滚珠丝杠副作为高档数控机床的核心执行部件,直接决定数控机床加工精度、精度稳定性及保持性,是数控机床实现“精密、快速、重载”的重要保障。近十年来,在国家科技重大专项支持之下,行业骨干企业滚珠丝杠副产品在刚性、综合性能方面取得了明显进步,但在精度保持性上与国外高端产品仍有明显差距,精度保持时间为进口产品的三分之二左右,成为制约高档数控机床应用国产滚珠丝杠副的突出瓶颈问题。通过数控机床企业现场使用及国家科技重大专项承担单位前期大量的试验表明,影响滚珠丝杠副精度保持时间偏低的主要因素之一就是预紧力丧失过快,导致其在精度保持性、寿命以及可靠性等方面均落后于国外产品,使得中高档数控机床的滚珠丝杠副进口产品处于主导地位。这一行业突出的共性基础技术问题,成为国产滚珠丝杠副追赶或赶超国外高端产品水平的关键所在。为此,本文以国家科技重大专项“高档数控机床滚动功能部件共性技术研发(2012ZX04002021)”为支撑,对国产滚珠丝杠副的预紧力衰退的基础技术问题展开理论与试验研究,重点研究预紧力衰退的预测方法,通过试验验证进一步提出抑制预紧力衰退的优化策略,为滚珠丝杠副延长使用寿命、提高可靠性等重要工程问题提供理论支撑,为国产滚珠丝杠副产品替代进口、中高档数控机床国产化奠定基础。研究预紧力衰退首要问题就是需要准确计算预紧力的初始值(衰退曲线的起点:预紧力计算方法),接着需要准确得知预紧力衰退的临界值(衰退曲线的终点:失效判据计算方法),最重要的还需掌握预紧力的衰退规律(衰退曲线的中间过程:预紧力衰退计算方法),而以上研究均离不开滚珠丝杠副的受力分析(衰退曲线的理论基础:载荷分布计算方法)。为此载荷分布、预紧力计算、失效判据计算以及预紧力衰退过程等问题成为研究重点,具体研究内容如下:(1)在考虑了丝杠和螺母等的变形后,建立了轴向载荷作用下的滚珠丝杠副载荷分布模型,并进一步分析了导程、适应比、循环圈数、轴向载荷以及转速等对载荷分布的影响,为预紧力衰退预测的研究奠定了理论基础。(2)分析了传统预紧力计算方法的局限性并建立了新的预紧力与空载扭矩的关系模型;创新性地设计了预紧力可调滚珠丝杠副并构建了滚珠丝杠副预紧力与空载扭矩同步在线监测系统,测量了不同的转速和预紧力水平下的动态摩擦系数,找到了测量预紧力的最佳转速。将预紧力-空载扭矩关系模型与试验测得的摩擦系数相结合,提出了预紧力的精确计算方法,为预紧力衰退预测曲线起点的确定提供了理论依据。(3)综合考虑了丝杠、螺母以及其他弹性元件的变形后,分析了预紧滚珠丝杠副的受力分布并提出了最大轴向载荷和临界预紧力的计算方法。研制了滚珠丝杠副的临界预紧力和最大轴向载荷同步在线测量系统,证明了本论文的计算方法的误差在7%以内且比传统2.83倍理论具有更广泛的适用性,为预紧力衰退预测曲线终点的确定提供了理论依据。(4)充分考虑了磨损区域会随着丝杠轴的转动而沿着滚道往复运动的特点,推导出了修正系数Kn’’,将传统Archard磨损理论应用到滚珠丝杠副上;提出了一种利用预紧滚珠丝杠副在无轴向载荷作用下的运转试验代替有轴向载荷情况的试验方法,通过磨损测试系统测得了磨损系数并总结了磨损规律。将修正后的磨损理论与试验测得的磨损系数相结合,建立了滚珠丝杠副预紧力的预测模型,为预紧力衰退预测曲线的中间过程的确定提供了理论依据。(5)制定了详细的预紧力衰退试验方案并研制了滚珠丝杠副加载运转系统,对型号为R40-16K5-FDC的双螺母预紧滚珠丝杠副进行了预紧力衰退试验,测量了运行过程中的预紧力、行程变动量和行程偏差的变化曲线,证明了预紧力衰退综合预测模型的误差在5.53%以内。基于预紧力衰退试验结果,进一步提出了抑制预紧力衰退的优化策略,优化后的滚珠丝杠副的预紧力衰退量减小了 72.4%。