基于细观磨损分析的导轨副精度保持性研究

精度保持性是高精度机床的一项关键性能指标。导轨副的磨损是影响导轨副及机床精度保持性的重要因素。本项目拟采用细观分析与统计分析结合的方法，研究导轨副表面的磨损规律及导轨副精度保持性。课题研究内容包括：1）观测导轨副的表面形貌，分析识别其统计特征参数，构建表面形貌的细观模型；2）基于表面形貌细观模型，考虑载荷、相对速度、润滑、材料属性等因素，建立导轨副细观动态接触模型；3）依据导轨副细观动态接触模型和材料破坏规律，建立导轨副细观磨损模型；4）基于导轨副细观磨损模型，采用互作用概率密度积分的跨尺度方法，建立导轨副宏观磨损模型及精度衰减模型，分析影响导轨副精度保持性的诸要素，研究诸要素对导轨副精度保持的作用规律，预测导轨副精度保持能力并提出保证导轨副精度保持性技术措施。本课题研究成果将为高精度机床设计开发提供参考依据。

精度及精度保持性是高精度机床的核心性能。导轨副作为机床进给系统的核心部件，其精度及精度保持性能对工件的加工质量和加工精度起着决定性作用。本研究从滑动导轨副接触表面的细观磨损分析出发，构建了滑动导轨副的磨损预测模型，并对滑动导轨副的精度保持性进行了理论建模和实验研究。主要研究内容和成果如下：(1) 利用Taylor Hobson表面粗糙度轮廓仪对滑动导轨副试件表面进行了形貌测量，获取其三维形貌参数；建立了粗糙表面的微凸体模型；基于粗糙平面的统计学接触原理，建立了粗糙平面的动态接触模型，获取了导轨副滑动过程中表面微凸体的动态接触参数。(2) 基于粗糙表面的微凸体模型，构建了粗糙平面微凸体动态接触的仿真模型，对粗糙平面微凸体动态接触进行了仿真分析。结果表明，微凸体动态接触参数的理论计算值与仿真值二者吻合良好，验证了本项目建立的粗糙平面动态接触模型的合理性。(3) 提出了微凸体的平均疲劳损伤的概念，构建了微凸体的平均疲劳损伤当量的计算模型，进而建立了滑动导轨副接触表面的细观疲劳损伤模型。通过往复式疲劳摩擦磨损试验机摩擦疲劳实验，获得了导轨副材料的摩擦疲劳指数，为导轨副表面磨损的计算提供了关键参数。(4) 通过对滑动导轨副接触表面微凸体疲劳损伤破坏进行累计积分，建立了滑动导轨副的宏观磨损模型及其解析计算公式。利用万能磨损试验机进行了大量的销盘磨损试验，研究在不同工况参数以及不同表面润滑状况下的导轨副磨损规律。验证了本研究建立的滑动导轨副磨损模型的合理性和适用性。运用统计学方法建立了滑动导轨副的精度保持性模型。(5) 设计研制了导轨副的精度保持性试验台架，实现导轨副精度衰减的实时在线测量。通过精度衰减的实验结果和理论模型计算结果的对比分析，证明了本项目建立的精度保持性模型是合理有效的。在此基础上，提出了滑动导轨副精度保持性模型的应用以及提高导轨副精度保持寿命的措施；开发了物理模型实验验证与精度保持性分析软件。本项目的研究成果可应用于滑动导轨副精度保持性的预测和设计，对提高导轨副的精度保持性能乃至整机的精度保持性能具有重要的理论意义和应用价值。