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非均匀温度场中机械零部件热变形的理论及应用研究

胡鹏浩

  随着精密加工、精密测试技术的发展,纳米技术的兴起,热变形误差已成为这些领域提高测量精度和加工精度的关键技术障碍。本文在综合国内外研究成果和本单位热变形研究成果的基础上,在国家自然科学基金等项目的支持下,首次将热传导理论、弹性理论和热弹性理论系统、深入地引进到研究之中,研究了零部件不同状态下(使用中,加工中)的非均匀温度场理论模型,在此基础上对零部件的热变形、热应力做了系统的理论分析和实验验证,取得了一些成果,其中有些观点是创新的。本文的主要内容及创新包括:在综合国内外现有热变形研究成果的基础上,主要研究了非均匀温度场中机械零部件的热变形,采用了与均匀温度场的热变形研究有本质区别的新技术路线和新的理论基础。工作中的机械设备大多是处于非均匀、稳定温度场中的,因此研究非均匀温度场的热变形更具有应用价值和实际意义。其研究成果和我们已完成的均匀温度场中的热变形成果前后呼应、互相补充,既拓宽了热变形的研究领域、又为机械热变形的进一步研究构筑了更加全面的、完整的理论基础。根据热传导理论,本文独立完成机械零部件典型温度场的理论建模、主轴三维温度场的理论推导,在确定温度场的基础上,运用热弹性理论完成了其热应力和热变形的理论计算和和部分试验分析,类似的结论或成果国、内外未见报道。本文选用两种典型零部件(孔轴配合和滚动轴承)为突破口,对机械零部件在稳定温度场下的热变形规律进行了系统的研究。本文重点分析热变形对孔、轴类配合的影响,提出了通过修正公差设计补偿热变形误差的理论方法和具体措施,为全面提出热公差配合理论奠定了良好的基础;系统讨论了滚动轴承游隙变化和温度变化之间的关系,分析了装配应力及旋转速度对游隙变化的影响,完成了轴承最佳工作游隙的确定方法和计算理论;在确定轴承、主轴热变形的基础上,深入分析其热变形对轴系预紧的影响,该成果将热变形这一对于预紧不利的因素转化为对预紧有利的因素,通过确定合适的初始预紧力,进而保证了轴系在工作温度中处于最佳的预紧状态,这对于高精度轴系的设计、制造和使用均具有理论价值和现实意义。本文总结了影响机械零部件热变形的各种主要因素,重点研究了残余应力对零件热变形的影响。众所周知,残余应力会导致零部件发生残余应力变形,破坏精度。本文分析了典型热处理工艺、切削加工工艺对残余应力产生、分布、大小和性质的影响,提出了残余应力对零部件热变形的影响机理,并进行了有创新的理论分析。本文选用不同的典型工艺加工了一批残余应力具有特定分布的零件,通过对试件热变形的测定,基本上验证了新观点的正确性。在理论研究的基础上,本文结合实际研究了三峡工程发电机组主轴在车削加工11合肥工业大学博士学位论文中的热变形。切削热所产生的温度场是非均匀非稳定的,它不仅是空间的函数,也是时间的函数,同时热源性质也不同。本文在理论上运用移动热源法、格林函数法完成车削中孔、轴类零件的三维非均匀、非稳定温度场的理论建模,而且孔、轴的理论分析采用了不同的计算理论和思路,在此基础上运用热弹性位移势和勒夫位移函数推导了车削状况F零部件热变形的理论公式,并进行了试验验证分析,该部分成果即将进入实际应用阶段,相同或相似的结论、成果国内外未见报道。针对非均匀、稳定温度场和非均匀、非稳定温度场中不同规律的热变形研究,本论文专门研制了两套包含加温、测温、控温、测热变形的实验装置,根据热传导性质和方向的不同,两套装置分别采用“向心”加热和“离心”加热的方法来构建零部件的不同性质的温度场,在综合各种热变形测量方法的基础上,提出了测量零部件热变形的新方法。实验结果基本验证了理论分析的成果,更重要的是它为不断修正边界条件,提供了依据,这一点在非均匀温度场中研究热变形是很重要的。……   
[关键词]:热传导、温度场、热应力、残余应力、热应变、热变形
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:合肥工业大学2001年