数控机床是装备制造业的工作母机，是新技术革命的战略高地和全球制造业格局调整的战略支点。在高速机床中，由于其高速驱动单元产生的热量远远高于普通机床，热误差占总误差的比例甚至能超过75%。本书以高速机床主轴热误差为研究对象，从影响支承轴承运行特性的关键参数——轴承预紧力着手，通过仿真与试验相结合的方法，分析主轴热误差的影响因素及其规律，基于多种轴承运行特性完成了主轴支承轴承预紧力优化，以及热诱导预紧力测试与补偿，为机床主轴热态特性研究提供了新的思路。　　本书适合轴承专业师生及工程技术人员阅读，亦可作为轴承研究人员的参考用书。

本书以高速机床主轴热误差为研究对象，从影响支承轴承运行特性的关键参数——轴承预紧力着手，通过仿真与试验相结合的方法，分析主轴热误差的影响因素及其规律，基于多种轴承运行特性完成了主轴支承轴承预紧力优化，以及热诱导预紧力测试与补偿，为机床主轴热态特性研究提供了新的思路。

高档数控机床是航空航天、汽车及船舶等产业升级的必需品；也是我国数控加工行业迈向国际化水平的必要前提。我国发布的《中国制造2025》已将高档数控机床列为中国制造业发展的战略十大重点领域之一。而我国高档数控机床仍依赖进口，缺少掌握核心知识产权、具有国际竞争力和影响力的机床企业，难以满足我国由机床生产大国向生产强国转变的实际需求。造成这种困局的主要原因在于，国产机床加工精度低或难以长期保持较高加工精度。对于高档数控机床而言，由于高速驱动单元产生的热量远远高于普通传统机床，及其配套的各部件、单元加工精度，装配精度以及自身刚度都较高，使得几何误差、控制误差以及力误差所占比例大幅减小，此时热误差占总误差的比例甚至能够超过75%。因此，解析热误差产生机理就成为目前高档数控机床领域亟须解决的关键问题。作为数控机床核心组件之一，主轴单元直接与刀具或者工件相连，其热误差将直接影响工件加工质量。解析主轴单元热误差形成机理需要从主轴单元主要热源之一—轴承出发，综合考虑单元组件温度场分布规律，探索刀尖与工件之间的相对位置变化规律。同时，为使主轴单元保持长期的高精度，对于轴承性能调控研究同样必不可少。目前主轴单元广泛采用的轴承类型是能够同时承受径向力、轴向力，适用于高转速的角接触球轴承。因此主轴单元热误差研究需要紧密结合角接触球轴承的服役特性，并考虑主轴单元组件的热膨胀规律开展研究。本书以主轴热误差为研究对象，从影响支承轴承运行特性的关键参数—轴承预紧力着手，分析存在的主轴热误差影响因素及规律，通过仿真与试验相结合的方法开展研究。首先从轴承拟静力学分析出发，特别求解了轴承套圈与滚动体之间的载荷变形系数与轴承接触角之间的函数关系，分析、计算了支承轴承功率损耗，以及主轴单元温度场、主轴热变形仿真，分析得到了主轴转速、轴承预紧力对主轴刀尖位置偏移量的影响规律；其次，分析了支承轴承在切削力及自身安装误差作用下的温度场分布，分析了不同切削力作用下的轴承温度场，以及建立了不同平行不对中情况下的轴承运行模型，并完成了轴承温度场仿真分析；再次，搭建了主轴单元测试平台，并完成了不同转速及轴承预紧力下的主轴刀尖热偏移量测量，对比仿真结果得到了一些可靠的研究结果，通过光纤光栅温度传感器分布测量了轴承在不同方向作用力下的温度场分布，验证了切削力对轴承温度场的影响作用，然后完成了上述主轴单元在支承轴承平行不对中情况下的试验分析，验证了所建模型的准确性；最后，基于多种轴承运行特性完成了主轴支承轴承预紧力优化，及热诱导预紧力测试与补偿。本书是在国家自然科学基金项目“多复杂因素耦合作用下航发主轴轴承润滑失效机理研究”（项目编号：52205096）的支持下，总结了编者在主轴单元热误差与角接触球轴承服役性能方面相关的研究成果，希望本书能够为我国高档数控机床热误差研究与角接触球轴承性能调控等方向感兴趣的科研及技术人员、高校相关专业学生提供有益参考。参加本书编写的有董艳方，陈非凡，卢团良，马亚飞，何恺等，本书由董艳方统稿。邱明教授提供了专业性帮助，在此表示由衷的感谢。由于编者知识面和水平有限，因此本书虽经反复修改和整理，但其内容的深度与广度，特别是理论知识方面，仍深感不足，其中存在不妥之处一定在所难免，恳请各位读者不吝赐教，编者将不胜感激。

董艳方，河南科技大学副教授，从事轴承技术研究。

前言第1章 绪论1.1 研究背景与意义1.2 国内外研究概况1.2.1 主轴热误差形成机理研究现状1.2.2 角接触球轴承服役特性研究现状1.2.3 轴承试验技术研究现状1.3 研究内容与章节安排1.3.1 研究内容1.3.2 章节安排第2章 主轴单元温度场及轴承热态特性解析2.1 引言2.2 轴承预紧力对轴承功率损耗影响分析2.2.1 轴承滚动体与套圈之间的接触载荷-变形系数2.2.2 轴承预紧力对轴承内部载荷分布影响分析2.3 轴承功率损耗分析与计算2.3.1 施加载荷引起的摩擦力矩2.3.2 润滑剂引起的黏性摩擦力矩2.3.3 自旋摩擦力矩2.4 主轴热误差形成机理分析2.4.1 边界条件2.4.2 主轴单元温度场分布特性及影响2.5 本章小结第3章 角接触球轴承服役性能影响研究3.1 引言3.2 径向载荷对轴承温度场分布影响3.2.1 摩擦力矩分布计算3.2.2 轴承外套圈温度场分布分析3.3 轴承安装误差对轴承温度场影响研究3.3.1 运行模型建立3.3.2 轴承摩擦力矩分布计算及仿真分析3.4 润滑油温度对轴承接触特性的影响研究3.4.1 热节点划分及热平衡方程组的建立3.4.2 热-力耦合模型求解3.4.3 高速球轴承热-力耦合影响因素分析3.5 本章小结第4章 主轴单元试验平台构建及试验研究4.1 引言4.2 试验平台结构介绍4.2.1 机床主轴热误差成因综合试验平台4.2.2 机床主轴轴承热刚度监测试验平台4.2.3 机床主轴轴承旋转内圈温度监测试验平台4.3 轴承预紧力对主轴热误差影响试验研究4.4 切削力对轴承温度场分布影响试验研究4.4.1 光纤光栅测量原理介绍4.4.2 轴承温度场分布式系统介绍4.4.3 不同方向切削力下轴承温度场测量及对比研究4.5 平行不对中情况下轴承温度场分布试验研究4.6 轴承刚度的影响规律试验研究4.6.1 轴向载荷作用下主轴轴承均匀热刚度4.6.2 轴向、径向联合载荷作用下主轴轴承非均匀热刚度4.6.3 试验与仿真结果对比4.7 轴承旋转内圈温升规律试验研究4.7.1 新试验轴的校核及影响分析4.7.2 新试验轴结构对轴承内圈温度分布的影响4.7.3 试验开展及结果分析4.8 本章总结第5章 主轴轴承服役性能调控方法研究5.1 引言5.2 预紧力调控方法研究5.2.1 预紧力对主轴刚度影响分析5.2.2 预紧力与轴承疲劳寿命关系研究5.2.3 预紧力对轴承外套圈温升影响研究5.2.4 预紧力与滚动体打滑关系影响研究5.2.5 最优预紧力求解及试验研究5.3 热诱导预紧力补偿方法研究5.3.1 热诱导预紧力自补偿装置结构设计5.3.2 热诱导预紧力自补偿装置仿真分析5.3.3 热诱导预紧力自补偿试验研究5.3.4 试验方案5.3.5 试验结果5.4 本章小结第6章 总结与展望6.1 总结6.2 展望参考文献