机械零件热膨胀规律影响研究

摘要

随着时代的不断进步，已有工业领域中机械装备精度和测量技术得到很大提升，现代精密工程的精度等级已经进入了微纳时代，热变形对于机械装备精度的影响已然不容忽视，因此对热膨胀机理的研究、热误差的减小和补偿技术越来越受到国内外工业领域学者的重视。研究金属热膨胀规律的影响因素对于分析机械装备的热变形机理具有重要意义，无论是对在理论基础研究，还是对实际应用技术的提高都具有深远的参考价值。本文在国家自然科学基金项目“机械复杂形体热鲁棒性基础理论研究”(项目编号:51175142)和国家自然科学基金重大项目“功能形面结构与性能的耦合建模与影响机理研究”（项目编号:51490660/51490661）的支持下，进行了多重实验探究，将常用金属零件中具有基本几何形体的圆棒、轴、孔型金属试验件作为研究对象，针对其热膨胀规律进行了系统性的深入探究。
　　本文主要内容包括:
　　选取不同材质不同形状参数的金属棒作为试验对象，通过观察其轴向的热膨胀量变化规律，分析其存在的影响因素。各国现有施行的热膨胀评定标准中，材料热膨胀系数的测量均使用规定尺寸的棒体，根据试验装置的不同类型，运用不同的测量方式测出其两端热膨胀值以获得数据，但是测试零件形体参数对热膨胀系数的影响这一问题并未考虑其中。所以本文选用了多种形状参数的试验件通过实验分析形状参数对其热膨胀系数的影响。并建立不同温度变化方式的温度场，探知温度场变化对测试件热膨胀系数的影响。为后续热变形理论的研究提供一定的实验分析参考。
　　在基于本实验团队已有实验研究成果和经验基础之上，对工程中常用的轴类和孔类零件研究其径向热膨胀随形体尺寸变化的规律。所设计的专用实验测量夹具可满足不同尺寸零件的热膨胀量测量，大幅缩短了因不同尺寸零件而需重新加工设计夹具的时间，提高了实验效率。
　　根据机械最佳热配合理论和热鲁棒性结构设计方法，介绍了一种基于装配体热膨胀影响下的功能型尺寸链设计理论——孔轴热鲁棒性结构设计方式。解决了装备在工况下，由于热膨胀影响使得机械零件发生变化，导致工况下装配体封闭环实际尺寸偏离设计尺寸的问题，实现装备的性能保障，是对现有结构尺寸设计理论的一个扩展。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景与研究意义

1．2 国内外研究现状调研

1．3 控制机械热变形误差的技术

1．3 本文的研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 主要研究内容

第二章 机械零件形体热膨胀基础理论

2．1 热膨胀相关基础理论

2．1．1 热膨胀的物理本质

2．1．2 热膨胀系数

2．1．3 材料热膨胀性能的影响因素

2．1．4 材料热膨胀系数与其材料性能的关系

2．2 热传导基本理论

2．2．1 温度场

2．2．2 等温线(面)与温度梯度

2．2．3 傅里叶导热定律

2．2．4 导热微分方程

2．2．5 单值性条件

2．3 机械热变形非相似理论

2．4 本章小结

第三章 热膨胀实验介绍

3．1 高精度热膨胀实验装置介绍

3．1．1 膨胀仪的结构组成介绍

3．1．2 热膨胀仪测量原理

3．1．3 热膨胀试验步骤

3．2 机械孔、轴零件热变形测量系统

3．3 本章小结

第四章 基本形体金属热膨胀规律研究

4．1 热膨胀实验介绍

4．1．1 实验件介绍

4．1．2 材料热膨胀系数定义

4．1．3 热膨胀补偿实验

4．2 零件热膨胀系数影响因素分析实验

4．2．1 棒体试验件长度对热膨胀系数的影响探究

4．2．1 棒体试验件形状参数与热膨胀系数的建模分析

4．2．3 棒体试验件温度场变化对热膨胀的影响探究

4．3 本章小结

第五章 轴类零件热膨胀规律研究

5．1 轴类零件基本概述

5．2 均匀稳态温度场中轴类零件热变形概述

5．3 轴类零件热膨胀实验探究

5．4 本章小结

第六章 孔类零件热膨胀规律研究

6．1 孔类零件热膨胀规律探究

6．2 均匀稳态温度场中孔类零件热变形概述

6．3 均匀稳态温度场轴类零件热膨胀实验探究

6．4 本章小结

第七章 孔轴热鲁棒性结构设计

7．1 热鲁棒性设计基本概要

7．2 孔轴热鲁棒性设计

7．3 本章小结

第八章 总结和展望

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况