基于一种新原理的公差与配合热误差补偿方法理论及应用研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51005220
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
20.0万
负责人：
罗哉
依托单位：
中国计量大学
学科分类：
E0511.机械测试理论与技术
结题年份：
2013
批准年份：
2010
项目状态：
已结题
起止时间：
2011-01-01 至2013-12-31

项目参与者：
朱若谷；凌忠钱；郭斌；曲颖；王冠；潘晓旺；
关键词：
公差与配合热补偿方法滚动轴承滑动轴承

项目摘要

现行公差与配合以标准温度为基础，认为孔和轴有相同的热变形规律，设计时具有的配合精度在温度改变后不会发生改变。但工程问题和前期研究都表明，孔和轴的热变形与所有几何尺寸都相关，具有非线性的函数关系，孔和轴具有不同的热变形公式，在标准温度下设计的机械配合精度，在非标准温度下会改变。本项目以固体物理学晶格振动理论为基础，推导实心轴、空心轴、薄壁圆筒和外沿为无限孔（机床座孔）的热变形模型，模型考虑了零件的所有几何尺寸。选择高档数控机床中的滚动轴承和滑动轴承为对象，对形状和条件进行简化，利用模型，研究处于稳定温度场下轴承的热变形规律，并依据工作温度，提出轴承各部分公差配合设计的热补偿方法，使轴承在工作时达到最佳状态。同时，搭建高精度测量系统，验证理论的正确性。本项目以高档数控机床中出现的难点问题为研究对象，将成熟理论用于全新领域，具有重要的理论研究价值，在实践上具有广泛的应用价值和实际经济意义。

结项摘要

在项目执行期内，主要完成了以下工作：.1、以固体物理学晶格振动理论为基础，推导了晶体线膨胀系数和体积膨胀系数的关系式，同时，将金属材料近似为晶体材料，利用线膨胀系数和体积膨胀系数的函数关系，结合热力学理论，推导了实心轴、空心轴、薄壁圆筒和外沿为无限孔的热变形模型，该模型重点分析了温度变化时由于弹性模量的变化带来的影响，也考虑零件其他几何尺寸带来的影响。在高精度温度控制箱内，对直径分别为30mm、50mm、80mm；高度分别为30mm、50mm、80mm；材料分别为45#钢、铝合金、黄铜的轴零件和高度为50mm，内径为30mm，外径分别为50mm和80mm，材料分别为45钢、铝合金、黄铜的孔零件在不同温度情况下的轴直径和孔内径热变形进行测量，结果证实了本项目推导的模型较传统热变形模型与实验结果更接近。.2、理论分析了温度变化对滚动轴承和滑动轴承的影响。将滚动轴承外圈和内圈简化为薄壁孔，忽略保持架的影响，根据滚动轴承的工作温度和负荷状态，耦合预紧力和热变形的影响，将热变形这一个对主轴系统预紧不利的因素转化为有利的因素，进而保证主轴系统在工作中处于最佳的预紧状态；忽略润滑机构对滑动轴承热变形的影响，只考虑机座、轴套和轴的热变形对滑动轴承的影响，研究结果发现轴套内外壁的温度差异会产生相应的热应力，当温度差异较大时，由于材料弹性模量随温度变化而变化，因此由弹性模量改变引起的热变形会对零件热变形产生影响，同时还发现，控制轴套外径的预紧力可有效减小温度升高带来的影响，对孔型零件预加载情况下的实验结果也证实了理论分析的有效性。.3、现行的公差与配合是以标准温度20C为基础，据此设计的机械精度，只有当设备工作温度为20C时才能得到保证。选用典型配合结构深入研究了温度变化对间隙配合以及过盈配合的影响，从理论与实践上减小了温度变化对配合精度及配合性质的影响，使高精度系统在普通环境中使用成为可能，在常用尺寸段、典型配合结构的基础上，根据现有国家标准,选择基孔制对轴基本偏差进行热补偿,给出热补偿公差值。