答辩博士：郑德星

指导老师：陈蔚芳教授

论文题目：高速机床主轴精度损失的热力影响机理研究

答辩委员会：

主席：汤文成      教授       东南大学

委员：李东波  教授   南京理工大学

楼佩煌  教授   南京航空航天大学

唐敦兵  教授   南京航空航天大学

游有鹏  教授   南京航空航天大学

陈  柏  教授   南京航空航天大学

陈蔚芳    教授   南京航空航天大学

秘书：梁睿君  副教授  南京航空航天大学

答辩日期：2018年10月19日上午09:00

答辩地点：南航明故宫校区17-519

学位论文简介：

高速主轴是数控机床实现高速加工的关键功能部件，其工作性能直接影响加工系统的精度、稳定性及应用范围。高速轴承技术是高速主轴的核心技术，热力特性是影响主轴精度保持性的重要因素，精度保持性是评价高速机床主轴工作精度和可靠性的重要内容。本文研究高速机床主轴系统热力影响机理，掌握精度损失规律，寻求精度损失的评价方法。

主要研究工作：

（1）力与变形是进行机床主轴角接触球轴承热力特性和主轴精度损失分析的基础。基于Hertz弹性接触理论研究了角接触球轴承的拟静力学特性，分析了主轴转速、轴向力、径向力、轴承滚珠离心力对轴承滚珠与轴承内、外圈沟道接触角的影响，研究了轴承滚动体的运动和受力状况以及滚珠、内外圈、转轴等的热膨胀对轴承位移的影响，构建了基于热效应的轴承热位移模型，考虑轴承热膨胀效应、内圈离心效应、陀螺力矩等对轴承滚子接触载荷的影响构建了轴承的力-变形关系，建立了轴承的动态力平衡方程。

（2）针对振动对机床主轴热生成的影响问题，研究了振动过程中能量的转换，构建了高速轴承-转子系统二自由度受迫振动模型，建立了受迫振动下滚珠与内外圈滚道之间的接触载荷的动态模型，推导了振动引起的附加载荷的数学模型，考虑陀螺力、向心力、滚珠与轴承内外圈之间的接触刚度和阻尼等建立了振动状态下的瞬时力平衡模型，推导了动态载荷下的滚珠的自旋功率损失。基于Palgrem轴承摩擦生热试验模型，考虑振动导致的热生成，构建了考虑振动效应的高速角接触球轴承的混合热生成计算模型。

（3）针对结构约束对轴承气/液流场以及散/换热特性的影响，研究了轴承自身和外围的结构约束对轴承型腔尺度的影响，分析了冷却/润滑系统油气口配置及保持架尺度变化对轴承型腔压力和油气流速的影响，构建了保持架的对流换热模型，基于广义欧姆定律，建立了改进的角接触球轴承多节点热阻网络模型。针对装配约束对主轴温度场的影响，研究了零部件间径向和轴向装配关系对轴承热传递的影响，建立了主轴冷却流道热等效对流阻计算模型以及冷却流道等效截面尺寸计算模型，构建了基于结构-流场耦合的高速机床主轴热阻网络温度模型。

（4）针对基于Archard黏着磨损的主轴精度损失评价周期长、不宜于实时调控问题，本文研究了工况变化下主轴精度损失的热力影响机理，以主轴工作端回转精度损失为对象，建立了高速机床主轴径向、轴向和倾角方向的精度损失评价模型。针对缺少主轴精度损失的有效评价问题，考虑主轴结构约束及装配约束、主轴预紧、气/液流场等对主轴温度场以及精度损失的影响，构建了基于热-力-结构-流场耦合的高速机床主轴精度损失评价方法。

（5）构建了主轴热特性试验验证方案，进行了振动对热生成的试验研究，验证了所提出的振动生热模型；进行了转速、油气流量对主轴及轴承温升变化的试验研究，验证了所提出的轴承多节点热网络模型和主轴热阻网络温度评价模型；测试了工况变化下主轴精度衰退情况，验证了所提出的主轴精度损失评价模型和基于热力-结构-流场耦合的精度损失评价方法。

主要创新点：

（1）     基于热效应的轴承热位移模型以及力-变形关系

构建了基于热效应的轴承热位移模型，基于外圈沟道控制假设，考虑轴承运动、受力以及热膨胀效应，构建了轴承考虑热新的效应力-变形关系。

（2）     考虑振动效应的高速角接触球轴承的混合热生成计算模型

构建了高速轴承-转子系统二自由度受迫振动模型，推导了振动引起的附加载荷的数学模型。基于Palgrem轴承摩擦生热试验模型，构建了考虑振动效应的高速角接触球轴承的混合热生成计算模型。

（3）     考虑结构/装配约束的高速主轴温度评价

构建了保持架的对流换热模型，基于广义欧姆定律，建立了改进的角接触球轴承多节点热阻网络模型。建立了冷却流道等效截面尺寸计算模型以及冷却流道热等效对流阻计算模型，构建了基于结构-流场耦合的高速机械主轴热阻网络温度模型。

（4）基于热力-结构-流场耦合的高速主轴精度损失评价