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超精密金刚石车床热态特性分析

作　者: 江云
导　师: 孙涛
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 超精密金刚石车床热态特性 ANSYS 空气静压轴承液体静压导轨
分类号: TG51
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

超精密加工设备是发展超精密加工技术的必要手段,国内外学者对超精密机床的静态特性、动态特性和热态特性进行了大量的研究,研究结果表明,在精密加工中,热变形引起的制造误差,占总制造误差的40%-70%,故对超精密机床进行热态特性分析尤为必要。本文研究了超精密金刚石车床的热态特性,为超精密金刚石车床的结构优化设计提供参考。采用空气静压轴承的主轴作为超精密金刚石车床最为关键的部件,其性能的好坏直接影响到超精密金刚石车床的加工精度。本文建立了空气静压轴承处气膜的导热模型,求解了不同转速下的气膜温升。通过推导得到空气静压轴承气隙对流散热系数,并通过经验公式计算得到主轴其他部位的对流散热系数,最后在大型有限元分析软件ANSYS中建立主轴和电机转子的有限元模型,对主轴在不同转速下的稳态温度场和热变形进行分析,绘制了主轴温度-转速曲线、热变形-转速曲线,最终验证主轴转速达到最高设计转速时不会出现主轴卡死的现象。作为超精密金刚石车床另一关键部件,液体静压导轨的静、动态特性对超精密金刚石车床的定位精度及加工精度有较大的影响,而采用直线电机驱动的液体静压导轨的热特性对机床加工精度的影响不容忽视。本章通过建立液体静压导轨的动导轨有限元模型,利用有限元分析软件ANSYS分析动导轨在不同工作环境下做不同运动时的热变形,提出减少液体静压导轨热变形的方法,避免导轨热变形对机床加工精度造成较大影响。本文还对所有内热源共同作用下超精密金刚石车床的热态特性进行分析,得到了整机的稳态温度场分布云图,同时得出主轴电机热量传导的路径;并对整机结构的热态热性进行评价。设计了主轴电机的水冷系统,并通过ANSYS仿真得到水冷系统的冷却效果。通过ANSYS仿真得到环境温度变化对加工精度的影响。最后讨论了主轴前端热伸长对零件表面加工质量的影响,并提出了针对本机床的热误差补偿的方案。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题来源及背景意义  9
    1.1.1 课题来源  9
    1.1.2 课题背景及目的意义  9
  1.2 机床热态特性研究历史及研究现状  9-12
  1.3 有限元法在机床热态特性分析方面的应用  12-14
  1.4 本课题主要研究内容  14-16
第2章气浮主轴热态特性分析  16-31
  2.1 引言  16
  2.2 气浮主轴系统结构  16-17
  2.3 主轴电机的功耗  17-18
  2.4 空气静压轴承气膜的摩擦  18-23
    2.4.1 径向空气静压轴承的摩擦功率  19-20
    2.4.2 止推空气静压轴承的摩擦功率  20-21
    2.4.3 轴承气膜温升计算  21-23
  2.5 主轴各部位对流散热系数  23-27
    2.5.1 空气静压轴承气隙对流散热系数  23-26
    2.5.2 电机定子和转子间隙对流散热系数  26
    2.5.3 主轴其他表面对流散热系数  26-27
  2.6 主轴热态特性分析  27-29
  2.7 本章小结  29-31
第3章液体静压导轨热态特性分析  31-47
  3.1 引言  31
  3.2 液体静压导轨的结构  31-32
  3.3 液体静压导轨热源及功耗计算  32-34
    3.3.1 液体静压导轨支撑面油膜摩擦功率  32-33
    3.3.2 油泵消耗的功率  33-34
    3.3.3 直线电机的发热功率  34
  3.4 导轨表面对流散热系数  34
  3.5 液体静压导轨热态特性分析  34-42
    3.5.1 动导轨做匀速直线运动  35-38
    3.5.2 动导轨做变加速运动  38-42
  3.6 液体静压导轨材料及结构对动导轨热态特性的影响  42-45
  3.7 改善动导轨热变形的方法  45
  3.8 本章小结  45-47
第4章超精密金刚石车床整机热态特性分析  47-56
  4.1 引言  47
  4.2 超精密金刚石车床整机热态特性分析  47-52
    4.2.1 整机稳态温度场有限元仿真  47-50
    4.2.2 整机结构热态特性评价  50
    4.2.3 冷却系统设计方案  50-52
  4.3 环境温度变化对机床加工精度的影响  52-53
  4.4 热误差补偿方法  53-55
    4.4.1 主轴前端热伸长对零件表面加工质量的影响  53
    4.4.2 热误差补偿方案  53-55
  4.5 本章小结  55-56
结论  56-57
参考文献  57-61
攻读硕士学位期间发表的学术论文  61-63
致谢  63

超精密金刚石车床热态特性分析

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