機床主軸動靜態性能實驗研究

王丹 董應明 張敏明

摘 要：主軸剛度是機床主軸系統重要性能指標，它反映了主軸單元抵抗靜態外載荷的能力，與負荷能力及抗振性密切相關。現對某型高精度數控臥式坐標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。

關鍵詞：主軸剛度；坐標鏜床；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。主軸單元的動靜態特性包括主軸的變形、共振頻率、臨界轉速和動態響應等，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]是研究主軸動力學特性及工作性能的重要組成部分，在理論研究的基礎上，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，進而使理論仿真結果可以直接指導主軸的設計計算以及推廣理論仿真的應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，在高速運轉過程中，機床主軸在靜剛度值低的情況下，會出現撓度增加，變形加大，影響加工精度等問題。掌握準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、模態測試實驗、動態響應測試實驗、頻率響應函數測試實驗

1.1 實驗內容和目的

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，通常以主軸前端產生單位位移時，在位移方向上所施加的作用力來表示。現對某機床廠生產的TGK46100高精度數控臥式坐標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。根據靜剛度定義對測量數據進行擬合得到加載力與變形擬合曲線，其斜率即主軸系統的靜剛度。

當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之間施加作用力，測量主軸系統相對于工作臺面的變形，尋找機床的受力薄弱環節。

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構設計，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，通過數顯裝置即可讀取力的大小；千分表，精度為0.001mm，用于測量主軸在力負載下的變形量。

（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，工作臺在X向、Y向處于待運動狀態，不鎖緊。（3）正式讀數前加載-卸荷重復三次，取其算術平均值。（4）測量指示器均為千分表，指示器讀數增加時記為正，指示器讀數減少時記為負。

2 實驗結果

根據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測量三次，主軸前端在載荷作用下的靜態變形測試數據分別如表1、表2和表3所示。

表3主軸靜態變形測試數據（第三次測試）

試驗結果分析：

對于以上測試數據進行擬合，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 靜態變形實驗結果與理論結果對比

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

表4 靜剛度測試結果與理論結果對比

由上表可以看出：（1）實驗結果相比理論結果偏小，這主要是因為理論計算結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，這會導致主軸靜剛度實驗測試結果比理論測試結果偏小。此外由于加載的時間間隔太短會導致彈性變形形變恢復不完全，也會導致實際剛度偏低。（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表現的遲滯。（3）實驗過程中，不可避免會受到實驗器材，環境的影響，導致結果出現誤差。

3 結束語

主軸的動靜態特性決定了高速數控機床的加工質量和切削能力，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性能進行了比較系統的測試，并與理論模型進行對比，得出結果差異性的原因，為進一步分析研究提供依據。

參考文獻

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

[2]黃旭東，費仁元，楊宗華.主軸部件動態特性的實驗研究[J].北京工業大學學報，1994，20（3），33～38.

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

[4]胡愛玲.高速電主軸動靜態特性的有限元分析[D].廣東工業大學，2004.