1、 - 1 - 高精度数控中孔座面磨床及其高速电主轴的研发 项目总结报告 一、项目概况 （包括项目名称、立项时间、项目编号、项目负责人、合作企业、经费情况、主要研究内容等） 项目名称 ： 高精度数控中孔座面磨床及其高速电主轴的研发 项目编号 ： BY2015070-26 合同期限 ： 20152017年 项目负责人 ： 蒋书运 合作企业 ： 无锡机床股份有限公司 经费情况 ：经费投入 65万，其中 省拨款 30万元、单位自筹 35万；经费支出 63.0855万，其中省拨款 28.0855万、单位自筹 35万。经费结余： 1.9145万。 主要研究内容 ： 精密数控中孔座面磨床结构创新设计 ； 中
2、孔座面磨床整机动态特性分析与优化设计 ； 中孔座面磨床整机热态特性分析与优化设计 ； 超高速（ 12万转 /分）砂轮电主轴的开发 。 二、项目实施情况 （即完成项目过程中所做的主要工作，包括校企联合研发团队的组织、实施计划的制定与落实、企业研发人员的培养培训、项目完成情况评价及预算执行情况等） 1） 主要研究工作： 精密数控中孔座面磨床结构创新设计 ； 中孔座面磨床动态 、热态 特性分析与优化设计 ； 超高速（ 12万转 /分）砂轮电主轴的开发 ； 中孔座面磨床 制造与性能试验研究。 2） 校企联合 情况： 东南大学与无锡机床股份有限公司精诚合作，组织了产学研联合团队，在前期已有成果的基础上，
3、围绕 中孔座面磨床 的开发，开展了较为系统地研发。在项目实施过程中，培- 2 - 训 企业研发人员 掌握机床现代设计理论与方法。经过 2年来合作开发，项目组已 全面完成了项目申报书规定的各项技术指标。单位自筹经费已到位，经费使用完全按照申报书预算执行。 三、项目技术情况 （即项目的研究方法及技术路线，项目解决的关键技术、取得的突破性进展及创新点等） 技术路线 研究方法 1） 精密数控中孔座面磨床结构方案设计 本课题采用复合磨削的构思，研 发精密数控中孔座面磨床 ， 工件在一次装夹中完成锥面、内孔、端面等的磨削加工 。 2） 精密数控中孔座面磨床整机动、热态特性分析 本项目建立机床的三维数字化模
4、型，基于有限元法，完成机床整机动态、热态特性分析；采用灵敏度分析方法，寻找机床结构的薄弱环节，进行结构修改，以提高机床结构的动、热态性能，包括整机固有频率、动态刚度、磨削稳定性和热变形等。 3） 超高速（ 12万转 /分）砂轮电主轴的设计 本项目开展的 超高速（ 12万转 /分）砂轮电主轴结构 设计， 包括超高速驱动系统 与 深孔磨削冷却液输送系统 的研究与开发；完成了 电主轴转子 -轴承系统动力学特性分析 ；开展了高速滚动轴承油气润滑设计 。 - 3 - 4）磨削进给系统高刚性液体静压导轨设计 本项目研发一种新型高刚性闭式静压导轨系统，其主、辅静压油垫封油面位于同一水平面，且为 4平面结构，
5、显著降低导轨系统的高度，提高机床刚性与运动的平稳性，大幅降低导轨精密制造成本。基于静压理论，分析计算闭式静压导轨的承载力与刚度。 项目解决的关键技术： 1) 高压共轨系统喷油嘴体的座面、中孔、端面的精密复合磨床结构设计； 2) 带结合部动态刚度参数的中孔座面磨床整机动力学建模方法； 3) 超高速（ 12万转 /分）滚动轴承电主轴的高速驱动 技术与中孔冷却液输送技术； 4) 高刚性封闭式静压导轨结构参数设计及其承载能力分析计算。 取得的突破性进展及创新点： 1）研发一类新型高速精密数控中孔座面复合磨床 提出了高速精密中孔座面复合磨床，确保工件在一次装夹中，完成锥面、内孔、端面等的磨削加工，提高了
6、工件加工精度 , 缩短了加工周期。 2）建立含结合部特性参数的中孔座面磨床整机动、热力学模型 提出带滚珠丝杠副的直线导轨结合部动态模型、平面结合部接触刚度的分形模型，建立精密数控中孔座面磨床 -结合部系统整机动力学模型；考虑高速主轴单元热源和磨削冷却液的“二次”热 源，建立了磨床整机热力学模型。与已有的模型相比，本项目建立的机床整机动、热力学模型能更为精确地描述机床动、热态特性。 3）突破了超高速（ 12万转 /分）磨削电主轴设计关键技术 开展电主轴转子 -轴承系统动力学设计和高速滚动轴承油气润滑设计，突破（ 12万转 /分）电主轴的高速驱动技术。发明了磨削表面的主轴中孔贯通水冷却技术，研制了
7、气体密封非接触高速旋转管接头，解决了喷油器体中孔内圆磨削冷却润滑液的输送难题。 4）提出了新型高刚性、低成本闭式静压导轨结构 研发一种主、辅静压油垫封油面零间距的新型闭式静压导轨，可显著降 低导轨系统的高度，提高机床刚性与运动的平稳性，大幅降低导轨精密制造成本。 四、合同任务指标完成情况 （实际完成合同约定的研究内容、技术指标、效益指标、工作指标等情况） - 4 - 按照合同约定的研究内容执行，超额完成各项考核指标，现分述如下： 考核指标： 1、 加工中孔范围： 3 18 mm；加工锥面小端直径： 0.3 mm；电主轴最高转速：120000rmp；加工的喷油嘴尺寸与精度全面达到国际同类产品的技
8、术指标。 2、 完成 1 台中孔座面磨床样机研制，实现示范应用。 完成情况： 已研制成功 1 台中孔座面磨床样机 ，全面达到上述合同 约定的技术指标。 3、 在国内外刊物发表论文 3 篇；申请国家发明专利 3 项以上。 完成情况： 在国内外刊物发表论文 8 篇 。 1) Hongqin Ding, Shuyun Jiang . Cavitation Erosion Resistance of Silicified Graphite by Liquid Silicon Penetration, Journal of Tribology, Transactions of ASME, 2017,13
9、9 (1): 064501-1-064501-5 (SCI/EI) 2) Shuyun Jiang ; Shenye Lin; Chundong Xu. Dynamics characteristics of a rotary table motorized spindle with externally pressurized air bearings, Journal of Tribology, Transactions of ASME, 2018,140 (1): 011702-1-011702-13 (SCI/EI) 3) Chundong Xu; Shuyun Jiang. Dyna
10、mics characteristics of a rotary table motorized spindle with externally pressurized air bearings, Journal of Vibroengineering, 2017, 3, 19(2):801-811(SCI/EI) 4) Huihui Feng； Shuyun Jiang*, Dynamics of a motorized spindle supported on water-lubricated bearings. Proceedings of the Institution of Mech
11、anical Engineers, Part C, Journal of Mechanical Engineering Science, 2017, Vol. 231(3) 459472 (SCI/EI) 5) Shuyun Jiang , Hongqin Ding, Jiang Xu, Cavitation Erosion Resistance of Sputter-Deposited Cr3Si Film on Stainless Steel, Journal of Tribology, Transactions of ASME, 2017(139) ,JANUARY 2017: 0145
12、01-1-014501-1-5 (SCI/EI) 6) Shuyun Jiang; Shifei Yang; Zhaoyu Yin, Static and dynamic characteristics of externally pressurized annular porous gas thrust bearings, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J, Journal of Engineering Tribology. (Proc IMechE Part J: J Engineering Tri
13、bology) OCT, 2016（ 230）（ 10期） : 1221-1230 7) 张海波，邱玉江，蒋书运 。永磁轴承承载能力分子电流模型的积分定义求解方法。机械工程学报，第 52卷 第 7期 2016年 4月 Vol . 52 No.7 Apr. 2016： 54-59（ EI） - 5 - 8) Xiaohui Lin, Shuyun Jiang,Chibin Zhang, Xiang Liu. Thermohydrodynamic analysis of high speed water-lubricated spiral groove thrust bearing conside
14、ring effects of cavitation, inertia and turbulence. Tribology International, 119 (2018) 645658 (SCI/EI) 授权国家发明专利 10 项 ： 1) 蒋书运 ， 徐春冬 一种高速空气轴承电主轴 ZL201310238485.3 授权日 2015.12.02 2) 蒋书运 ， 马杰 锥形动压螺旋槽轴承轴向承载能力测试装置 ZL201310252886.4 授权日 2016.5.4 3) 蒋书运 ， 冯慧慧 一种简便的静压轴承节流器分组选配的装置 ZL20151000800.0 授权日 2017.5.3
15、 4) 蒋书运 ， 冯慧慧 一种主轴电机转子自锁紧式装配装置 ZL201510141441.8 授权日 2017.3.1 5) 蒋书运 ， 冯慧慧 一种静压轴承小孔节流器的简便装拆方法 ZL201510007974.7 授权日 2017.2. 22 6) 蒋书运 ， 徐春冬 一种适用于薄片工件的多尺寸真空夹具 ZL201510932220.2 授权日 2017.11. 22 7) 蒋书运 ， 徐春冬 一种采用双向内反馈节流技术的静压球头铰链 ZL201510141925.2 授权日 2017.05.03 8) 蒋书运，储佳伟 一种高刚性、低成本闭式静压导轨 ZL201510140314.6 授
16、权日 2017.03.01 9) 蒋书运 ， 徐春冬 一种带内反馈节流器的大承载静压球头铰链机构 ZL201410799357.0 授权日 2017.02.22 10) 蒋书运 ， 邱玉江 一种带滚动球铰连接的悬吊式多层油膜阻尼器 ZL 201410796691.0 授权日 2017.1.25 4、 研发精密数控中孔座面磨床，用于我国高压共轨系统喷油嘴精密制造，解决高压共轨系统国产化中亟待解决的问题。 完成情况 ： 研发精密数控中孔座面磨床 在中国一汽无锡油泵油嘴所组建的我国首条 高压共轨系统喷油嘴精密制造 生产线获得工程应用。 - 6 - 5、培养研究生 3 人，推动企业技术 人员的机床设计
17、水平。 完成情况 ：培养硕士生 4 人；与无锡机床技术中心工程师开展学术交流至少 10 次以上。 五、项目绩效分析 （包括经济效益、社会效益分析，市场应用前景分析，对促进社会发展、科技进步和企业创新能力提升的作用等） 本项目采用校企协作，联合研发精密数控中孔座面磨床及其电主轴技术，其研究意义及其对我省乃至于我国相关行业的技术进步推动主要体现在以下几方面： 1）为“高压共轨系统”核心部件精密磨削提供装备保障 本项目研发精密数控中孔座面磨床结构设计、高性能进给系统与超高速电主轴技术， 为 “高压共轨系统”核心部 件精密磨削提供装备保障。 2）促进我省柴油机制造业的发展 我省是柴油机生产大省，拥有以无锡威孚高科技集团股份有限公司为代表的一批柴油机著名生产厂商。本项目研发的精密数控中孔座面磨床与高速电主轴，对推动我省柴油机行业的发展有积极意义。 3）研发的精密数控中孔座面磨床及其电主轴用途较广 本项目虽然是针对高压共轨系统研发的精密数控中孔座面磨床，但是稍加改型设计，本机床就可以用于同类小直径深孔内圆磨削的精密磨削，在航空航天、机械工业、仪表等行业均有广泛应用前景。 六、存在问题、有关建议及下一步研究设想
