液体静压导轨油膜结合面误差与机床几何误差相关性研究

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随着我国大科学工程及国防领域武器系统研发的推进,金刚石车削在精密物理实验样品、光学零件等高性能零件加工中被广泛应用。液体静压导轨因其高精度和高刚度成为了超精密车床的主要核心部件。光学类零件结构逐渐复杂化和小型化,使得液体静压导轨受载工况更为复杂,对导轨关键结构参数设计,承载特性和几何精度等方面提出了更高要求。然而,液体静压导轨零件面形误差对其几何精度起劣化作用,最终表现为机床几何误差的变化。因此,从液体静压导轨静态特性参数优化出发,分析油膜结合面误差对导轨几何精度的影响机制,并以导轨几何误差为中间变量,探究导轨零件面形误差与机床几何误差的相关性机理。主要研究内容与结论如下:(1)基于流固耦合的液体静压导轨静态特性分析。基于液体静压支承理论研究了导轨性能参数与流场结构参数之间的关系,并借助CFD仿真软件对流体域进行流动特性和流场结构参数相关性分析,确定了流场结构最优化参数组合。基于流体域仿真结果构建了导轨系统流固耦合分析模型,导轨静态特性表明:引起结构弹性变形的主要因素是油压作用和螺栓预紧,且不同行程处导轨压板弹性变形不同。油膜结合面变形误差将引起油膜间隙的变化,导轨系统刚度和几何精度随之变化。(2)液体静压导轨油膜结合面误差对其几何误差的影响研究。基于流固耦合模型,讨论了油压等因素作用下的导轨结构弹性变形规律,提出表征制造、装配和油压作用下结合面的误差数学模型。构建了考虑油膜均化作用的变形误差传递模型,研究了导轨油膜结合面误差对导轨几何误差的作用机制。周期性制造误差、导轨和滑块变形误差均对导轨几何精度起劣化作用,在油膜均化作用下,结合面误差对导轨几何误差影响均呈现减小趋势,且随导轨误差的减小趋于平稳。结合面误差幅值是影响导轨线性误差的主要因素,角度误差对误差函数的波长与相位差敏感。(3)油膜结合面误差与超精密机床几何误差的相关性分析。基于多体系统理论建立金刚石车床的几何误差分析模型。机床误差灵敏度系数分析表明:液体静压导轨的定位误差和直线度误差是引起机床几何误差的关键因素,对导轨的角度误差敏感度较低。以圆柱体端面加工为例,将与导轨进给位置相关的直线度误差与俯仰角误差代入机床几何误差模型中,得到了油膜结合面不同误差幅值下端面面形误差变化规律。阐明了超精密金刚石车床几何误差与油膜结合面误差的相关性。
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