超精密机床流-固耦合界面的宏微尺度动态接触机理研究

With the requirement developing of machining precision and range, more and more aerostatic and hydrostatic bearings are used in the key components of ultra-precision machine tools. Since the clearance of the bearing on the micro scale, the fluid flow of the bearing on micro scale is different from the one on macro scale. The coupling between the fluid and the solid is very complex, till now the study about such question is nearly absence. This research tries to analyze the touch mechanism of the coupling interface of the fluid and solid on macro and micro scale, to explore the relationship and effect between the coupling interface and waviness of the ultra-precision machine tool: flow equations on micro scale are established to reveal the micro scale effect on the fluid laws; the motion model of the structure which touch with the fluid is derived on macro and micro scale to describe the dynamic behavior of the coupled fluid and solid interface; By detecting the coupling interaction of the fluid and solid and analyzing the vibration information and characteristics, the ultra-precision machining experiment platform is built to predict and control the dynamic behavior of the coupled fluid and solid. It is great significance to clarify the formation mechanism of the machining waviness, and provides a new thinking for improve the machining accuracy of ultra-precision machine tools.

随着加工精度和范围要求的提高，超精密机床关键部件越来越多的采用液体和空气静压轴承。由于轴承间隙处于微尺度范畴，所以轴承内流体流态与宏观尺度下不同，以致流体膜与固体之间的耦合非常复杂，目前针对该问题的研究尚未全面展开。本研究试图深入分析超精密机床结构中流-固耦合界面宏微尺度接触机理与功能机制，揭示流-固耦合界面与超精密机床加工工件波纹度之间的影响关系：研究适合微尺度下流体流态的数学表征方法，探索微尺度效应对轴承内流体性能的影响规律；推导宏微尺度下与流体接触的完整和统一的结构运动模型进而阐述流动流体和运动固体的耦合动态行为；通过检测流-固耦合界面静动态特性并对其振动信息和特征进行分析，搭建运动、测量、调节一体化的超精密加工实验平台，提出对流-固耦合动态行为进行预测及调控的有效策略。本课题的研究成果，对阐明超精密机床加工工件波纹度形成机制有重要意义，为超精密机床的加工质量的提高提供新思维。

本研究基于理论分析、仿真计算和实验验证的原则，将流体静压轴承的研究引入到微尺度领域，基于LFR修正模型建立了微尺度空气静压轴承气膜流动的模型，分析了稀薄效应对气体静压轴承静态性能的影响规律；综合不同的微尺度因子建立宏微尺度相结合的轴承气膜流动模型，考虑了流-固界面不同微尺度因子以及其耦合作用对机床静动态性能的影响。在此基础上，引入敏感度参数分析了固-液界面的速度滑移对液体静压轴承重要性能物理量的影响规律，实现了液体油膜和固体主轴之间的双向流-固耦合分析。其次，从超精密机床加工工件表面形貌出发，基于最大油膜激振力及油膜厚度的相应变换，建立了转子存在偏心质量下的微尺度静压轴承的动力学模型，通过提取瞬态响应信号和表面形貌的频域分析来描述轴承动态行为对表面波纹度的影响，揭示了流-固耦合界面的动态行为与加工工件中低频波纹度之间的影响关系。最后，根据主轴的回转误差分析和动力学理论，建立了轴承-转子系统的回转振动模型，结合轴承的动态特性分析，采用遗传算法和多目标优化准则，对轴承的特征参数进行优化，优化后的回转误差得到降低，从而提高了机床的振动稳定性。通过搭建回转误差检测实验台，验证了仿真结果对振动性能影响的正确性。本课题的研究成果，对提高超精密机床的加工质量有重要意义。