切機(jī)床內(nèi)部熱源分析為機(jī)床整體熱分析奠定了良好的基礎(chǔ)。然后,由于機(jī)床內(nèi)部結(jié)合面會直接影響整體熱分析的計算精度,本文中結(jié)合有限單元法和分形理論提出了有限單元分形法,建立了接觸熱阻的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。進(jìn)一步在耦合內(nèi)部熱源、接觸熱導(dǎo)率、主軸剛度和螺栓預(yù)緊力的基礎(chǔ)上建立了超精密飛切機(jī)床的綜合有限單元模型,分析了溫升作用下結(jié)合面上接觸壓力的動態(tài)變化,并在充分考慮溫升、接觸熱阻和機(jī)械結(jié)構(gòu)之間相互作用關(guān)系的情況下計算了各個結(jié)合面上的接觸熱導(dǎo)率,有效地提高了超精密飛切機(jī)床綜合有限單元模型的仿真精度。根據(jù)超精密飛切機(jī)床的綜合有限單元模型分析了機(jī)床加工過程中的溫升和熱變形,得到了內(nèi)部熱源對機(jī)床熱誤差的影響規(guī)律。其次,基于超精密飛切機(jī)床的綜合有限單元模型,進(jìn)一步研究了外部環(huán)境溫度對機(jī)床熱誤差的影響,為外部熱源的溫度控制提供了理論依據(jù)。本文中將外界環(huán)境溫度變化分解成了宏觀變化、波動和局部干擾三部分,通過在有限單 元模型中施加斜坡上升、正弦和三角波三種形式的外界環(huán)境溫度變化分析了外界環(huán)境溫度宏觀變化幅值、波動周期和幅值以及局部溫度干擾對機(jī)床熱誤差的影響,得到了超精密飛切機(jī)床的最佳溫度控制精度。同時,分析了不同進(jìn)口流體溫度下液體靜壓主軸和氣體靜壓主軸的溫升規(guī)律,并進(jìn)一步計算了不同進(jìn)口流體溫度下超精密飛切機(jī)床的溫度分布和熱變形,得到了進(jìn)口流體溫度對機(jī)床熱誤差的影響以及超精密飛切機(jī)床的最佳進(jìn)口流體溫度。最后,為了提高超精密飛切機(jī)床的加工精度和加工效率,本文中提出了合理的熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。針對液體靜壓機(jī)床,分析了結(jié)合面上接觸熱導(dǎo)率對機(jī)床熱誤差的影響,提出了接觸熱導(dǎo)率優(yōu)化方法。通過接觸熱導(dǎo)率優(yōu)化方法得到了液體靜壓機(jī)床的最優(yōu)化接觸熱導(dǎo)率分布,有效地降低了機(jī)床的熱平衡時間。針對氣體靜壓機(jī)床,分析了各個部件上的熱變形,提出了熱位移分解和消去方法。通過熱位移分解和消去方法,將氣體靜壓機(jī)床刀尖處的熱位移分解成了橫梁、主軸和刀盤三部分熱變形的疊加,并通過優(yōu)化橫梁和刀盤的結(jié)構(gòu)尺寸有效地減小了機(jī)床的熱誤差。
【關(guān)鍵詞】：超精密飛切機(jī)床 內(nèi)外部熱源 接觸熱阻 熱誤差 熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG502
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 緒論15-31
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義15-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析16-29
• 1.2.1 超精密機(jī)床內(nèi)外部熱源的研究現(xiàn)狀17-21
• 1.2.2 超精密機(jī)床熱性能的研究現(xiàn)狀21-26
• 1.2.3 超精密機(jī)床熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究現(xiàn)狀26-29
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容29-31
• 第2章 超精密飛切機(jī)床內(nèi)部熱源的熱分析31-59
• 2.1 引言31
• 2.2 超精密飛切機(jī)床內(nèi)部熱源分析31-38
• 2.2.1 電機(jī)的熱分析33-36
• 2.2.2 靜壓主軸的粘性功率耗散36-37
• 2.2.3 外部環(huán)境的對流換熱37-38
• 2.3 主軸系統(tǒng)的熱流固耦合模型38-39
• 2.4 主軸系統(tǒng)內(nèi)部流體的流動狀態(tài)分析39
• 2.5 液體靜壓主軸系統(tǒng)的熱分析39-54
• 2.5.1 有限體積單元法40-43
• 2.5.2 液體靜壓主軸系統(tǒng)的有限體積模型43-45
• 2.5.3 液體靜壓主軸系統(tǒng)的靜態(tài)性能分析45-47
• 2.5.4 液體靜壓主軸系統(tǒng)的熱流固耦合分析結(jié)果47-52
• 2.5.5 液體靜壓主軸系統(tǒng)熱分析的實驗驗證52-54
• 2.6 氣體靜壓主軸系統(tǒng)的熱分析54-57
• 2.6.1 電機(jī)和氣體靜壓主軸的熱分析54-56
• 2.6.2 氣體靜壓主軸系統(tǒng)熱分析的實驗驗證56-57
• 2.7 本章小結(jié)57-59
• 第3章 內(nèi)部熱源對超精密飛切機(jī)床熱誤差的影響59-84
• 3.1 引言59
• 3.2 超精密飛切機(jī)床的有限單元模型59-61
• 3.3 有限單元分形方法61-69
• 3.3.1 分形理論61-63
• 3.3.2 有限單元分形方法63-68
• 3.3.3 接觸表面分形實驗68-69
• 3.4 液體靜壓機(jī)床的熱分析69-78
• 3.4.1 接觸壓力分析69-73
• 3.4.2 接觸熱阻計算73
• 3.4.3 液體靜壓機(jī)床熱分析結(jié)果73-76
• 3.4.4 液體靜壓機(jī)床熱分析的實驗驗證76-78
• 3.5 氣體靜壓機(jī)床的熱分析及實驗驗證78-83
• 3.5.1 氣體靜壓機(jī)床的熱分析78-81
• 3.5.2 氣體靜壓機(jī)床熱分析的實驗驗證81-83
• 3.6 本章小結(jié)83-84
• 第4章 外部熱源對超精密飛切機(jī)床熱誤差的影響84-107
• 4.1 引言84
• 4.2 外界環(huán)境溫度變化對超精密飛切機(jī)床熱誤差的影響84-98
• 4.2.1 外界環(huán)境溫度變化規(guī)律分析84-86
• 4.2.2 外界環(huán)境溫度的宏觀變化對機(jī)床熱誤差的影響86-90
• 4.2.3 外界環(huán)境溫度波動對氣體靜壓機(jī)床熱誤差的影響90-94
• 4.2.4 外界環(huán)境溫度干擾對機(jī)床熱誤差的影響94-96
• 4.2.5 外界環(huán)境溫度分析的實驗驗證96-98
• 4.3 進(jìn).流體溫度對超精密飛切機(jī)床熱誤差的影響98-106
• 4.3.1 進(jìn).油溫對液體靜壓機(jī)床的影響98-101
• 4.3.2 進(jìn)氣溫度對氣體靜壓機(jī)床的影響101-105
• 4.3.3 進(jìn).流體溫度分析的實驗驗證105-106
• 4.4 本章小結(jié)106-107
• 第5章 基于熱分析的超精密飛切機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化107-123
• 5.1 引言107
• 5.2 超精密飛切機(jī)床熱變形分析107-109
• 5.3 接觸熱導(dǎo)率優(yōu)化方法109-115
• 5.3.1 液體靜壓機(jī)床的接觸熱導(dǎo)率優(yōu)化110-114
• 5.3.2 氣體靜壓機(jī)床的接觸熱導(dǎo)率優(yōu)化114-115
• 5.4 氣體靜壓機(jī)床的熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化115-121
• 5.4.1 熱位移分解法115-119
• 5.4.2 熱位移消去法119-121
• 5.5 本章小結(jié)121-123
• 結(jié)論123-125
• 參考文獻(xiàn)125-132
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果132-134
• 致謝134-135
• 個人簡歷135

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本文編號：840712