超精密加工空气电主轴多自由度振动动力学建模与在线测量研究

In ultra-precision machining, air-spindle vibration is a key factor influencing nanometric surface quality. However, the investigation into spindle' vibration dynamics with vibration errors and its effects on surface generation in ultra-precision machining has been overlooked. In our previous research, multi-DOF physical characteristics of spindle vibration influence surface generation, so this study proposes a physical model for multi-DOF spindle vibration. The methods of multi-DOF dynamic modeling and on-line measurement are employed to theoretically and experimentally investigate spindle vibration in ultra-precision machining. It is significant to explore physical laws of multi-DOF spindle vibration. The aims are to discuss spindle' vibration dynamics with vibration errors and its effects on surface generation and to improve surface quality in ultra-precision machining.

在超精密加工中，空气电主轴振动对纳米级表面加工质量起关键作用。但是，对超精密加工电主轴振动特性与振动误差及其对表面生成影响的研究还不清楚。我们前期研究发现在加工过程中电主轴振动对表面生成有着固有的多自由度特征，据此提出加工过程中电主轴多自由度振动理论模型。我们拟采用多自由度动力学建模与在线测量方法，对电主轴振动进行理论与实验研究，探索电主轴的多自由振动特性与振动误差及其对表面生成影响的问题，对揭示加工过程中电主轴振动规律有着重要的意义，为进一步提高超精密加工纳米级表面质量奠定基础。

超精密加工技术(Ultra-precision Machining Technology)，已得到广泛地应用于现代制造业。该技术是一种能为球面、非球面、微纳结构及自由曲面提供亚微米形状精度及纳米表面粗糙度的高效、低成本、确定性的高精密机械加工方法。然而，空气电主轴振动是超精密加工过程中影响该亚微米形状精度与纳米粗糙度加工表面质量的主导因素，为此需要针对超精密加工中的电主轴振动特性与表面生成机制展开研究。本项目在理论与实验研究了超精密切削机理的基础上，深入研究电主轴的动态特性，发现了电主轴的固有频率包括一轴向频率、两径向相同的频率、互耦合的摆动频率并且被主轴转动频率（转速）影响、转动频率，且该振动为动态误差，并伴随着同步及非同步静态误差；深入超精密研究表面生成机制，发现电主轴振动将产生有规律的周期性的条纹进而影响加工表面粗糙度及形状误差，并发现材料因数将对纳米级粗糙度表面将产生重要的影响，如二次孪生相变、几百纳米表面硬化；深入研究了纳米级表面粗糙度形成机理，提出了适合于超精密加工纳米表面粗糙度评定的一种新方法，为国内外相关行业针对超精密加工纳米表面粗糙度提供更有效、可靠的评定策略，也为增加新的ISO标准提供理论与实验研究基础。项目资助在“International Journal of Machine Tools and Manufacture”、“Precision Engineering”等SCI期刊上发表论文9篇；参加国际会议4次。