随着现代机械制造技术向着智能化、柔性化、一体化和高度自动化方向的发展,要求数控机床在高速、重载的情况下仍能保持高精度、低噪声、高可靠性和长寿命等特点。滚珠丝杠副作为数控机床关键功能部件之一,其接触力学特性很大程度上决定了数控机床的性能。滚珠丝杠副在高速运转时,由于结合面的摩擦发热、接触变形,将造成加工精度、可靠性及寿命的降低等,使得对滚珠丝杠副的接触力学特性研究显得尤为重要。本文依据Hertz接触理论和变形协调条件,建立了单螺母滚珠丝杠副载荷分布模型,分析了滚珠丝杠副接触动力学特性;同时通过经典碰撞理论,分析了滚珠丝杠副关键部件的碰撞特性。具体研究内容如下:(1)依据Hertz接触理论和微分几何理论,建立了滚珠丝杠副中丝杠和螺母滚道面的几何方程。通过变形协调理论,建立了单螺母滚珠丝杠副载荷分布模型。分析了轴向载荷对滚珠丝杠副载荷、接触角分布特性的影响。(2)根据单螺母滚珠丝杠副的载荷分布理论,建立了高速旋转的单螺母滚珠丝杠副运动学分析模型。在考虑载荷分布的情况下,基于运动学方程和力学方程,通过数值计算分析了轴向力、丝杠转速对接触角、接触变形、滚珠与丝杠和螺母滚道之间的滑移的影响,并通过ANSYS仿真验证了理论分析结果的正确性。(3)运用经典碰撞理论建立滚珠与循环系统碰撞过程中的动力学模型,分别讨论了单个滚珠在碰撞过程中选取不同碰撞角与丝杠转速条件下,碰撞力随时间的变化规律,并在ADAMS中进行了验证。对于多滚珠系统,循环过程中各滚珠之间以及滚珠与循环系统之间均发生碰撞,在ADAMS中分析了碰撞过程中滚珠的加速度和速度随时间的变化规律。(4)建立滚珠、丝杠和螺母滚道之间的动力学模型,根据切削实验测得的主轴电流数据,推导出切削和空载过程中轴向力随时间的变化规律。基于载荷分布特性分析了切削过程中滚珠与丝杠及滚珠与螺母滚道之间的接触载荷随时间的变化规律,通过统计学分析对数控机床切削和空载过程中滚珠丝杠副的载荷谱进行了编制,并利用正态分布和对数正态分布函数对接触载荷进行拟合。根据Miner损伤理论(考虑接触载荷作用次序对疲劳损伤的累积效应),分析了滚珠与丝杠和螺母滚道接触点的疲劳特性。