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《合肥工业大学》 2001年
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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  
【摘要】: 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。
【学位授予单位】:合肥工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TH161.4

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