超精密飛切機(jī)床熱行為與熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析.pdf

1、超精密飛刀切削是實(shí)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(diǎn)，是國際上公認(rèn)的難加工材料；同時(shí) KDP晶體是慣性約束核聚變項(xiàng)目中實(shí)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(shí)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(dòng)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)

2、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(gè)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

3、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(jì)算的準(zhǔn)確性。同時(shí)，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(huì)直接影響整體熱分析的計(jì)算精度，本文中結(jié)合有限單元法

4、和分形理論提出了有限單元分形法，建立了接觸熱阻的動(dòng)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(dòng)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(jì)算了各個(gè)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

5、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(dòng)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(dòng)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(shí)，分析了不同進(jìn)口流

6、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(jì)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