小径高速液体悬浮主轴表面微结构增刚减摩效应的机理研究

小曲率半径凹面的高效精密磨削技术在环保汽车工业、精密光学工业和现代轴承工业中具有独特的用途，但与此相适应的兼具高转速和高刚性的小直径液体悬浮主轴技术在国内外尚未得到圆满解决。本项目提出了利用液体悬浮主轴轴承运动副表面微结构的增刚减摩效应来实现主轴系统高刚性和高转速的研究思想。项目将深入研究表面微结构类型及参数对轴承运动副表面液膜的壁面滑移特性、动压效应、传热特性和转子系统稳定性的影响规律；在原理性实验和研制开发实际样机的基础上，建立表面微结构效应的动态热态特性定量研究理论体系；从理论建模、数值仿真和工程试验等多途径融合的角度，提出表面微结构的设计依据和设计准则，探索实现小径液体悬浮主轴高速高刚性的具体路径。本项目研究将拓展经典滑动轴承运动副界面科学的新领域，深化对表面微结构增刚减摩效应的机理认识，提升现有液体悬浮主轴的设计水平，从而为凹面高效精密磨削装备开发提供有力的技术支撑。

小曲率半径凹面的高效精密磨削技术在环保汽车工业、精密光学工业和现代轴承工业中具有独特的用途，但与此相适应的兼具高转速和高刚性的小直径液体悬浮主轴技术在国内外尚未得到圆满解决。本课题提出了利用液体悬浮主轴轴承运动副表面微结构的增刚减摩效应来实现主轴系统高刚性和高转速的研究思想；采用符合油膜几何尺度特征的非结构网格与分块划法及网格尺寸函数的方法，建立了基于CFD的高速孔口进油动静压径向轴承、高速静压止推轴承、充分润滑下周期性微结构单元及相应的表面微结构径向轴承与止推轴承的热动力润滑数值计算模型，研究揭示了孔口进油高速动静压径向轴承和止推轴承的结构参数对热动力润滑特性的影响规律。建立了充分润滑条件下周期性微结构单元的动力润滑解析理论模型，揭示了微结构单元的类阶梯动压效用和流体惯性力效应的动力润滑机理。研究揭示了微结构数目、微结构单元深度比、微结构分布长度比、微结构单元速度边界条件、进口压力边界条件及微结构直径对高油膜承载力和低油膜温升特性的影响规律，提出了通过优化匹配轴承宏观结构参数和微结构深度及微结构直径使轴承综合性能优化的方法。研制成功了电机内置式液体动静压电主轴，并在超高速磨床上实现了应用。课题成果通过了中国机械工业联合会主持的科技成果鉴定，获得中国机械工业科学技术二等奖。本课题成果提供了小径高速液体悬浮电主轴轴承系统的热动力润滑的理论分析和工程设计方法，提出了利用表面微结构效应实现液体悬浮电主轴高刚性低温升化的具体方法，拓展了经典液体滑动轴承摩擦副界面科学的新领域，促进了小径高速液体悬浮主轴技术的发展。