超精密超高转速涡轮式微主轴单元设计理论及关键技术研究

微细切削加工技术制造精密/超精密三维微小零件越来越受到各国的重视，甚至成为争先发展的标志性关键技术。高性能微主轴是微细切削加工机床的关键部件。目前国内外研制的微主轴存在的主要问题是很难同时实现微细切削刀具的超精密回转与超高转速回转以及刀具的自由更换。本项目提出了超精密超高转速涡轮式微主轴单元的原理和结构方案，实现微细切削刀具超精密回转与超高转速回转及可自由更换。拟对超精密超高速静压气体轴承气体润滑机理、超高转速微涡轮气体动力学及流动控制、同时实现微细切削刀具超精密和超高转速回转及可自由更换等关键科学技术问题进行深入系统的研究；建立超精密超高转速涡轮式微主轴单元的设计理论与方法；研制出转速为400000-500000rpm、在该超高转速下刀具回转精度为亚微米级的微主轴单元样机；为我国微细切削加工机床和微细切削加工技术的研究提供理论依据并打下坚实的基础。本研究具有很强的理论意义和实用价值。

微主轴作为微机床的关键部件，直接决定了微机床的性能及微细切削磨削加工技术的发展和应用。但是目前国内外研制的微主轴其刀具要么回转速度高但回转精度低，要么回转精度高但回转速度低，且无法实现高回转精度下刀具的自由更换。为此，本项目提出一种新型的动力轴与刀具的柔性连接式结构和刀柄—转子一体式结构的设计思路和方法，旨在研究超高转速、高回转精度的微主轴。.项目开展的主要工作包括：建立冲击式径向气动微涡轮的设计理论和气体静压轴承承载力的计算模型；提出新型一体式微弹性联轴节的结构设计方案，建立其理论设计模型，试验研究样机性能；提出一种基于形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA）的一体式微夹头的结构设计方案，建立其设计理论，试验研究SMA环的热——机械训练工艺和微夹头的性能；开发微主轴各阶临界转速计算程序，研究高转速下微主轴的动态特性；在上述研究基础上，研制出微主轴原理样机；试验结果表明当供气压力提高到0.52MPa，主轴转速提高到约120000r/min时卡死，未通过一阶临界转速，这是因为转子的残余不平衡量过大。刀具替代轴的径向跳动误差为3.31μm，对比涡轮轴在轴承间隙13μm的条件下卡死，说明一体式柔性连接机构较好地补偿了动力轴的误差。当供气压力达到0.5MPa时，静态转矩达到了6N•mm。.本项目提出的新型一体式微柔性连接机构，包括微弹性联轴节和微夹头，结构简单对称、动平衡性能好，有效解决了微主轴超高转速下仍具有高回转精度及可自由更换这一关键难题。提出的新型动力轴与刀具柔性连接式结构和刀柄—转子一体式结构的微主轴设计思路和方法，不仅可大幅减小微主轴结构，而且在现有一般加工工艺技术水平条件下就可实现较大技术水平突破，为我国微机床和微细切削磨削加工技术的研究打下了坚实的基础。