精密滚珠丝杠副是数控机床进给系统的关键部件,由于它具有精度高、刚度高、摩擦小等性能,被广泛应用于数控机床、精密机械传动装置等相关高精密领域。它的精度和各项性能直接影响数控机床的定位精度和重复定位精度,进而影响数控机床的加工精度。研究滚珠丝杠进给系统,特别是滚珠丝杠副工作过程中的滚珠与导珠管碰撞、滚珠与螺旋滚道的接触变形和静动态特性等规律,可以对滚珠丝杠副的设计与使用提供指导,对促进我国机床等高精密领域的发展有重要意义。本文应用赫兹接触理论、碰撞力学等对滚珠丝杠副中的滚珠在滚珠螺旋滚道中受力和弹性接触进行分析,研究滚珠丝杠传动副的静动态特性及滚珠与导珠管之间的接触碰撞分析。主要研究工作如下:(1)分析了滚珠丝杠副发展历程和国内外研究现状,说明研究滚珠丝杠副性能的重要意义。详细介绍了滚珠丝杠副的工作原理、特点以及结构形式。(2)系统介绍了滚珠丝杠副中的滚珠在螺旋滚道内的运动和受力特点,研究了滚珠的自转和公转速度、滑移特性。利用赫兹接触理论分析了滚珠与丝杠和螺母螺旋滚道面的弹性接触问题,并通过有限单元法对简化的模型进行了应力、应变和接触压力分析。由分析可知滚珠与丝杠滚道的接触压力大于滚珠与螺母滚道的接触压力。因此在工作中丝杠滚道的磨损大于螺母滚道的磨损,这为滚珠丝杠副的结构设计与材料选择提供依据。(3)系统评述了滚珠丝杠的应变、应力分析与支撑方式的变化规律,通过有限元ANSYS分析与理论模型进行对比。得出结论两端固定支撑的滚珠丝杠的轴向变形呈二次抛物线变化规律,一端固定支撑的滚珠丝杠的轴向变形呈线性增长,两端固定的支撑方式变形量最小,两端固定支撑方式的轴向刚度最好。(4)介绍了模态分析方法,阐述了滚珠丝杠副整体建模过程中的问题和解决办法,利用有限元软件HyperMesh和ABAQUS对整体的滚珠丝杠副进行了模态分析,得到了三种不同支撑方式下滚珠丝杠副的固有频率和振型,讨论了不同支撑方式的适用场合。模态分析结果反映了结构的动力学特性,为滚珠丝杠副的设计、评价与使用提供依据。(5)建立了滚珠与导珠管的碰撞接触理论模型,分析了影响滚珠碰撞力的主要因素,利用CATIA和ADAMS软件对滚珠碰撞模型进行建模和动力学仿真。分别对一个滚珠、两个滚珠和四个滚珠与导珠管碰撞的碰撞力进行分析,讨论了不同材料和不同滚珠入口速度对于碰撞力的影响。通过对滚珠与导珠管的碰撞力仿真研究,可知导珠管的弯管处碰撞力比较大,入口速度越大碰撞力越大,材料密度的增加也使碰撞力增加。因此导珠管设计和弯管半径的优化是今后研究的重点内容。本文的研究成果对滚珠丝杠副的设计与使用提供了理论依据,为我们自主研发精密的滚珠丝杠副提供了相应的技术支持,对提高我国数控机床和高精密仪器设备的制造水平具有重要意义。论文工作得到科技部国际合作与交流专项项目“微纳米尺度复杂表面切削加工技术及装备”(2010DFA72000) 2009.5-2012.5的资助。