機床主軸動靜態(tài)性能實驗研究

王丹 董應(yīng)明 張敏明

摘 要：主軸剛度是機床主軸系統(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)對某型高精度數(shù)控臥式坐標(biāo)鏜床主軸剛度進行試驗測試，驗證理論模型的正確性，為進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；試驗分析

引言

主軸作為機床的主要組成部分，其性能的好壞直接決定了機床的性能的高低。主軸單元的動靜態(tài)特性包括主軸的變形、共振頻率、臨界轉(zhuǎn)速和動態(tài)響應(yīng)等，其對主軸的速度和精度性能有極大的影響，主軸性能測試實驗[1]是研究主軸動力學(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，通過實驗測試驗證理論模型的正確性和精確性，對于完善理論模型，進而使理論仿真結(jié)果可以直接指導(dǎo)主軸的設(shè)計計算以及推廣理論仿真的應(yīng)用研究具有重要意義。

1 主軸靜剛度測試實驗

主軸靜剛度是主軸軸承和主軸剛度的綜合反映，在高速運轉(zhuǎn)過程中，機床主軸在靜剛度值低的情況下，會出現(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床加工精度的前提條件之一，而對主軸進行靜剛度測試是獲得靜剛度最直接，最有效的方法。本文先后進行了主軸靜剛度測試實驗、模態(tài)測試實驗、動態(tài)響應(yīng)測試實驗、頻率響應(yīng)函數(shù)測試實驗

1.1 實驗內(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，在位移方向上所施加的作用力來表示?，F(xiàn)對某機床廠生產(chǎn)的TGK46100高精度數(shù)控臥式坐標(biāo)鏜床主軸進行靜剛度測試，采用加載裝置對主軸垂直方向進行加載，并利用千分表測量刀桿前端位移。根據(jù)靜剛度定義對測量數(shù)據(jù)進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)在機床主軸與工作臺之間，沿與X軸、Y軸和Z軸夾角為300的方向施加靜載荷時，分別測量主軸相對工作臺在X向、Y向、Z向的位移，以得到主軸部件相對于機床工作臺的徑向靜剛度和軸向剛度。

在工作臺和主軸系統(tǒng)之間施加作用力，測量主軸系統(tǒng)相對于工作臺面的變形，尋找機床的受力薄弱環(huán)節(jié)。

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

1.2 試驗條件

實驗儀器包括：力加載裝置，用于徑向力加載；力傳感器，型號為中國航天科技集團公司YFF-6-108，通過數(shù)顯裝置即可讀取力的大??；千分表，精度為0.001mm，用于測量主軸在力負(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，作用力通過加力裝置直接作用在主軸和工作臺上；作用力F在空間與X軸、Y軸、Z軸之間的夾角為30°。（2）試驗時將主軸鎖定不旋轉(zhuǎn)，工作臺在X向、Y向處于待運動狀態(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）測量指示器均為千分表，指示器讀數(shù)增加時記為正，指示器讀數(shù)減少時記為負(fù)。

2 實驗結(jié)果

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

表3主軸靜態(tài)變形測試數(shù)據(jù)（第三次測試）

試驗結(jié)果分析：

對于以上測試數(shù)據(jù)進行擬合，得到靜剛度表達式和擬合曲線，擬合曲線斜率即靜剛度值。如圖2所示。

（a）第一次測試 （b）第二次測試

（c）第三次測試

圖2 靜態(tài)變形實驗結(jié)果與理論結(jié)果對比

根據(jù)實驗結(jié)果計算得到主軸前端的靜剛度，理論計算結(jié)果為21.0084N/μm，將實驗測試結(jié)果與理論計算結(jié)果對比，如表4所示。

表4 靜剛度測試結(jié)果與理論結(jié)果對比

由上表可以看出：（1）實驗結(jié)果相比理論結(jié)果偏小，這主要是因為理論計算結(jié)果沒有考慮主軸與機床本體的耦合，忽略了機床本體與主軸之間的接觸剛度，這會導(dǎo)致主軸靜剛度實驗測試結(jié)果比理論測試結(jié)果偏小。此外由于加載的時間間隔太短會導(dǎo)致彈性變形形變恢復(fù)不完全，也會導(dǎo)致實際剛度偏低。（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，使得卸載時主軸彈性恢復(fù)表現(xiàn)的遲滯。（3）實驗過程中，不可避免會受到實驗器材，環(huán)境的影響，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)誤差。

3 結(jié)束語

主軸的動靜態(tài)特性決定了高速數(shù)控機床的加工質(zhì)量和切削能力，也是影響其加工精度的主要因素。本文利用試驗方法對主軸動靜態(tài)性能進行了比較系統(tǒng)的測試，并與理論模型進行對比，得出結(jié)果差異性的原因，為進一步分析研究提供依據(jù)。

參考文獻

[1]史安娜，李康舉，孫斌.主軸部件靜動態(tài)特性分析[J].機械設(shè)計與制造，1999（5）：56-58.

[2]黃旭東，費仁元，楊宗華.主軸部件動態(tài)特性的實驗研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1994，20（3），33～38.

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

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