【摘 要】
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机床作为机械产品的工作母机,其主轴是核心零部件之一,合理地设计主轴公差规范以确保机床的加工精度,具有重要的工程价值。目前对主轴的研究大多将其视为刚体,或只考虑其受热变形或负载变形,没有考虑二者的综合作用,导致主轴的装配偏差模型及公差规范设计结果与工程实际不符,最终影响主轴的功能要求。本文基于机床主轴的热力耦合变形,研究其公差规范设计方法。该方法首先应用有限元分析软件ANSYS计算主轴在热力耦合影响
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“基于本体的公差指标自动生成方法研究（NO.51765012）”； 广西壮族自治区研究生教育创新计划资助项目“基于本体的装配尺寸链自动生成（NO.YCSW2020163）”；
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机床作为机械产品的工作母机,其主轴是核心零部件之一,合理地设计主轴公差规范以确保机床的加工精度,具有重要的工程价值。目前对主轴的研究大多将其视为刚体,或只考虑其受热变形或负载变形,没有考虑二者的综合作用,导致主轴的装配偏差模型及公差规范设计结果与工程实际不符,最终影响主轴的功能要求。本文基于机床主轴的热力耦合变形,研究其公差规范设计方法。该方法首先应用有限元分析软件ANSYS计算主轴在热力耦合影响下的变形量,再根据雅克比旋量理论,建立基于热力耦合变形的主轴装配偏差模型,以量化热力耦合变形对主轴功能要求的影响,在此基础上,以新一代GPS规范理论体系为指导,研究主轴的形位公差规范设计,主要工作与研究成果如下:（1）建立了机床主轴热力耦合变形的分析方法。分析热源,建立主轴热变形的ANSYS分析模型,分析主轴的切削力模型及受力变形的基本方式,求解热力耦合有限元模型;分析了几何误差测量及公差规范理论的蒙特卡洛法及新一代GPS理论体系;结合SDT理论,构建零件特征变形的自由度表示模型,给出零件单一特征及复合特征的变动表示模型。（2）构建了基于热力耦合变形的机床主轴装配偏差模型。根据主轴的实际工况,运用SDT理论表达特征变动,建立主轴原始几何误差的雅克比旋量装配偏差模型;结合特征变动的数学表示模型,修正雅克比旋量装配偏差模型,利用有限元计算热力耦合影响下的变形量,将变形量引入修正模型中,获得基于热力耦合变形的机床主轴装配偏差模型。（3）建立了热力耦合变形下机床主轴的公差设计规范。建立机床主轴圆柱要素变动的SDT模型,采用蒙特卡罗法解算了特征要素在对应公差域内变动的极限位置;以圆柱度公差带为限定区间,在区间内随机生成圆柱特征的模拟点,将得到的模拟点拟合为圆柱面,从而得到机床主轴的规范表面模型,再根据规范表面模型生成主轴的三维实体模型;最后,采用ANSYS计算主轴在热力耦合影响下的变形量,以新一代GPS理论基础为指导,将得到的主轴公差规范设计值与初始值对比分析,确定了热力耦合变形下的机床主轴形位公差规范。（4）开发了机床主轴在热力耦合变形下的形位公差规范系统。利用Matlab中的“App Designer”开发了系统的各个模块功能结构,以工程实例详细说明了使用步骤,验证了系统的有效性,为提高公差规范设计的智能化水平提供参考。
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