多载耦合机床边界润滑结合面微观接触机理及其接触特性研究

Joint interfaces are the key weaknesses of high-precision CNC machine tools impacting static and dynamic characteristics and high precision machining, it is difficult to obtain contact characteristic parameters accurately for its complexity of the loads, actual state of the contact interface changing gradually and nonlinear process of contact. Using the solid contact mechanics and EHL theory, the microscopic contact mechanism of boundary lubrication joint interfaces at multiple loads and its contact mechanism are researched. The three-dimensional morphology and texture distribution of high-precision joint interface are studied, the joint surface morphology reconstruction model is constructed, the three-dimensional elastoplastic model of more coupled loads joint and semi-analytical algorithm are established; the influence laws of contacting process parameters such as the microscopic slippage, hysteresis deformation, the contact stress and strain, the actual contact area et al with the affecting factors are obtained, the stiffness and damping characteristics affecting mechanism of joint surface morphology and lubricating medium are found, the stiffness and damping models of unit area joint interface are built, the acquiring method of contact characteristic parameter of joint interface under boundary lubrication and more coupled loads conditions is obtained. The research results will have important theoretical value on tribology and mechanical system dynamics, and will have broad application prospects in the field of high-precision CNC machine tools as well as machinery equipments.

结合面是影响高精密数控机床动静特性及加工精度的关键薄弱环节，其受力状态的复杂性、接触界面的渐变性、接触过程的非线性使得结合面接触特性参数难以准确获取。本项目采用接触力学和弹流润滑理论，研究多载荷耦合边界润滑结合面微观接触机理及其接触特性。探明机床结合面三维纹理形貌特征及分布规律，构建结合面微观形貌重构模型，建立干摩擦和边界润滑条件下多载荷耦合的结合面三维弹塑性接触模型及其半解析求解算法，获取微观滑移量、迟滞变形、接触应力应变、实际接触面积等接触过程参数随加载过程的演变规律，揭示结合面表面纹理形貌和润滑介质对结合面刚度和阻尼特性的影响机制，获得结合面刚度和阻尼等接触特性参数随影响因素的变化规律，建立单位面积结合面刚度和阻尼模型，形成机床边界润滑结合面多载耦合条件下接触特性参数获取方法。研究成果对摩擦学、机械系统动力学具有重要的理论价值，在高精密数控机床乃至机械装备领域具有广阔的应用前景。

机床等机械设备中各零部件之间存在大量结合面，机械设备整机刚度60%以上来源于结合面，且整机阻尼90%以上来源于结合面，具体影响程度取决于结合面的数量、性质和接触状态。由此可见，研究机械结合面的静态、动态接触特性对机械装备特别是高端装备的性能有非常重要。.从微观接触力学角度研究结合面的弹塑性接触机理，构建多载荷耦合作用和表面纹理形貌影响的干摩擦和边界润滑状态下结合面弹塑性接触模型，对车削和铣削工件表面进行了三维建模和仿真，设计了一种筝形表面织构，探究了筝形织构结合面各参数对油膜承载力及摩擦系数的影响规律，对球头铣刀铣削进行了运动学建模和仿真，揭示了结合面接触过程参数的变化规律，建立了结合面刚度和阻尼模型，研究了由结合面组成的螺栓结合部的动态特性等效建模方法。为了达到上述目标，开展了以下研究：对车削和铣削表面进行了三维建模和仿真，建立了实际加工表面三维数字化表面纹理形貌的数学模型。建立了球头铣刀铣削过程中的刀齿运动学模型，实现了球头铣刀铣削表面形貌的建模和仿真，完成了球头铣刀铣削表面形成机理研究，为结合面弹塑性接触性能分析提供复杂表面纹理形貌数据。提出了筝形表面织构设计方法，建立了单元三维筝形表面织构模型，根据 N-S 基本方程及空化模型方程进行流体仿真，从单因素探究筝形表面微织构参数对压力分布和油膜承载力的影响规律，并按照均匀试验方法，综合求解了各组实验方案下的压力分布和油膜承载力的大小。分别在弹簧单元结合部模型和虚拟材料结合部模型的基础上，研究了考虑区域影响的弹簧单元结合部改进模型和基于偏置层单元的虚拟材料改进模型；结合不同螺栓结合部等效模型优化特征，采用所提出的基于模态实验、有限元分析和优化算法相结合的参数逆向识别方法，进行了螺栓结合部特性参数的识别，提高了识别精度。.项目的研究对摩擦学、机械系统动力学具有重要理论价值，为机床乃至高端机械装备的整机性能分析与设计提供基础理论支撑，具有广阔的应用前景。