温度测点优化在机床主轴热误差建模中的应用

从理论上分析了机床主轴温度场与热变形的动态特性,证明了机床主轴上最佳温度测点的存在,并通过实验加以论证。采用黄金分割法对主轴最佳温度测点的位置进行优化,并采用最佳温度测点处的温度建立线性函数,精确预报主轴的热伸长量。     

干切滚齿机床温度场特性辨识及分布优化

齿轮是航空航天等领域的重要基础件,其加工质量受到机床热态特性等的影响.为探究绿色干切滚齿机床的热态问题,提出一种多场耦合模拟和热成像重建相结合的温度场特性辨识方法.根据干切滚齿机床的多源热流特征分析,建立结构–热–流体多物理场耦合的干切滚齿机床温度场仿真模型;结合热像重建和仿真模拟分析,揭示干切滚齿机床的温度场分布特性...     

基于QGA算法优化支持向量机回归的数控机床主轴热误差建模研究

针对精密数控机床主轴的热误差的实时监测反馈问题，提出了一种用于主轴热误差的建模方法。该方法利用QGA(Quantum Genetic Algorithm)寻优算法和支持向量机回归方法的复合建模方式，建立了机床主轴热误差回归模型。并通过搭建主轴热特性测试平台，采用聚类方法筛选主轴的温度敏感点，将采集到的热特性数据用于构建的热误差建模中。实验结果表明，该方法在机床主轴热误差预测中，残差值小于1.5μm，能够为主轴热误差的闭环控制过程提供准确反馈。     

数控机床热变形实时补偿

热误差是影响机床精度最主要的因素之一,机床热误差是由机床工作时复杂的温度场造成机床各部件变形引起的,它是随时间变化的非恒定误差。热误差补偿的研究始于20世纪50年代,但其总体发展是不能令人满意的,究其原因,在于误差辨识即热误差建模。     

基于能量输入与耗散关系的机床一维轴热变形预报研究

通过分析一维主轴热传导差分模型,建立起基于反馈原理的机床能量输入、输出的热变形预报模型。并分别建立了一维和二维结构热变形预报模型,对比发现该模型具有较高的预报精度,由此预见其对预报整体机床热变形具有重要意义。     

航空发动机叶片-机匣碰摩摩擦热效应仿真分析

为了分析航空发动机叶片-机匣碰摩摩擦热对叶片的影响,基于有限元法建立了叶片-机匣碰摩摩擦的热-结构直接耦合模型,分析了不同偏心距和转速对模型应力场和温度场的影响,并与未考虑摩擦热效应的碰摩模型进行对比。结果表明:当叶片与机匣之间发生摩擦时,需考虑材料参数随温度变化的影响;摩擦热主要分布在接触表面较小的区域,温度分布沿接触面向四周呈递减趋势,且温度梯度越来越小。并在该区域产生了较大的热应力;随着偏心距和转速的增大,叶片-机匣的摩擦热效应越发明显。在实际工程问题中,需考虑摩擦热效应对叶尖表面损伤的影响。     

温致材料属性变化对发动机双转子系统动力特性的影响

为探究不同工况下温度场变化进而导致材料属性变化对双转子系统动力特性的影响，提出将不同工况温度、转速变化与发动机双转子系统动力特性联合分析方法。通过发动机性能方程、相似性原理及稳态热分析方法拟合得到稳定工况双转子温度场，将温度场与转子结构有限元模型联合，推导了双转子系统有限元刚度矩阵受温度场影响的动力学方程。建立了典型发动机双转子支承系统热-固联合分析有限元模型，分析了双转子系统在不同工况温度场下固有频率、模态振型、稳态不平衡响应及应变能分布的变化情况。结果表明：随着工况升高，典型发动机双转子系统固有频率发生不同程度的下降，临界转速随之下降，最大下降幅度接近10%；在涡轮位置不平衡量作用下，受临界转速变化等影响，涡轮支承位置最大工作转速附近平均不平衡响应幅值较常温下增大近3倍，温致材料属性变化对双转子动力特性造成较大的影响。     

微小型车铣加工表面粗糙度分析及预测模型建立

随着尖端科学技术和国防工业的不断发展,微小型车铣加工技术作为一种先进的切削加工方法被广泛应用在军民制造领域。为获得微小型正交车铣加工参数引起的零件表面粗糙度的变化规律,以高效车铣复合加工机床正交车铣轴类零件的表面粗糙度为研究对象,采用三水平五因素正交实验分析法和多元线性回归预测法,重点研究了车铣加工参数与表面粗糙度之间的关系、车铣加工参数与表面粗糙度预测模型数值关系。结果表明,采用相同刀具下正交车铣加工轴类零件,其工件尺寸、车削主轴转速、工件进给量、铣削主轴转速和切削深度依次从大到小影响零件表面粗糙度质量,可指导高效车铣复合加工机床的加工工艺参数优化。     

悬臂结构件加工参数与变形响应数值模拟研究

基于有限元数值模拟技术，开展装夹方式与切削参数对悬臂结构件加工变形综合影响规律研究，分析加工过程模态、谐响应以及不同参数下温度场、应力场及切削力的变化趋势。结果表明：加工该L型零件悬臂块上下表面时，使用三爪卡盘进行定位装夹，整体稳定性最好。增大主轴转速时，温度场、应力场和切削力均呈增大趋势，主轴转速为37.5r/min，切削深度为1mm，进给量为23.5mm/min时可保证位置公差0.1mm的要求，并获得较好的表面粗糙度。     

单晶硅超精密切削工艺参数优化与实验研究

为提高单点金刚石车削单晶硅的表面质量,以表面粗糙度为优化目标,设计正交切削实验,过方差分析、响应曲面分析和极差分析研究主轴转速、进给速度和切削深度对表面粗糙度的影响。结果表明：主轴转速对表面粗糙度影响显著,其贡献率最大,主轴转速越大,表面粗糙度值越小;建立表面粗糙度回归模型,主轴转速和进给速度的交互作用对表面粗糙度的影响最大;获得最优切削参数组合,即主轴转速3 300 r/min,进给速度2 mm/min,切削深度5 µm。在此切削条件下,获得了表面粗糙度Ra 2.7 nm的高质量单晶硅元件,在扫描电镜下观察其表面相对光滑,切屑呈带状,材料在延性域内去除。     

热气动弹性变形对飞行器结构温度场的影响研究

气动加热造成的结构温升可能造成飞行器结构失效从而带来安全隐患。准确预测结构温度场在高超声速飞行器热防护系统与结构设计中显得尤为重要。气动热与传热耦合是提高结构温度场预测精度的有效手段,经长期研究与发展,不管是耦合方法研究还是实际工程应用都已开展了大量工作。但这些研究工作均未考虑结构变形对气动加热和结构温度场的影响。而在实际飞行过程中,特别是长时间飞行后,结构变形对结构温度场的影响往往是不能忽略的,对气动力/热环境也都有直接的影响。本文以飞行器静热气动弹性计算方法为基础,对高超声速飞行器机翼模型进行了考虑热气动弹性变形影响的气动热与传热耦合计算,并与不考虑变形对热环境影响情况的计算结果进行了对比分析。结果表明,虽然对于大面积区域变形对气动热/结构温度场的影响较小,但对于热防护结构重点关注且精度要求较高的前缘驻点附近区域计算结果变化明显。由此,也说明了考虑弹性变形对结构温度场预测的重要性。该研究工作为进一步提高飞行器结构温度场预测精度和结构热安全性能评估能力奠定了基础。     

干运转下连轴弧齿锥齿轮的瞬态热分析

为了模拟干运转下弧齿锥齿轮的温度场,根据齿轮啮合原理并考虑热量向轴的传导建立了连轴弧齿锥模型。在对热源、热传导和对流换热参数分析的基础上,建立了连轴弧齿锥齿轮瞬态热分析模型,得到了两种转速下的瞬态温度场和温升曲线,并与传统单齿模型的计算结果进行了对比。结果表明:5kr/min转速下的最终温升和温升速率相较于3kr/min转速下的结果明显更高,且两种转速的齿面温度之差沿啮合点向两端逐渐减小;在最初的5s内,单齿模型的计算结果与连轴弧齿锥模型基本一致,但随着时间的推移单齿模型的最高温升相比于连轴弧齿锥模型将更高。     

考虑热变形影响的主轴轴承动态特性

针对角接触球轴承高速工况下内部易产生大量的热量、温升过高而引起轴承零件热变形,导致轴承内部沟道曲率中心与球中心几何位置关系发生变化,进而影响动力学状态的问题,基于轴承分析的拟静力学理论,考虑了轴承内部摩擦功耗生热和轴承零件的热变形。利用热网络法划分主轴单元热网络节点,定义节点之间的热阻抗,建立了稳态热网络模型。分析了不同工作转速和载荷下各节点温升导致的轴承零件的热变形,得出了轴承动态特性和热特性之间的耦合关系模型,并分析研究了轴承内部的动力学特性。结果表明:随着轴承工作转速和载荷的变化,考虑热变形和不考虑热变形时的轴承接触载荷和接触角有显著不同,高速条件下轴承内部的热变形对轴承的动态特性影响巨大,是轴承在正常使用期间出现故障的主要原因之一。      

不同工况下表面粗糙度对水润滑轴承启动性能的影响

为研究水润滑轴承的瞬态启动过程,联立瞬态压力场、温度场控制方程及主轴运动方程,构建水润滑轴承瞬态启动模型,从主轴运动、润滑性能及轴承温度等方面,分析不同表面粗糙峰高度（1 μm,2 μm及4 μm）下的水润滑轴承启动性能参数变化规律。结果表明：在轴承启动初期主轴发生强烈的瞬间振动,导致膜厚、压力、承载力、摩擦系数等主要参数发生瞬间急剧变化,且主轴振动随表面粗糙峰高度的增大而更加强烈;降低粗糙峰高度可促进水膜承载,使固体接触压力、接触承载力和摩擦系数降低,但最小膜厚也会随之减小;轴承运行中存在某一个转速使得轴承温度达到最高值,而随着粗糙峰高度的增加,该最高温度值及其对应的主轴转速均随之增大,这会加剧轴承高温失效风险。     

镁基碳纤维增强复合材料超声辅助切削试验研究

为研究镁基碳纤维增强复合材料(C_f/Mg)的切削力与已加工表面质量,开展了硬质合金铣刀与硬质合金钻头超声辅助切削试验研究。通过正交试验得到,超声辅助铣削C_f/Mg复合材料时铣削力随每齿进给量及铣削深度的增加而明显增大,随主轴转速的增加而减小;试验中,在超声辅助铣削时每齿进给量0.025mm、铣削深度0.2mm、转速6000r/min加工参数下铣削力最小,每齿进给量0.025mm、铣削深度0.2mm、转速4000r/min加工参数下表面质量较好;采用硬质合金钻头进行单因素钻削试验时,轴向钻削力随主轴转速的升高而减小;与传统钻削相比,超声辅助钻削能减小轴向钻削力,在机床转速6000r/min、机床进给速度100mm/min加工参数下超声辅助钻削相比传统钻削可减小约36%的轴向钻削力;超声辅助钻削相比传统钻削能改善钻孔出口的毛刺、分层等缺陷。     

永磁同步电机全域温度场分析与水道优化设计

以额定功率为60 kW永磁同步电机(PMSM)为研究对象,采用气隙等效导热系数处理定转子间的热交换问题。给出散下线定子绕组的等效热模型。在进行绕组铜耗计算时考虑温升对定子绕组阻值的影响,试验测定壳体与定子铁心间因装配间隙而产生的热阻值。在此基础上建立PMSM三维全域瞬态温度场有限元模型,计算电机在峰值转速运行时的温度场变化,并进行试验验证。对水道宽度比、水道数和翅片进行优化计算,找出最优解。结果表明,水道优化后电机最高温度下降9.8 ℃,对电机水道结构设计具有一定的指导意义。     

椭圆振动切削加工的同步控制研究

利用椭圆振动切削加工的回转体表面微织构是在机床主轴旋转、平台进给和装置椭圆振动的联合运动下得到的,机床主轴转动与装置位移输出如果不能保持完全的实时同步,会造成微织构加工的偏差。为了解决这一问题,提出了一种新的基于转角的同步控制方法,该方法在主轴的对位基准处实现装置正弦信号的复位,以修正转速漂移造成的加工位置误差,并通过判断主轴角度信号实时输出对应幅值电压来实时同步信号输出和机床旋转运动。基于LabVIEW FPGA搭建同步控制模块,经试验验证,利用该方法加工的矩形阵列微织构轴向排列与中轴线平行,与周向排列的夹角和仿真结果的偏差不超过0.1°,织构深度随转角的不同发生预设的变化,因此,同步控制方法具有实时同步控制椭圆振动切削装置的能力。     

自由涡轮叶片/轮盘耦合振动特性分析

自由涡轮是航空发动机的关键部件,其工作环境非常恶劣,承受着离心载荷、热载荷、气动载荷及振动载荷等的复合作用。利用UG软件对某型自由涡轮2级涡轮轮盘/叶片进行3维实体建模,导入ANSYS构建其耦合振动分析的有限元模型,以静强度分析中的模型为基础,考虑温度场和离心载荷的影响,计算出涡轮叶片/轮盘不同转速下的动频。从Campbell图可见,涡轮叶片/轮盘在工作转速下没有发生共振的危险,该型涡轮设计合理。     

精密导电滑环表面微槽车削性能

采用超精密车削精密导电滑环导电环的方法,保证了精密导电滑环绝缘环与导电环的同轴度、环间距,使绝缘微槽变形量低于0.10 mm。建立了精密导电滑环的切槽模型,利用仿真分析讨论了主轴转速、进给速率、刀具前角和切削深度对微槽变形量的影响,并对模型进行了试验验证。结果表明:滑环微槽侧面变形量随主轴转速的增大而变大,当转速达到700 r/min时,变形量达到了0.10 mm,超出了滑环的精度要求;滑环微槽变形量随机床进给速率的增大而变大,当进给速率达到1.5 mm/min时,变形量超出了滑环的精度要求;滑环微槽变形量随着前角的增大而减小;滑环微槽变形量随切削深度的增大而变大,切削深度低于0.2 mm时,滑环变形量微乎其微。     

基于Cantor集理论粗糙表面刹车副温度场研究

 为保证飞机着陆安全,避免热衰退现象影响制动性能,研究了飞机刹车副表面粗糙度对温度场的影响。将Cantor集理论应用到接触形貌分析中,按照体守恒原理建立刹车副粗糙表面接触模型,考虑其对刹车副材料热物理性能的影响,建立极坐标下刹车副温度场有限元模型。用ANSYS对其进行仿真分析。仿真结果更接近刹车副经验温度,证明了所建立的刹车副温度场模型合理、可行,为刹车副温度场分析、计算和研究提供了理论支持。