李 帥

（沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

機(jī)床主軸是機(jī)床在加工時(shí)直接帶動(dòng)刀具或工件進(jìn)行切削和表面成形運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸。其運(yùn)動(dòng)方式主要包括：只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；既作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又作軸向運(yùn)動(dòng)；前兩種運(yùn)動(dòng)方式組合。主軸部件的性能直接影響加工質(zhì)量和切削生產(chǎn)率，是決定機(jī)床性能和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的重要因素。因此，對(duì)主軸各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試，了解主軸各項(xiàng)性能指標(biāo)，對(duì)于生產(chǎn)有著指導(dǎo)意義。

本文針對(duì)主軸測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)于主軸靜剛度和一些動(dòng)態(tài)特性時(shí)使用的施力機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。

1 主軸靜剛度施力裝置

1.1 主軸靜剛度

主軸部件的靜剛度指主軸抵抗外力（靜態(tài)力）引起的變形的能力。對(duì)給定的主軸結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，主軸靜剛度是隨外力的作用點(diǎn)和方向而異的。通常所說(shuō)的主軸靜剛度。指的是主軸的徑向剛度。

主軸靜剛度不足對(duì)加工精度和機(jī)床性能的影響主要有：首先，造成加工的尺寸誤差或形狀誤差。其次，影響主軸部件的軸承、齒輪等的正常工作條件（如滑動(dòng)軸承出現(xiàn)明顯的邊緣壓力、齒輪嚙合條件變壞等），從而降低其工作性能和壽命。最后，影響到機(jī)床的抗振性[1]。

1.2 主軸靜剛度測(cè)試施力裝置

如圖1所示，為自制靜剛度實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝示意圖。該自制靜剛度測(cè)試系統(tǒng)是頂板固定在工作臺(tái)上，將連接有拉壓力傳感器的加力機(jī)構(gòu)置于頂板與主軸工作端之間。

圖1 靜剛度實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝示意圖

工作原理：緩慢增加施力螺母的扭矩，拉壓力傳感器受到與主軸工作端與頂板兩側(cè)連接的螺桿的壓力，產(chǎn)生微變形，產(chǎn)生讀數(shù)，通過(guò)讀數(shù)調(diào)整施加在施力螺母上的扭矩，直到達(dá)到需要施力的數(shù)值P。

施加扭矩時(shí)螺母與螺桿將相對(duì)水平位移的趨勢(shì)，由于后面的頂板是固定的，而且剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)主軸工作端剛性，所以頂板的變形近似忽略不計(jì)。從而通過(guò)千分表測(cè)出主軸工作端的位移量δ。根據(jù)公式(1)可以計(jì)算出主軸靜剛度K。

這種自制靜剛度測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)：首先，這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便。其次，工裝制作方便，節(jié)約成本。再次，由于壓力傳感器受壓力會(huì)有輕微變形，所以施力不能施加太大的力了，否則容易導(dǎo)致兩端螺桿彎曲變形。最后，微小的變形量，就會(huì)引起較大的力的變化，所以施力的精度稍差。

綜上，此系統(tǒng)完全適合這種對(duì)于施力較小的靜剛性實(shí)驗(yàn)。

2 模擬實(shí)際切削力施力裝置

主軸部件工作時(shí)，對(duì)于其回轉(zhuǎn)精度、抗振性、熱穩(wěn)定性、壽命、可靠性等的測(cè)試測(cè)定中，模擬實(shí)際切削情況的相近程度直接決定了結(jié)果的真實(shí)性，提高了在工作生產(chǎn)當(dāng)中的參考價(jià)值。

實(shí)際的主軸受力情況比較復(fù)雜。加工過(guò)程中，主軸受力主要來(lái)源于垂直于刀具軸線方向的軸向力以及與其垂直的徑向力，這兩個(gè)力的合力是一個(gè)有角度的力。該機(jī)構(gòu)模擬其合力加載方式。

圖2 模擬實(shí)際切削力施力裝置

如圖2所示，為模擬實(shí)際切削力施力裝置。該裝置由可實(shí)現(xiàn)上下、左右、旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)，施力裝置（汽缸），以及套在主軸上的旋轉(zhuǎn)套機(jī)構(gòu)。

通過(guò)調(diào)整旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使施力裝置與旋轉(zhuǎn)套外施力面達(dá)到預(yù)定角度。然后通過(guò)調(diào)整工作臺(tái)上下、水平的方向，使壓力頭與施力面接觸。然后，啟動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)汽缸加力。

由于工作載荷的大小會(huì)發(fā)生變化，該機(jī)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)整調(diào)整汽缸的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整工作載荷大小的變化。同時(shí)，該機(jī)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)整上下移動(dòng)機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)架以及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)施力機(jī)構(gòu)對(duì)于施力區(qū)域的不同位置與不同角度的加載。同時(shí)，該方案安裝比較靈活方便，可以對(duì)主軸立式、臥式兩種工作方式進(jìn)行加載。

該機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)是在每次改變施力方向的時(shí)候，都需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)整，然后調(diào)整移動(dòng)機(jī)架，最后調(diào)整上下移動(dòng)機(jī)構(gòu)。該調(diào)整過(guò)程比較復(fù)雜，如果粗調(diào)不準(zhǔn)，微調(diào)的時(shí)候，由于移動(dòng)機(jī)架比較重，調(diào)整起來(lái)比較困難。

該機(jī)構(gòu)中的旋轉(zhuǎn)套機(jī)構(gòu)也是一個(gè)重要的部件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。KTR聯(lián)軸器將刀柄與NSK 7913C軸承內(nèi)圈連接在一起，NSK 7913C軸承外圈與施力區(qū)域連接。

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)假刀柄轉(zhuǎn)動(dòng)，假刀柄通KTR聯(lián)軸器帶動(dòng)NSK7913C軸承轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)汽缸將力施加到施力區(qū)域時(shí)，軸承外圈不轉(zhuǎn)動(dòng)。該旋轉(zhuǎn)套機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主軸轉(zhuǎn)動(dòng)與施力區(qū)域的運(yùn)動(dòng)分離，使加載更加穩(wěn)定，更加真實(shí)的模擬實(shí)際加載情況。其的缺點(diǎn)是，施力工作時(shí)，軸承會(huì)摩擦產(chǎn)生熱量，由于熱脹冷縮的原因，軸承套會(huì)有輕微的膨脹，這種輕微的變形會(huì)導(dǎo)致加載力變化很大。所以在加載時(shí)，應(yīng)該讓主軸工作一段時(shí)間，待穩(wěn)定以后再調(diào)整施加力。

圖3 旋轉(zhuǎn)套機(jī)構(gòu)

3 總結(jié)

施力機(jī)構(gòu)是主軸測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試精確程度的關(guān)鍵之一，本文針對(duì)主軸測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的施力情況的特點(diǎn)，介紹了該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的靜剛度測(cè)試施力裝置與測(cè)試主軸動(dòng)態(tài)特定時(shí)的施力裝置。這兩種機(jī)構(gòu)可以滿足主軸測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的需求，施力機(jī)構(gòu)與實(shí)際工作情況比較接近，能夠較好的保證測(cè)試結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)相近，測(cè)試結(jié)構(gòu)有很高的參考價(jià)值。