主軸實(shí)驗(yàn)臺的施力機(jī)構(gòu)研究

李 帥

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

機(jī)床主軸是機(jī)床在加工時(shí)直接帶動刀具或工件進(jìn)行切削和表面成形運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)軸。其運(yùn)動方式主要包括：只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；既作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動又作軸向運(yùn)動；前兩種運(yùn)動方式組合。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，對主軸各項(xiàng)性能進(jìn)行測試，了解主軸各項(xiàng)性能指標(biāo)，對于生產(chǎn)有著指導(dǎo)意義。

本文針對主軸測試實(shí)驗(yàn)臺對于主軸靜剛度和一些動態(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。對給定的主軸結(jié)構(gòu)來說，主軸靜剛度是隨外力的作用點(diǎn)和方向而異的。通常所說的主軸靜剛度。指的是主軸的徑向剛度。

主軸靜剛度不足對加工精度和機(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。該自制靜剛度測試系統(tǒng)是頂板固定在工作臺上，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)螺母與螺桿將相對水平位移的趨勢，由于后面的頂板是固定的，而且剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過主軸工作端剛性，所以頂板的變形近似忽略不計(jì)。從而通過千分表測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。

這種自制靜剛度測試系統(tǒng)的特點(diǎn)：首先，這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，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)，對于其回轉(zhuǎn)精度、抗振性、熱穩(wěn)定性、壽命、可靠性等的測試測定中，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。加工過程中，主軸受力主要來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，這兩個力的合力是一個有角度的力。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，施力裝置（汽缸），以及套在主軸上的旋轉(zhuǎn)套機(jī)構(gòu)。

通過調(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。然后通過調(diào)整工作臺上下、水平的方向，使壓力頭與施力面接觸。然后，啟動主軸轉(zhuǎn)動，再通過汽缸加力。

由于工作載荷的大小會發(fā)生變化，該機(jī)構(gòu)可以通過調(diào)整調(diào)整汽缸的壓力來實(shí)現(xiàn)調(diào)整工作載荷大小的變化。同時(shí)，該機(jī)構(gòu)可以通過調(diào)整上下移動機(jī)構(gòu)和移動機(jī)架以及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)施力機(jī)構(gòu)對于施力區(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)整移動機(jī)架，最后調(diào)整上下移動機(jī)構(gòu)。該調(diào)整過程比較復(fù)雜，如果粗調(diào)不準(zhǔn)，微調(diào)的時(shí)候，由于移動機(jī)架比較重，調(diào)整起來比較困難。

該機(jī)構(gòu)中的旋轉(zhuǎn)套機(jī)構(gòu)也是一個重要的部件，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)動時(shí)，帶動假刀柄轉(zhuǎn)動，假刀柄通KTR聯(lián)軸器帶動NSK7913C軸承轉(zhuǎn)動。當(dāng)汽缸將力施加到施力區(qū)域時(shí)，軸承外圈不轉(zhuǎn)動。該旋轉(zhuǎn)套機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主軸轉(zhuǎn)動與施力區(qū)域的運(yùn)動分離，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)，軸承會摩擦產(chǎn)生熱量，由于熱脹冷縮的原因，軸承套會有輕微的膨脹，這種輕微的變形會導(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)是主軸測試實(shí)驗(yàn)臺測試精確程度的關(guān)鍵之一，本文針對主軸測試實(shí)驗(yàn)臺的施力情況的特點(diǎn)，介紹了該實(shí)驗(yàn)臺的靜剛度測試施力裝置與測試主軸動態(tài)特定時(shí)的施力裝置。這兩種機(jī)構(gòu)可以滿足主軸測試實(shí)驗(yàn)臺的需求，施力機(jī)構(gòu)與實(shí)際工作情況比較接近，能夠較好的保證測試結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)相近，測試結(jié)構(gòu)有很高的參考價(jià)值。