自2009年以来，在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项（以下简称“04专项”）的支持下，南京理工大学牵头承担了4项有关功能部件的课题项目，详情见表。

表 南京理工大学牵头承担的课题项目

共性技术研究成果

通过实施“高档数控机床滚动功能部件共性技术研究”课题，南京理工大学在共性技术方面取得了一系列标志性成果，具体包括：

1. 10项关键基础技术成果在企业的具体产品中得到应用验证，包括：

（1）滚动功能部件动静刚度分析及高刚性设计；

（2）滚珠丝杠副高精度预紧结构优化设计及效率研究；

（3）滚动功能部件返向器优化；

（4）摩擦磨损机理及抗磨对策研究；

（5）润滑机理及最优润滑策略研究；

（6）抗疲劳耐磨损的材料优选研究；

（7）关键功能部件制造工艺一致性及互换性研究；

（8）滚动功能部件产品高性能加工与工艺稳定性研究；

（9）基于减少热变形的冷却结构设计及措施；

（10）精度保持性、可靠性试验及评估技术。

2. 针对国际标准的不足，建立了滚珠丝杠副摩擦力矩与预紧力映射模型，现已应用于行业测评。

创新设计研发了一款新型滚珠丝杠副，成功地提出了一套全新的滚珠丝杠副摩擦力矩与预紧力计算方法，指出了国际标准（DIN ISO 3408-3）中法向力计算公式的局限性以及传统摩擦力矩-预紧力计算公式的缺点和不足，使滚珠丝杠副摆脱了只能依靠经验公式来确定预紧力的局面。研究成果发表在机械工程领域国际权威杂志《IJ Machine Tools & Manufacture》上(IF=3.307, SCI二区)。

由国际标准DIN ISO 3408-3中对滚珠丝杠副摩擦力矩测量方法的规定中可知，滚珠丝杠副的摩擦力矩是指滚珠与螺母滚道之间的摩擦力相对丝杠轴心的矩，传统滚珠丝杠副摩擦力矩计算公式在计算摩擦力矩时，没有考虑接触角、摩擦系数、滚珠-滚道的接触形式（两点或四点接触）等问题。为此，南京理工大学重点实验室自主设计并搭建了预紧力可调机构以及摩擦力矩-预紧力测量系统，该机构和测量系统的科学性与创新性得到《IJ Machine Tools & Manufacture》评审专家的一致称赞和认可。依据上述方法和设备，南京理工大学重点实验室提出了摩擦力矩新计算公式。新公式计算的预紧力值与预紧力测量值之间的相对误差在10%以内，而传统公式的相对误差则在150%以上。

3．突破了大型螺纹丝杠硬态旋风铣削精密成形基础理论和关键技术问题，令加工丝杠提高了一个精度等级。

针对大型螺纹丝杠旋铣精密成形制造过程，探索了其切削几何成形机理及粗糙度预测、旋铣物理行为及装备多物理场仿真、多点变约束下旋铣系统动力学建模等方面的工艺基础理论问题，实现了大型丝杠硬态旋风铣削工艺及装备的综合优化，并在汉江机床有限公司自主研制的8m大型丝杠数控旋风铣床上获得成功应用，所加工的滚珠丝杠精度提高了一个等级，销售价格和产品竞争力显著提升。围绕相关创新成果，南京理工大学以第一作者或通讯作者的身份，在国际SCI期刊、《机械工程学报》等国内外重要学术期刊以及一些会议上共发表论文近20篇，被SCI/EI检索11篇。授权发明专利2项。

4．建立了测试体系与标准，自主研发了滚动功能部件系列测试试验装备，这些测试技术、方法及装备改善了行业的试验条件，提升了行业的测试水平。

通过制定标准，带动了产品研发，确立了先发优势。作为课题牵头单位，南京理工大学联合南京工艺装备制造有限公司、汉江机床有限公司、大连高金数控集团有限公司、山东博特精工股份有限公司、广东高新凯特精密机械股份有限公司、秦川机床集团有限公司、大连机床集团有限责任公司、沈阳机床股份有限公司以及北京机电院、国家质量检测中心等，制定了32项有关功能部件的国家及行业标准，直接将南京理工大学重点实验室的成果辐射至全行业。

近年来，南京理工大学在测试试验技术、方法及装备等方面取得了授权发明专利33项及10项软件著作权。这些成果集中体现在：

（1）自主研制了22种滚动功能部件精度及性能测试试验系列装置，构建了用于滚珠丝杠副/直线导轨副的刚度、精度和服役性能测试的高效、高精测量试验技术体系与系列装置，解决了目前国内大多数滚动功能部件企业在产品研发过程中检测试验条件不完善、甚至缺乏相配套的系列关键检测试验装备等瓶颈问题。

（2）提出了滚珠丝杠磨削加工在位误差检测方法和新型高精度三自由度砂轮修整技术，突破了滚珠丝杠磨削加工误差预报及补偿技术，开发了预报补偿软件，为解决传动链误差和砂轮截面形状误差对滚珠丝杠加工误差的影响问题提供了新方法。

（3）提出了一种直线导轨副垂直、侧向、俯仰、偏摆及倾斜静刚度的综合测量方法，开发了结构简单的相关装置，从而能够在一次加载中同时实现5种静刚度的测量，大幅提高了测评滚动直线导轨副静刚度的效率。

南京理工大学的丝杠副刚性试验台

南京理工大学的导轨副刚性试验台

南京理工大学的丝杠滚道型面误差测量仪

南京理工大学的直线导轨副摩擦力及精度检测仪

南京理工大学的丝杠副综合性能试验台

南京理工大学的导轨副综合性能试验台

南京理工大学的导轨副精度保持性试验台

南京理工大学的丝杠副动态行程误差测量系统

南京理工大学的丝杠副摩擦力矩试验台

南京理工大学的丝杠副可靠性试验台

南京理工大学的导轨副可靠性试验台

南京理工大学的丝杠副精度保持性试验台

南京理工大学的盘式刀库及机械手可靠性试验台

南京理工大学的链式刀库及机械手可靠性试验台

南京理工大学的导轨阻尼器可靠性试验台

南京理工大学的牵制器可靠性试验台

南京理工大学的丝杠副冷却润滑试验台

南京理工大学的磨损试验台

南京理工大学的疲劳试验台

南京理工大学的导轨副寿命试验台

5. 首次开展了对滚动功能部件骨干企业专项成果产品对比境外企业产品的静刚度测评，并首次公开发布了行业测评报告。

2016年4月11日，在工信部装备司和中国机床工具工业协会的支持下，“滚动功能部件骨干企业与境外企业国家科技重大专项产品静刚度测评发布会”在上海召开。在发布会上，公布了南京理工大学“机械工业数控机床功能部件性能测试与可靠性技术重点实验室”针对境内外8家滚动功能部件企业产品（滚珠丝杠副和滚动直线导轨副）的静刚度测评结果。这是机床行业首次将测评数据公开，测评方法与结果得到了工信部及专项支持的5家骨干企业的一致认同。测评工作促使企业核心技术指标提升超过10%，促进了行业企业的良性竞争，增强了自主创新能力，扩大了市场份额，产生了重大的社会和经济效益。以此为起点，工信部计划将测评工作扩展到其他功能部件。

滚动功能部件骨干企业与境外企业国家科技重大专项产品静刚度测评发布会

6．提出了A+A加速失效模型和全周期分段步加小子样加速失效演变试验方法。

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（1）首次在行业内提出了滚动功能部件的加速寿命试验方法，提出了针对接触疲劳的加速因子以及完整的试验方案，解决了无故障功能可靠性试验评价问题和滚动功能部件试验时间过长问题。

（2）提出了一种基于全周期分段步加策略的小子样加速失效演变试验方法，解决了由于大型装备的现场跟踪试验样本少、周期长从而难以有效开展可靠性试验的难题，从而可以方便、高效地获得滚动功能部件全周期服役过程中不同时间历程下的在线和离线状态监测数据。

7．高速、低噪声、高精度结构优化设计及工艺优化。

从设计角度、制造角度和使用角度研究了影响滚珠丝杠副预紧力丧失的因素,对影响因素进行了对比验证试验。针对精密滚珠丝杠副的中、高速应用场合，对高刚性高精度预紧结构的滚珠丝杠副进行了优化设计，并在主机上开展了应用验证试验。

在此基础上，解决了高速、低噪声、高精度滚动直线导轨副的结构优化设计问题，从接触、摩擦、振动和碰撞等4个方面对其进行了力学分析。研究了滚珠直径、适应度和回珠曲率半径等对接触特征的影响规律，讨论了弹性滞后、差动滑动和黏着引起的导轨副摩擦性质，得到了回珠曲率半径和适应度对固有频率和模态振型的影响，计算了滚珠与滚珠、滚珠与返向器的碰撞力、撞击位置和频率。从预紧力、回珠曲率半径和保持链等方面入手，提出了导轨副结构参数优化和型式改进方法。优化对比验证试验结果表明，参数改进后，摩擦力减小了10%～20%，且波动平稳，噪声与振动减小，导轨副整体性能有所提升。该结构优化最终在南京工艺装备制造有限公司的45型号四列单圆弧矩形滚珠导轨副GGB45上得到了应用。

围绕上述标志性成果，近3年中发表了64篇文章并为SCI收录。此外，在机械工业出版社出版了两部专著，分别为《滚珠丝杠副综合性能测量方法与技术》和《滚珠丝杠副动力学与设计基础》。

此外，还荣获了一系列奖项，包括：滚珠丝杠副性能测量技术与系列装置荣获2011年度南京市科技进步二等奖，精密滚珠丝杠副智能磨削与性能测量关键技术荣获2012年度江苏省科技进步二等奖。

功能部件设计选型手册

通过实施“数控机床功能部件设计选型工具开发”课题，取得了一些填补国内空白的技术成果，包括提出了丝杠优化设计选型“三步法”，覆盖：初步选型、性能校核和优化选择。

根据弹性体特性，创新地提出了滚珠丝杠副受力模型——等效弹簧理论模型。针对导轨副提出了各工况的数字化描述方案，开展了面向安装应用的优化设计选型的方法研究。针对不同变化特性的、负载共同作用的复杂工况，提出了平均载荷的优化等效算法。

2016年，出版了《功能部件设计、选型及应用技术手册》。该手册围绕近年来在功能部件方面的研究成果，覆盖了滚珠丝杠副、滚动直线导轨副、数控转台、数控刀架、电主轴和动力卡盘等六大数控机床功能部件，共计出版6册，为数控机床的设计人员以及其他场合选用滚动直线导轨副的设计人员提供了设计、优选及应用上的指导，同时提供了6套完善的选型软件。

刀库及机械手研究成果

通过实施 “车铣复合加工中心用刀库及机械手可靠性设计及性能试验技术研究”课题，在可靠性加速试验方法及评价技术方面取得了一些研究成果。

（1）研制的刀库及机械手可靠性试验台，能同时提供刀库及机械手早期故障试验、可靠性试验和加速寿命试验等功能，能对刀库机械手在运行状态下的振动、驱动电流、驱动气压以及机械手速度和加速度等参数进行检测与敏感性分析，从而进一步对故障产生的机理和原因进行深入分析与探索，并反馈到可靠性设计环节，用于提高刀库及机械手的可靠性。

（2）攻克了刀库及机械手可靠性建模、分配与设计的关键核心技术，建立起系统全面的刀库及机械手可靠性试验方法与评估技术，首次提出并形成了刀库及机械手可靠性综合设计技术、评估技术、可靠性增长技术、早期故障试验技术、现场试验/加速现场试验技术等5项规范。

（3）首次建立了针对刀库及机械手的可靠性基础数据库，并通过早期故障试验、可靠性试验与加速寿命试验，了解了刀库及机械手的失效模式，掌握了可靠性指标和评价方法，有效把握了运行过程中的参数敏感性，因而具有推广价值。

上述成果及关键技术，是在对车铣复合加工中心用刀库及机械手可靠性问题进行深入研究与大量试验的基础上获得的，已在刀库及机械手可靠性上形成了系统的关键核心技术，并拥有完全的自主知识产权。

标志性产品

通过实施04专项课题，南京理工大学开发出了一系列代表性产品，具体包括：

1. 大型重载滚珠丝杠副GQ161.5×40×2015×3305。该产品钢球直径φ30mm，额定动载202t，额定静载879t，是目前国内乃至世界上承载能力和钢球直径最大的滚珠丝杠副。该产品已在湖北海岚数控机床有限公司的冲压机床上得到成功应用。作为国内汽车行业中的先进设备，该冲压机床拥有较大的冲压吨位，经用户使用3年表明，所配备的滚珠丝杠副，在精度、性能、承载能力及可靠性等指标方面均满足了用户的使用要求，达到国际先进水平。

2. 高速滚珠丝杠副DKFZ5040TR-3-P1/1560X1220。该专项产品于2016年经第三方国检中心检测表明：在以60m/min的速度运行时，噪声从76 dB下降到70 dB，温升从7～12℃下降到5～9℃。

3. 大型空心精密滚珠丝杠副GQ70×20×4680×5245。该专项产品已成功地应用于广东锻压机床厂台湾高明精机公司的GX400加工中心上，该机床原来配备的滚珠丝杠副为日本NSK产品。

4. 高性能直线导轨副GZB45。该专项产品以60m/min的速度运行时，噪声从原来的74～76dB 下降到68～70dB，达到高速、低噪声的高性能水平。

5. 滚柱直线导轨副LGR45。该专项产品的运动精度达到国内最高级1级、国外最高级P3级，导轨单根最大长度为4000mm，可实现无限接长，具有高精度、高刚性、高速度、高密封、长寿命以及稳定性和可靠性好等优势。目前，LGR45滚柱直线导轨副已在龙门立式加工中心、龙门数控铣床和薄板金属开槽机等中高档数控机床上得到应用验证，可全面替代同型进口高档直线导轨副。该产品还荣获了2012年度“产品质量十佳”称号。