王丹 董應(yīng)明 張敏明

摘 要：主軸剛度是機(jī)床主軸系統(tǒng)重要性能指標(biāo)，它反映了主軸單元抵抗靜態(tài)外載荷的能力，與負(fù)荷能力及抗振性密切相關(guān)?，F(xiàn)對(duì)某型高精度數(shù)控臥式坐標(biāo)鏜床主軸剛度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證理論模型的正確性，為進(jìn)一步的理論分析及仿真提供可靠性依據(jù)。

關(guān)鍵詞：主軸剛度；坐標(biāo)鏜床；試驗(yàn)分析

引言

主軸作為機(jī)床的主要組成部分，其性能的好壞直接決定了機(jī)床的性能的高低。主軸單元的動(dòng)靜態(tài)特性包括主軸的變形、共振頻率、臨界轉(zhuǎn)速和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等，其對(duì)主軸的速度和精度性能有極大的影響，主軸性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)[1]是研究主軸動(dòng)力學(xué)特性及工作性能的重要組成部分，在理論研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證理論模型的正確性和精確性，對(duì)于完善理論模型，進(jìn)而使理論仿真結(jié)果可以直接指導(dǎo)主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算以及推廣理論仿真的應(yīng)用研究具有重要意義。

1 主軸靜剛度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

主軸靜剛度是主軸軸承和主軸剛度的綜合反映，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，機(jī)床主軸在靜剛度值低的情況下，會(huì)出現(xiàn)撓度增加，變形加大，影響加工精度等問題。掌握準(zhǔn)確的主軸靜剛度值是提高機(jī)床加工精度的前提條件之一，而對(duì)主軸進(jìn)行靜剛度測(cè)試是獲得靜剛度最直接，最有效的方法。本文先后進(jìn)行了主軸靜剛度測(cè)試實(shí)驗(yàn)、模態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)、頻率響應(yīng)函數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的

主軸靜剛度[2]是指在切削力的作用下主軸抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移時(shí)，在位移方向上所施加的作用力來(lái)表示?，F(xiàn)對(duì)某機(jī)床廠生產(chǎn)的TGK46100高精度數(shù)控臥式坐標(biāo)鏜床主軸進(jìn)行靜剛度測(cè)試，采用加載裝置對(duì)主軸垂直方向進(jìn)行加載，并利用千分表測(cè)量刀桿前端位移。根據(jù)靜剛度定義對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到加載力與變形擬合曲線，其斜率即主軸系統(tǒng)的靜剛度。

當(dāng)在機(jī)床主軸與工作臺(tái)之間，沿與X軸、Y軸和Z軸夾角為300的方向施加靜載荷時(shí)，分別測(cè)量主軸相對(duì)工作臺(tái)在X向、Y向、Z向的位移，以得到主軸部件相對(duì)于機(jī)床工作臺(tái)的徑向靜剛度和軸向剛度。

在工作臺(tái)和主軸系統(tǒng)之間施加作用力，測(cè)量主軸系統(tǒng)相對(duì)于工作臺(tái)面的變形，尋找機(jī)床的受力薄弱環(huán)節(jié)。

機(jī)床在承受切削力作用下抵抗變形的能力，直接影響到機(jī)床的加工效率，間接反映了機(jī)床抵抗切削顫振能力，同時(shí)也反映了機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)床各主要部件的剛度強(qiáng)弱和剛度分配是否合理，材料的選用是否達(dá)到最佳等。

1.2 試驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)儀器包括：力加載裝置，用于徑向力加載；力傳感器，型號(hào)為中國(guó)航天科技集團(tuán)公司YFF-6-108，通過(guò)數(shù)顯裝置即可讀取力的大?。磺Х直?，精度為0.001mm，用于測(cè)量主軸在力負(fù)載下的變形量。

（1）在主軸上安裝專用夾具，在專用夾具上緊固加力裝置，作用力通過(guò)加力裝置直接作用在主軸和工作臺(tái)上；作用力F在空間與X軸、Y軸、Z軸之間的夾角為30°。（2）試驗(yàn)時(shí)將主軸鎖定不旋轉(zhuǎn)，工作臺(tái)在X向、Y向處于待運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不鎖緊。（3）正式讀數(shù)前加載-卸荷重復(fù)三次，取其算術(shù)平均值。（4）測(cè)量指示器均為千分表，指示器讀數(shù)增加時(shí)記為正，指示器讀數(shù)減少時(shí)記為負(fù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)主軸進(jìn)行加載條件下靜剛度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，按照上文所述實(shí)驗(yàn)步驟重復(fù)測(cè)量三次，主軸前端在載荷作用下的靜態(tài)變形測(cè)試數(shù)據(jù)分別如表1、表2和表3所示。

表3主軸靜態(tài)變形測(cè)試數(shù)據(jù)（第三次測(cè)試）

試驗(yàn)結(jié)果分析：

對(duì)于以上測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到靜剛度表達(dá)式和擬合曲線，擬合曲線斜率即靜剛度值。如圖2所示。

（a）第一次測(cè)試 （b）第二次測(cè)試

（c）第三次測(cè)試

圖2 靜態(tài)變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果對(duì)比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到主軸前端的靜剛度，理論計(jì)算結(jié)果為21.0084N/μm，將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，如表4所示。

表4 靜剛度測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)果對(duì)比

由上表可以看出：（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比理論結(jié)果偏小，這主要是因?yàn)槔碚撚?jì)算結(jié)果沒有考慮主軸與機(jī)床本體的耦合，忽略了機(jī)床本體與主軸之間的接觸剛度，這會(huì)導(dǎo)致主軸靜剛度實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比理論測(cè)試結(jié)果偏小。此外由于加載的時(shí)間間隔太短會(huì)導(dǎo)致彈性變形形變恢復(fù)不完全，也會(huì)導(dǎo)致實(shí)際剛度偏低。（2）主軸加載靜剛度大于卸載靜剛度，這主要是由于主軸內(nèi)部的各零件之間存在油膜阻尼或電磁阻尼以及零件之間的摩擦作用，使得卸載時(shí)主軸彈性恢復(fù)表現(xiàn)的遲滯。（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不可避免會(huì)受到實(shí)驗(yàn)器材，環(huán)境的影響，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)誤差。

3 結(jié)束語(yǔ)

主軸的動(dòng)靜態(tài)特性決定了高速數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量和切削能力，也是影響其加工精度的主要因素。本文利用試驗(yàn)方法對(duì)主軸動(dòng)靜態(tài)性能進(jìn)行了比較系統(tǒng)的測(cè)試，并與理論模型進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)果差異性的原因，為進(jìn)一步分析研究提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]史安娜，李康舉，孫斌.主軸部件靜動(dòng)態(tài)特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，1999（5）：56-58.

[2]黃旭東，費(fèi)仁元，楊宗華.主軸部件動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，20（3），33～38.

[3]楊曼云，孫希平.TH6350臥式加工中心主軸系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)特性分析[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，2001（4）：48-50.

[4]胡愛玲.高速電主軸動(dòng)靜態(tài)特性的有限元分析[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2004.