（精密仪器及机械专业论文）精密零件热膨胀及材料精确热膨胀系数研究.pdf

鱼璺三些墨兰堡圭兰垒堡兰一 精密零件热膨胀及材料精确热膨胀系数研究 摘要 f 现代科技迅速发展，使得精密工程的精度等级不断提高，已进入微纳米级 水平。由于热变形对精度最w 诵重要性所以对热变形影响机理和控制研究越 来越受到国内外学者的关注j 本文在国家自然科学基金“机械配合热变形误差 的基础理论与应用技术研究”( 项目编号：5 0 0 7 5 0 2 3 ) 的支持下，同时参考台 湾科学技术委员会的相关项目内容，在国内外热变形研究理论成果的基础上， 对零件形体因素所引起的热变形及相关内容进行了系统深入的理论研究，建立 了零件典型形体因素对热变形影响的数学模型，并通过实验给以论证。在此成 果基础上，对材料精确热膨胀系数作了大量的理论和实验研究，为未来建立标 准的精密工程中常用材料精确热膨胀系数提供了一定的参考依据。 本文主要工作和创新性成果包括： 本课题在吸收国内外热变形理论研究成果的基础上通过热变形与力学模 型的转换，对典型零件形体热变形规律进行深入的理论研究，对常见的方体、 圆柱体、园环和球体等形体特征参数对零件的热变形影响给出了理论分析，首 次推导建立了零件热变形规律的数学模型。 在典型零件形体热变形数学建模分析中，应用差分算法并进行了改进，将 差分法发展成可得出形体热变形一般规律的解析法，有效的解决了熟变形形体 建模问题，为进一步研究复杂形体对零件热变形影响规律提供了一种算法。 对材料的精确热膨胀系数进行了全面与深化研究，分析了传统材料热膨胀 系数的不足，给出了传统材料膨胀系数实用的精确定量评述和适用范围，提出 了精确材料热膨胀系数相关问题的解决方法。同时对现行的几种材料热膨胀系 数定义进行了系统分析，给出各种定义的材料热膨胀系数的精度范围，提供了 在实践应用中选用原则和方法，该内容具有重要的实用价值。进一步对以圆柱 体和球体为标准样件所定义的材料膨胀系数进行了理论分析提出以圆球体为 标准试件所测出的材料膨胀系数具有更好的科学性，为建立科学的精确热膨胀 系数提供理论依据。 根据对热膨胀系数的理论研究成果，进一步研究了常用材料的精确膨胀系 数，对本校选用的精密机械 ：程中常用的2 5 种材料和台湾成功大学提供的1 6 种( 每种有4 件尺寸不同的样件，共6 4 件) 材料的热膨胀系数变化规律进行 了测定，给出了实用数表，并对其实验数据进行了分析比较，得出了材料精确 热膨胀系数的主要结论，为今后进一步研究海峡两岸统一的材料精确热膨胀系 数标准提供了良好依据。 i i台肥工业大学博匕学位论文 研制成功了国内唯一的高精度三维热变形实验装置一均匀温度场高精度 实验装置，该装置具有恒温箱微机控制，高精度电感测头准确定位微动三维 工作台和双频激光干涉仪热变形量测量系统，极大的提高了测量精度和测量适 用范围，扩展了其应用功能。其主要技术指标是：容积为8 2 0 5 2 8 8 5 0 r a m 3 ， 测温不确定度为0 0 2 ，微变形测量不确定度为0 2 8 o n 。该实验装置的研 制成功为进一步在本方向的研究给以了设备保障。 关键词：热变形、热膨胀系数、热应力、热传导、差分法 宣丝三些盔兰堕主兰丝堡苎 坐 r e s e a r c ho nt h e r m a le x p a n s i o no fp r e c i s i o nm e c h a n i c a l p a r t sa n dm a t e r i a lp r e c i s ec o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n a b s t r a c t w i t hm e c h a n i c a lp r e c i s i o ni m p r o v i n gf r o mm i c r o ns c a l et on a n o m e t e rs c a l ei n m o d e r nt i m e s ，s c i e n t i s t si nw o r l dm o r ea n dm o r ep a ya t t e n t i o nt 0t h ei n f l u e n c eo f t h e r m a ld e f o r m a t i o ni n p r e c i s ep r o c e s s a n d p r e c i s i o n i n s t r u m e n t s u n d e r t h e s u s t e n t a t i o no fn s f c ( n a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ) p r o j e c t “t h e o r e t i c a la n da p p l i e dr e s e a r c ho fm e c h a n i c a la s s o r tt h e r m a ld e f o r m a t i o ne r r o r s ” ( i t e mn u m b e r ：5 0 0 7 5 0 2 3 ) a n dt a i w a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i t t e ep r o j e c t ， t h i sp a p e rs u m m a r i z e sd o m e s t i ca n da b r o a dt h e r m a ld e f o r m a t i o na c h i e v e m e n t s ； s y s t e m a t i c a l l y s t u d i e dm e c h a n i c a l p a r t s t h e r m a l d e f o r m a t i o ni n f l u e n c e d b y m e c h a n i c a lp a r t sb o d yf a c t o r ；e s t a b l i s h e st h e r m a ld e f o r m a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e l w i t hm e c h a n i c a lp a r t sb o d yf a c t o r s ，a n dt h em o d e li sd e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t s o nt h eb a s i so ft h e s ea c h i e v e m e n t s ，t h em a t e r i a lp r e c i s ee o e f f i c i e n t so ft h e r m a l e x p a n s i o na r ed e d u c e da n dal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sa r em a d et op r o v et h e s e r e s u l t s o nt h eb a s eo ft h e s et h e o r e t i c a ia n d e x p e r i m e n t a l a c h i e v e m e n t s t h e s t a n d a r dm a t e r i a lp r e c i s ec o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o ni np r e c i s i o ne n g i n e e r i n g c a na d v a n c ef u r t h e r t h em a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i o n s0 ft h ed i s s e r t a t i o ni a c i u d e ： o nt h eb a s i so fs y n t h e t i c a l l ya n a l y s i sa b o u td o m e s t i ca n da b r o a da c h i e v e m e n t s ， b yt r a n s f o r m i n gt h e r m a ld e f o r m a t i o na n dm e c h a n i c sm o d e i ，t h er u l eo ft y p i c a l p a r t sb o d y s t h e r m a ld e f or m a t i o ni sr e s e a r c h e d 。t h e o r e t i c a l a n a l y s i so nr u le so f s q u a r eb o d y ，c y l i n d e ra n ds p h e r et h e r m a ld e f o r m a t i o na r eg i y e n ，a n dp a r t st h e r m a l d e f o r m a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e i i sd e d u c e df o ft h ef i r s tt i m e i nt h ea n a l y s i so ft y p i c a lp a r t s b o d yt h e r m a ld e f or m a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e l ， t h et y p i c a lf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o di s d e v e l o p e di n t o a na n a l y s i sm e t h o dw h i c h c a nb eu s e dt oa c q u i r e dt h eg e n e r a lr u l eo ft h eb o d yt h e r m a ld e f o r m a t i o n ，a n dt h i s a n a l y s i s m e t h o d p r o v i d e s a k i n d o fe f f e c t u a l a r i t h m e t i ci n r e s e a r c h i n gp a r t s t h e r m a ld e f o r m a t i o nw i t hc o m p l e x s h a p ep a r t s 。 t h i s p a p e rc o m p r e h e n s i v e i ys t u d i e sm a t e r i a l p r e c i s ec o e f f i c l e n to ft h e r m a l e x p a n s i o n ，a n a l y z e st h ed e f e c to ft h et r a d i t i o n a lm a t e r i a lc o e f f i c l e n to ft h e r m a l e x p a n s i o n ，d e m o n s t r a t e st h eq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o na n da p p l i c a b l es c a l eo ft h e p r e c i s i o nu n d e rt r a d i t i o n a lm a t e r i a lc o e f f i c i e n to ft h e r m a l e x p a n s i o n ，g i v e st h e s o l u t i o nt oo b t a i nm a t e r i a l p r e c i s ec o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n m e a n w h i l e ， l v仑肥t 业大学博士学位论文 t h i s p a p e ra n a l y z e ss e v e r a lc u r r e n td e f i n i t i o n so fm a t e r i a l c o e f f i c i e n to ft h e r m a l e x p a n s i o n ，d e m o n s t r a t e st h ep r e c i s i o nr a n g ew i t hd i f f e r e n tc o e f f i c i e n td e f i n i t i o n s ， g i v e st h ep r i n c i p l e a n dm e t h o di nt h ea p p l i c a t i o na n di n d u s t r y ，a n dt h i s t h e o r y p o s s e s s e si m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u e w et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e sm a t e r i a lc o e f f i c i e n t o ft h e r m a le x p a n s i o nd e f i n e db yt h ec y l i n d e ra n ds p h e r es t a n d a r ds a m p l e s ，t h e m a t e r i a lc o e f f i c i e n tb ym e a s u r i n gs p h e r es t a n d a r di sm o r es c i e n t i f i c t h i sp a p e r e s t a b l i s h e sm a t h e m a t i c sm o d e lo fc o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o nw i t ht y p i c a l s h a p ep a r t st op r o v i d et h e o r e t i c a l l yb a s i sf o re s t a b l i s h i n gm o r es c i e n t i f i cp r e c i s e c o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n t h i sp a p e rs t u d i e st h ec h a n g i n gr u l eo fm a t e r i a lc o e f f i c i e n to f t h e r m a le x p a n s i o nw i t h d i f f e r e n ts a m p l ep a r t s ，i n c l u d i n g2 5k i n d so f g e n e r a lm a t e r i a li np r e c i s i o ne n g i n e e r i n ga n d1 6 k i n d so fm a t e r i a l ( o n ek i n do fm a t e r i a li n c l u d e s4d i f f e r e n td i m e n s i o ns a m p l e s ，a l t o g e t h e r6 4 p i e c e s ) p r o v i d e db yt a i w a n n a t i o n a lc h e n g k u n g u n i v e r s i t y , t h e i rc o e f f i c i e n tw a st e s t e dt h r o u g h e x p e r i m e n t s ，a st h ei n f o r m a t i o no ft h em a t e r i a lp r e c i s ec o e f f i c i e n to f t h e r m a ld e f o r m a t i o n ，t h e s e d a t aw e l ea n a l y z e da n dt h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la c h i e v e m e n t sh a v ea c q u i r e d ，t h o s er e s u l t sw i l l h e l pe s t a b l i s ht h eu n i f o r m s t a n d a r dm a t e r i a lp r e c i s ec o e f f i c i e n to f t h e r m a ld e f o r m a t i o n t h i s p a p e rd e v e l o p sh i g h p r e c i s i o n t h r e ed i m e n s i o nt h e r m a ld e f o r m a l l o n e x p e r i m e n t i n s t r u m e n t 。e v e n t e m p e r a t u r e f i e l d h i g h p r e c i s i o ne x p e r i m e n t i n s t r u m e n t ，i th a s c o n s t a n t t e m p e r a t u r e c a b i n e tc o n t r o l l e d b y m i c r o c o m p u t e r ， l o c a t e d b y i n d u c t a n c e m e a s u r i n gp r o b e s ，t h r e e d i m e n s i o n j i g g l e d e s ka n d d o u b l e - f r e q u e n c yl a s e ri n t e r f e r o m e t e r m e a s u r i n gs y s t e m ，t h e s ef u n c t i o nd e v e l o p e d t oe n h a n c ei t s a p p l i c a b i l i t y t h e h i g h - p r e c i s i o nt h r e ed i m e n s i o nt h e r m a l d e f o r m a t i o ne x p e r i m e n ti n s t r u m e n t si n d e x e sa r e ：t h e r m o m e t r i cu n c e r t a i n t yi s0 0 2 m i cr e - d e f o r m a t i o nu n c e r t a i n t yo fm e a s u r e m e n ti s 02 8 a n t h es u c c e s so f d e v e l o p i n g t h e e x p e r i m e n t a l i n s t r u m e n t se n s u r e st h er e s e a r c h p r o c e s s m o r e r e a s o n a b l ea n dm o r er e l i a b l ea n dw i l lf u r t h e ri m p r o v et h er e s e a r c hi nt h i sf i e l d k e y w o r d s ：t h e r m a ld e f o r m a t i o n ，c o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n ，t h e r m a ls t r e s s t h e r m a ic o n d u c t i o n f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审 查，确认符合合肥工业大学博士学位 论文质量要求。 答辩委员会签名： 主席：( 工作单位职称) 委员： 中国钟径犬罾衽校 州锄秘仁 ”2 - 截 疙确抄。二辱燃 舌忆2 也r 幸苏锯i 辄蟛馅彩啖 硷胆乙必大学舷埂 秀 饿豢瞳、睹荚 宕仓瓢 独创性声啊 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究_ 1 ：作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒艘兰些太堂 或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：甾愚荦乞签字日期：声。千年c 1 月f 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权盒胆量些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权 5 ) 学位论文作者签名：尚恩军表 签字日期归午年f f 月卜日 导师虢荧业垮 签字日期：z 叫年1 1 月i 。日 学位论文作者毕业后去向： ：e 作单位：合肥t 业大学仪器仪表学院 通讯地址：安徽省合肥市屯溪路1 9 3 号1 # 信箱 电话：0 5 5 1 2 9 0 15 15 邮编：2 3 0 0 0 9 台肥工业人学博卜学位论义 v 致谢 本文是在导师费业泰教授的悉心指导f 完成的，在此诚挚感谢费老师的亲 切关怀和无限帮勘。 费老师表现出的严谨的治学态度、精湛的学术水平和高尚的个人情操，将 是我终生学习的榜样。在读博士期间，费老师最大限度的提供了良好的学习环 境、充足的实验条件和研究经费。在科研上费老师始终密切注意我的发展方向， 并及时给以指正和鼓励，使我顺利的完成了科研1 ：作。导师费教授敏锐的洞察 力和学术上的独到见解，令我由衷钦佩，时时触发我的研究思路，引导我对知 识的追求与探索。在科研探索道路上，我前进的每一步都浸注了导师的心血。 费老师生活上非常节俭，但在科研投入上却在所不惜，这种务实的科研态 度对我们产生了重要影响。他一直教育我们，科学研究不仅需要严谨的态度， 勤奋的学习，更需要为人的正直，忘我的投入，并且以身作则树立榜样，这些 都将使我终身受益。对费老师多年来的教育，培养和关怀，我将铭记在心，在 今后的科研道路上不断前进。 感谢黄其圣教授对我的关心和鼓励，在研究中他给予了很多理论和技术上 的指导。在设计、调试实验装置的r 程中，得到实验室王宏涛高t 、周耀新老 师、王会生、丁苏红老师、刘巧云高j 二、机械学院的李学京副教授给以的鼎立 相助，在此表示衷心感谢! 感谢陈晓怀教授、于连栋老师的帮助和支持! 在与张勇斌、汪平平、罗哉、复豪杰、孟勇、赵静等师弟妹们的学习与探 讨中得到很多启发和帮助，在此一并感谢! 感谢我的家人在我读博士期间给以的奉献和支持! 作者：苗恩铭 2 0 0 4i l 合肥 t 业大学博士学位论文 1 1研究意义 第一章绪论 热过程是物质世界普遍存在的种物理工程，温度的变化在生产中随处可 见，研究材料热变形规律而加以利用也就伴随人类社会发展而发展。十八世纪， 科学工作者对材料热变形规律及材料热属性就进行了系统的研究。荷兰的天文 学家p e t r u sv o nm u s s c h e n b r o c k 在17 3 0 年研究了钟摆杆的热变形对钟摆周期的 影响，并从铁，钢、铜、锡和铅中选用了热膨胀系数最小的铁制作钟摆杆等： l7 5 3 年富兰克林( f r a n k l i n ) 提出了不同物质具有不同接受和发散热量能力的概 念：17 8 7 年，福代斯( f o r d g c e ) 进行了生铁和纸板导热性能的对比试验：1 7 8 9 年，英根( 1 n g e n ) 和豪斯( h a u s z ) 首次建成了测量固体导热系数的稳态比较 法实验装置。随着科学技术的发展特别是五十年代空间技术的推动，以及七 十年代能源危机的出现，从而促使一门以研究和测试物质宏观热物理属性，探 索宏观热物性与物质微观结构之间关系的崭新学科分支一热物性学逐渐形 成。材料的热物性就是材料的热物理性能，即材料在热变化过程中的物理特 征。通常材料热物性包括热膨胀系数、密度、热扩散率或导温系数、比热容、 热发射率、热吸收率、粘度等项热物性。材料热物性的研究对特定热过程进行 基础研究、分析计算和过程设计的关键参数，它是材料的最基本的性能之一， 也是掌握和调控生产中材料热变形规律应用的基础。随着社会发展，生产精度 要求的不断提高对生产中零部件热变形规律的理论研究方面提出了要求。瑞 士人于1 9 3 3 年开始对座标镗床的热变形进行了测量和分析，这是最早关于机床 热特性的研究。但机床结构复杂，理论研究十分困难，仅是进行了定性研究， 直到计算机技术、控制理论、红外热象仪和激光全息摄影等技术的应用，才有 了突破 2 - 4 。日本东京工业大学、德国阿亨工业大学等对工艺系统热特性问题 进行了系统的理论和试验研究。如日本东京工业大学佐田登志夫教授提出“热 刚性”概念，将工艺系统静刚性，动刚性和热刚性三者统一起来，研究机床结 构变形对质量加工和生产率的影响，提出控制机床结构变形的c a d ( 计算机辅 助设计) 及在加工中保持稳定温度分布的c a m ( 计算机辅助制造) ，从而极大 的促进了理论研究的发展。从七十年代开始，b 本着手研究数控机床的热变形 补偿。德国于1 9 8 0 年发表了u h e i s e l 博士论文机床的热变形补偿，论证了能 获得6 0 左右的热位移补偿结果。此后，国外众多学者基于机床动态特性试验 中模拟分析试验方法的思路，将整机振型的描述方法模拟于机床热特性试验的 一个新扩展，能直观、清晰的观察描述机床整机热变形规律及其发展过程。 现代科技将精度等级不断提高，由微米级进入纳米级零件的热变形对零 件精密加1 = 精度和精密仪器使用精度等都产生重要影响，传统的零件熟变形计 2 第章绪论 算误差较人。本文就是针对精密零件热变形进行理论研究分析，综台考虑零仆 典型形体对零件热变形的影响及对材料热膨胀系数测龄值的影响，以获得材料 精确熟膨胀系数和零件精确热变 形量。根据相关资料的统计与分 析挎“ ，目前在常用仪器总误差 中，热变形所带来的误差约占总 误差的三分之一，经过对其它误 差源修正后，虽然仪器总误差将 显著减小，但热变形误差所占的 比例却上升到总误差的一半以 上，如图1 1 所示。在精密加工中， 热变形误差对加工精度的影响同 样为人们所重视，热变形误差已 锄童_ i 赶谩差 测量总最差一 图i1 温度引起_ i 是差同测量到的总误差关系 占到总误差的4 0 一7 0 。英国伯明翰大学的j p e c l e n i k 、德国阿亨工业大学的 b r a u n i n g 、日本京都大学的垣野义昭、莫斯科自动化_ 程研究所的av p u s h 等对此都进行了调查。2 0 0 0 年欧共体为保持其科技和工业在国际上的竞争地 位，组织欧共体内的国家合作立项井组织了“测量，设计和补偿热变形”课 题研究和开发”“1 9 1 该项目共有4 个国家的制造实力较强的9 家公司参加，由 z a y e r ( 西班牙机床公司) 、d o i m a k ( 两班牙机床公司) 、g o r a t u ( 西班牙 机床公司) 、c o o r d 3 ( 意大利三坐标测量机公司) 提供研究对象，并将研究结 果转化为产品；比利时鲁文大学和德国阿亨t 业大学负责制定研究方案、测量 数据、数学建模及热变形误差补偿it e k n i k e r ( 西班牙工业研究中心) 负责 研究对象的热变形测量和机床结构改进设计：k r y p t o n ( 比利时公司) 和阿 亨工业大学联合研制新的测量方法和传感器：f i d i a ( 意大利数控系统公司) 根据两个大学的理论分析结果和补偿模型，负责开发具有热误差补偿功能的数 控系统。这是个规模强大、从理论研究到实际应用的一体化研究项目。田此， 深入研究机械零部件的热变形规律，对精密加t 、精密测试、机械设备的使用 都具有重大的意义和良好的麻弭l 前景。 1 2国内外研究现状 1 2 。1 国内外研究概述 零件热变形计算和材料热膨胀系数参数密不可分，通常零件热变形量都是 使用材料热膨胀系数与温度变化量的函数关系计算获得，故目前国际上对丁- 热 变形的理论研究主要集中在对材料热膨胀系数等热物性参数方面的研究。有天 热物性的国际学术活动十分频繁，已有四个定期举行的热物性国际学术会议： 国际热物性会议( s t p ) 、国际导热系统会议( i t c c ) 、国际热膨涨系数会议( i f e s ， 台肥下业大学博士学位论文 3 和欧洲热物性会议( e t p c ) f 2 。同时，为提高热物性数据的准确度，统一并仲 裁有争议的热物性测试方法、装置和数据，许多国家都建立了本国的热物性测 试方法和装置的国家标准和工业标准，如美国的a s t m 、日本的j i s 、联邦德国 的d i n 、英国的b s 等，并提供了标准样品或参考试样。此外，还有国际标准i s o 等。由于热物性数据的重要性和测试的复杂性，为避免重复测试工作，美国普 渡大学( p u r d u e u n i v ) 热物理研究中心( c 1 n d a s ) ，由美国国防部和n b s 资助建立 了庞大的数据库，从世界各地收集各种材料的热物性数据，进行分析、综合和 评价，出版了关于热变形、热传导系数、热扩散率等熟物性参数的权威专著13 本，在此基础上建立了在世界上享有盛誉的工程材料性能综合数据库【1 1 。该数 据库中材料热物性数值是按各国标准测量获得，如对材料热膨胀系数的测量是 按各国制定的一定尺寸的棒体，按各试验装置的特性测量其棒体两端部的试验 值获得，该法中零件形体对热膨胀系数的影响因素未被考虑，并且测量设备的 持续变温过程产生的热应力影响将不可避免。 精密工程中，关于热变形的研究与应用非常广泛，美国的n i s t 公司在纳米 测量机的研制中对减小温度的影响作了大量的工作，采用了多层控温系统来保 持恒温以减小仪器的热变形误差；日本在超精密加工中对温度影响的研究取得 了丰硕的成果，使得其在中小型超精密加工中始终位丁世界先进行列，在经济 中创造了极大的价值 j ：另外，德国物理技术研究所( p t b l 、英国国家实验室 ( n p l ) 、俄罗斯科学院的高温研究所以及中国台湾成功火学等研究人员都在热 变形领域进行了理论和应用研究，并取得了有价值的成果 1 2 - 3 4 1 。 热变形理论研究涉及到物理学和工程学的基础理论，主要集中在对热传导 和热应力等理论方面的研究 35 。4 1 ，包括传热、换热、沸腾、冷却、保温、热 弹性力学和热非弹性力学等内容。热变形理论是将其各理论的综合应用。 对切削加工中的热变形问题，其温度场是非均匀非稳定的，热变形规律复 杂，国内外的研究成果较少，大阪大学的t a k e u t i y 教授在7 0 年代就对车削加工 中的工件热应力做了深入的研究 4 2 。4 4 ：1 9 7 9 19 8 8 年由德国政府研究技术部资 助，d a r m s t a d t i _ 业大学对高速铣削加上过程进行了理论和应用研究【4 3 ，”“”2 i ， 获得了卓有成效的研究成果；同济大学的孔庆华等对车削、磨削等机加工做了 一些试验研究和总结，对其理论研究尚存在欠缺。 国内热变形理论的研究和应用始于五十年代中期，八十年代开始有了较 大发展。先后有十几个科研院所和高校从事不同方向的热变形研究。目前保 持该领域研究的主要有：浙江大学的科研人员一直在从事机床热变形的研 究，对于机床的温度场分布和机床在不同温度场下的变形提出了分析方法， 进而提出温度场确定中的熟敏感点理论和热敏感点识别技术pj 【”l ；同济大学 的科研队伍主要从事切削加工中切削热对工件加工精度影响的研究，对于分 析切削加工中的热变形有指导意义；合肥工业大学以费业泰教授为学科带头 人的科研队伍在国家自然科学基金项目“机械配合热变形误差的基础理论与应 用技术研究”( 项目编号：5 0 0 7 5 0 2 3 ) 、“机械与仪器常用零件受温变形理论与 4第一章绪论 建模研究” ( 项目编号：5 9 4 7 5 0 7 8 ) 、“误差修正技术中零件材料膨胀系数实 验研究”( 项目编号：5 9 1 7 5 2 3 0 ) ：、“精密仪器及测试技术中受温变形理论及 应用研究”( 项目编号：5 8 8 0 2 0 0 ) 、教育部博士点基金项目“机械零件最佳 热配合参数研究”( 项目编号；9 5 3 5 9 0 1 ) 和机械工业部技术发展基金项目“精 密机械零件热变形若干基础理论及应用研究”( 项目编号：1 1 0 1 1 1 ) 等多项国家 自然科学基金、博士点基金等资助下一直从事精密仪器的热误差、材料热膨 胀系数、机械零部件热变形理论及应用方面的研究，对零件形体尺寸在热变 形中的一般性影响规律进行了深入研究、对热变形的计算方法及误差分析、 获得材料精确热膨胀系数等方面得出了重要的结果 3 4 - 3 6 】【38 + 4 0 】1 4 “6 ”。 1 2 2 工程中减小热变形措施的应用 目前在国内外机械制造及仪器行业中，为了消除或减小热变形的影响，常 采用以下几种措施： 1 低膨胀系数材料的选用。选用低膨胀系数或零膨胀系数的材料来制造重要的 零部件，以减小温度变化所引起的零件热变形程度，保证设备或仪器的精度的 方法被广泛采用。现今世界上许多精密测量机和超精密机床都使用花岗岩、铟 钢、陶瓷、铟钢铸铁、低膨胀系数的铸铁等做机床的关键部件。美国的l l l 实 验室的l o d t m 大型超精密机床许多关键零件，如激光测量系统的基准测量架 等用铟钢制造【4 i ；m o o r e 公司坐标镗床的立柱也采用铟钢 i , 6 1 ：德国z e i s s 公司 所研制的新型三坐标测量机上的光栅采用一种玻璃陶瓷( z e r o d u r ) 制作， 该材料的热膨胀系数为钢材膨胀系数的二百七十分之一i 】”。 2 对环境温度变化范围的控制。在精 密测量、加工中常采用恒温措施，将 机床或仪器保持在恒温环境中( 包括 机体内和机体外) 。日本早在1 9 8 3 年 成立了“纳米技术调查委员会”，于 1 9 8 5 年7 月发表超精密加工技术研究 项目报告书中就将“超精密温度控制 系统”作为重要的研究项目之一；美 国l l l 实验室对机床热变形进行了大 图1 , 2 美国n i s t 分子测量机 量基础性研究，在其试验条件下证明， 在机床油温温度变化o 0 0 6 时，机床相对位移量热变形误差达0 0 1 9 朋，故 将安装l o d t m 大型超精密机床的实验室空气温度控制在o 0 0 5 的变化范围 内。对于局部的温度场又采用局部控制法，如使用大量的恒温液体浇淋，形成 局部小环境的恒温区，美国l l l 实验室就对l o d t m 大型超精密机床采用了此 法，将浇淋用的恒温水的温度变化控制在2 0 c 0 0 0 0 5 内1 4 1 ，以保证良好的 局部恒温区。美国n i s t 的分子测量机采用多层保温系统来控制测量机内部的 温度，如图1 2 示，核心部分位于多层控制测量环境的壳体中。壳体依次为温 台肥工业大学博士学位论史 5 度控制层、真空控制层、主动隔振层、高真空腔和隔音腔，以减小环境对分子 测量精度的影响。 3 机构合理化设计。结构合理使用，可在同样的温度条件下使仪器设备的热变 形最小。美国的n i s t 的分子测量机采用多层形若包心菜式仿生型非封闭的壳 形防护罩来减小热应力引起的熟变形对设备精度的影响。由温度变化引起的熟 应力可由不受约束的多层壳体变形给以消除或减弱。 4 建立实际零件热变形模型，对零件热变形误差进行软件补偿和修正。此方法 对零件材料及环境要求较低，且可获得较高丁作精度，是经济实用的极具发展 潜力的方法，但要求准确获知设备或零部件的热变形规律、建立数学模型。合 肥工大在此方向上进行了深入的研究，成果较为突出。 i 2 3影响零件热变形主要因素分析 在精密测试技术、精密加工及机械设计中 形的计算常采用如下的传统公式1 4 1j ： 址= 口0 2 0 。c ) 式中， 一被测对象的尺寸( t a r a ) ； 温度变化引起机械零部件热变 材料的平均热膨胀系数( 1 ) ： r 平均温度( 。c ) ； 4 一热变形量( m m ) 。 该传统公式在机械精度要求低时可使用，高精度时该公式的计算结果和实 际变形量相差很大。热膨胀对机械零件热变形的影响大小的确定及其修正至今 并没有人作系统、深入的研究。因此，有必要对机械零件受热变形作进一步的 研究。传统零件热变形计算误差影响因素主要有： 1 温度不均匀性的影响 零件热变形通常是用式( 1 一1 ) 进行简单的计算，即假设零件是在内外温 度相同的条件下的理想状态。实际【：程应用中，零件常处于内外温差存在的状 况，这使得零件内部产生热应力，热应力对零件热变形的影响在精密工程中是 不容忽视的， 2 材料属性的影响 材料属性在此主要指材料成份的不同。材料成份的变化直接影响的材料热 膨胀系数值的变化，进而引起零件热变形的数值计算精度。 3 零件形体因素的影响 零件形状尺寸对零件热变形的影响，在过去应用精度有限的状况下没有被 重视t 但其对热变形的影响已被国内外众多实验所证明。现今科技的高速发展， 零件形体因素的影响也到了不得不面对的状况，对其理论研究将是一个长期的 而叉具有重要意义的研究领域。零件形体对热变形影响规律研究目前国际上 相关科研成果报道较少仅少数研究机构进行初步探索。 6第一章绪论 在材料热膨胀系数测定方面，零件形体因素的影响同样存在，这使得材料 热膨胀系致的铡定值存在着必然的误差本校通过研究发现，球体是在空问上 完全对称的特殊几何形体，形体影响各向均匀，故建议选择球体作为测量材料 热膨胀系数试件。将减少形体因素对材料热变形的影响。实验也证明了球体直 径变化时，测定的材料热膨胀系数基本相同。 4 残余应力的影响 经过加工的零件其内部必然存在残余应力。根据我们的理论研究和实验结 果知i ” 1 6 ”，残余应力的存在，不仅对材料热膨胀系数的测定产生影响，而且对 零件受温变形结果也会有较大的影响。 1 3 本论文的主要研究内容 1 3 1课题来源 本论文的研究主要来源于国家自然科学基金项目“机械配合热变形误差的 基础理论与应用技术研究”( 项目编号：5 0 0 7 5 0 2 3 ) ，同时参考台湾科学技术委员 会项目“精密机械常用零件受热膨胀特性及最佳热配合设计基础研究”( 项目编号：n s c 8 9 2 2 1 2 一e 一0 0 6 1 9 6 ) ，对机械零部件熟变形在均匀温度场中受形体因素的影响从 理论和实验上进行系统深入的研究，进而对材料精确热膨胀系数的获得进行分 析。 1 3 2 研究内容 i 零件典型形体尺寸对零件热变形的影响 在本课题组多年的热变形研究成果基础上。得出了零件热变形受形体影响 的关键在于形体的边界处。零件热变形时材料是同时向空间伸展，由于边界处 的单个材料分子同周围相互作用的分子数少于材料内部分子相互作用的数。当 温度变化后，材料各部分向空间伸展时边界上各分子受到零件边界两边材料 变形的影响，被迫使向两边同时伸展。发生复杂的变形，宏观上就表现为温升 时边界处的膨胀量小于内部材料的膨胀量。以方体为例，宏观上就表现为边缘 处的膨胀量小于方体表面的膨胀量，方体的各面变形成鼓形，该现象这已为多 年实验所证明。本课题中对方体、孔件、球体的形体对热变形的影响进行分析 和研究，探索典型形体对零件热变形的影响规律。发展常用的差分算法，将仅 能进行数值计算的差分法发展成可得出形体热变形一股规律的解析法，对进一 步研究复杂形体的热变形规律作好铺垫。 2 材料精确热膨胀系数的确定 对以圆柱体为标准样件所定义的现行材料膨胀系数进行理论研究。运用上 述理论对以圆拄体零件进行了分析和计算，研究了形体对材料热膨胀系数精度 的影响为建立】程常用材料科学的精确热膨胀系数提供理论依据。本课题对 台肥工业大学博l j 学位论文 7 传统材料膨胀系数实用精确度给以了定量评述并论述了其适j _ | j 范围。并对常用 材料热膨胀系数进行了重新测量和标定。对本校选用的机械工程中常用金属和 非金属的2 5 种材料和台湾成功入学提供豹j 6 种( 共6 4 件) 材料的膨胀系数 进行测定，作为精确热膨胀系数计算的重要的分析研究资料，并为今后制定海 峡两岸机械工程中常用金属和非金属统的热膨胀系数标准打下基础。 3 高精度三维热变形实验装置的研制 设计并完成国内唯一的高精度三维熟变形实验装置一一均匀温度场高精 度实验装置的研制，恒温箱为微机控制，容积为8 2 0 x5 2 8 x8 5 0 r a m3 。箱内装有 三维微