论文题目：液氮内喷式主轴热倾斜变形机理与主动控制技术
摘要：以液氮为冷却介质的超低温加工工艺作为一种新型的绿色加工方法因其在“难加工材料”加工性能上的优势受到了广泛关注,但由于引入了超低温介质导致机床主轴箱产生较大的纵向温度梯度,使液氮内喷式主轴的热倾斜误差增大,影响内喷式超低温加工机床的加工精度。针对该问题,本文在分析该热变形机理的基础上,针对热误差补偿等抑制方法的不足,提出了基于热平衡思想的热变形主动控制方法,利用主轴关键部位结构优化、液氮射流调控及主轴箱主动热调控方法对液氮内喷式主轴热倾斜变形进行控制实现冷-热复合作用下的精度自愈,提高内喷式超低温机床加工精度。全文主要工作如下:基于超低温冷却加工机床结构特征,结合传热学、热弹性力学及多物理场耦合数值模拟方法,分析了超低温加工机床在引入液氮的热影响后其机床温度场分布及热变形规律,进一步研究了液氮内喷式主轴的热传导-结构件温升-热倾斜变形机理及其影响因素,最后基于热弹性力学理论建立了液氮内喷式主轴热倾斜误差理论模型。基于热倾斜变形机理及其影响因素分析,研究了液氮内喷式主轴热倾斜变形抑制的热平衡原则。针对液氮内喷式主轴内部隔热密封结构性能对热倾斜变形的影响,基于传热学、热弹性力学等理论结合数值模拟方法,研究了隔热密封的结构参数对密封性能的影响规律,进而建立了考虑低温变形的迷宫密封泄漏量模型,指导结构优化以降低主轴热倾斜误差。针对内喷液氮后射流-切削区域内的热平衡,分析了出口处液氮的温度、流量等参数对喷射液氮对流换热系数的影响规律,建立了液氮射流的热力学关系模型,并提出了液氮射流调控方法,在射流区域热平衡的基础上控制热倾斜变形。针对以上方法无法完全解决的主轴箱纵向温度梯度,提出基于热电制冷系统的主动热调控方法。基于传热学理论阐释了主动热调控方法的原理;设计了可反应液氮内喷式主轴热态特性的模拟试验台,开发了关键点温度、热变形采集系统,开发了基于热电制冷原理的热变形主动控制系统;建立了试验台热倾斜误差模型、热电制冷系统的传热学模型,继而开发了主动热调控策略及算法。最后对试验台的热倾斜变形和主动热调控方法进行试验研究,结果表明:多种工况下主动热调控方法均能将热倾斜误差降低至原误差的15%以下,验证了基于热电制冷的主动热调控方法对热倾斜变形控制的有效性。本文的研究成果证明了主动控制方法在解决液氮内喷式主轴热倾斜、提高超低温机床精度上的可行性和有效性,为主轴热误差抑制提供了一种新思路。一定程度上弥补了热误差补偿方法在数控机床热误差抑制问题上的不足,对机床精度水平提升有积极贡献。
关键词：液氮内喷式主轴;热倾斜变形;热平衡;主动热控制;热电制冷系统
学科专业：机械制造及其自动化
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 超低温加工技术及装备研究现状
1.2.2 机床热误差建模及抑制技术研究现状
1.3 论文的研究内容
1.4 本章小结
2 冷-热复合作用下机床热变形机理及仿真分析
2.1 超低温机床热倾斜变形机理
2.1.1 内喷式超低温加工机床结构
2.1.2 超低温主轴热传导-热变形分析
2.2 超低温加工机床热态特性数值仿真分析
2.2.1 多物理耦合有限元分析介绍
2.2.2 耦合仿真模型的建立
2.2.3 超低温加工机床仿真结果分析
2.3 液氮内喷式主轴热倾斜误差理论建模
2.3.1 热弹性力学基础
2.3.2 热倾斜误差理论模型
2.4 本章小结
3 液氮内喷式主轴热倾斜变形抑制方法
3.1 基于热平衡思想的热倾斜抑制方法研究
3.1.1 隔热密封优化对热倾斜的影响
3.1.2 液氮射流调控对热倾斜的影响
3.1.3 主轴箱主动热控制对热倾斜的影响
3.2 主轴内隔热密封结构优化方法
3.2.1 迷宫密封数值分析
3.2.2 迷宫密封泄漏量影响因素
3.2.3 迷宫密封泄漏模型的建立
3.2.4 模型分析与验证
3.2.5 隔热密封结构优化分析
3.3 基于热平衡思想的液氮射流调控方法
3.3.1 液氮射流数值分析
3.3.2 射流空间内热平衡模型
3.3.3 内喷液氮射流调控方法
3.4 基于热电制冷的热变形主动控制方法
3.4.1 热电制冷原理及装置
3.4.2 热电制冷系统建模及控制
3.5 本章小结
4 内喷式主轴热态特性模拟试验台开发
4.1 试验台结构设计
4.2 温度场采集系统开发
4.2.1 温度场采集硬件系统
4.2.2 温度场采集软件系统
4.3 热变形监测系统开发
4.3.1 热变形采集硬件系统
4.3.2 热变形采集软件系统
4.4 热倾斜变形主动控制系统及实现
4.4.1 热倾斜变形主动控制系统
4.4.2 热倾斜变形主动控制方法实现
4.5 本章小结
5 热倾斜变形主动调控技术试验验证
5.1 热倾斜误差模型建立
5.2 热电制冷系统模型建立
5.3 热变形控制算法及策略开发
5.4 热倾斜变形主动调控试验
5.5 本章小结
结论
参考文献
致谢