热变形是普遍存在的热效应现象,对于零件形体几何尺寸,温度变化将引起形体各个尺寸的相应变化,传统的热变形理论及其计算公式对于低精度或一般精度的零件可近似地适用,而对于高精度或现代微纳米精度是不适用的。本文在综合国内外研究成果和导师费业泰教授多年热变形研究成果的基础上,在国家自然科学基金等项目的支持下,系统地研究了稳态均匀温度场及稳态非均匀温度场中最佳热配合设计原理,首次建立了稳态均匀温度场中多种孔型零件、轴类零件的热变形数学模型,在此基础上对孔型零件和轴类零件在不同温度场、不同受力情况下的热变形做了系统的理论分析和实验验证;研究了在不同情况下温度变化对孔、轴配合的影响规律,提出最佳热配合设计理论来解决温度变化对配合精度的影响,取得了一些具有实用价值的成果。本文的主要研究内容包括: 在全面分析材料线膨胀系数和体积膨胀系数关系的基础上,零件热变形时任一形体尺寸的热变形量不遵循传统线性公式规律,它与形体其他尺寸密切相关,即可表示为其他尺寸的非线性函数。运用该理论首次建立了孔型零件和轴类零件在稳态均匀温度场中热变形量与所有几何尺寸的函数关系,并用实验加以验证。 选用典型的孔型零件和轴类零件作为研究对象,在综合国内外现有热变形研究成果的基础上,系统全面地研究了多种孔型零件和轴类零件在稳态非均匀温度场中,受外力与不受外力情况时的热变形规律,建立了数学模型,完善了零件热变形理论,为今后更加深入的研究机械零件、机械系统热变形奠定了更全面的基础。 圆柱体结合的公差与配合是机械工程方面重要的基础标准,现行的公差与配合是以标准温度20℃为基础,据此设计的机械精度,只有当机械设备工作温度恰为20℃时才能得到保证。由于相配合的孔、轴具有不同的热变形规律,受材料、结构、温度场和边界约束条件等诸多因素影响,温度变化相同时,相同尺寸的孔型零件和轴类零件变形量不同,因而导致温度变化时孔、轴配合精度的变化。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,提出最佳热配合设计原理,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,并在常用尺寸段、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。 根据孔型零件的热变形计算理论,对三峡工程水轮机转子止口这种特殊结构的外尺寸的加工尺寸进行热误差的计算和实验,通过理论分析和实验结果的比较,两者基本相符,这就为在不同温度条件下加工转子止口时控制、补偿实际加工量提供理论依据,并对加工后在实际使用中的最佳尺寸控制具有使用意义,且以该理论为模型,当知道环境温度时,可知道凸止口外径的具体尺寸,为控制其热变形提供了一个重要的理论依据。 本文在利用原有研究成果的基础上,设计了稳态均匀温度场中孔型零件、轴类