全機能數控車床的主軸測試方法

薛 佟

（沈陽機床股份有限公司 遼寧 沈陽 110142）

1 機床的振動檢測

1.1 檢測目的

臥式40規格車床在制造方內部切削規范要求下，進行不同切削標準的振動烈度測試，給出32和40切削標準下主軸、刀架及尾臺的振動烈度。

1.2 檢測儀器及方法

（1）檢測儀器及儀器編號：B&K振動測試分析儀

（2）檢測方法：加速度傳感器測振動烈度

1.3 檢測內容及過程

（1）振動烈度（m/s）測試

按照制造方提供的測試要求，在切削規范的32和40標準下進行切削振動試驗。

注：（以下切削參數為制造方提供的切削規范）

32切削規范——①切削工件直徑為65mm；②切槽部位在距離卡盤端面處100mm（即工件直徑的1.5倍）；③選取槽刀的刀寬為5mm；④主軸轉速為490rpm；⑤進給為0.1mm/rad；⑥切深為10mm。

40切削規范——①切削工件直徑為80mm；②切槽部位在距離卡盤端面處120mm（即工件直徑的1.5倍）；③選取槽刀的刀寬為5mm；④主軸轉速為490rpm；⑤進給為0.1mm/rad；⑥切深為10mm。

超40切削規范——①切削工件直徑為100mm；②切槽部位在距離卡盤端面處150mm（即工件直徑的1.5倍）；③選取槽刀的刀寬為5mm；④主軸轉速為320rpm；⑤進給為0.1mm/rad；⑥切深為10mm。

傳感器方向指示：傳感器接線方向為X向，傳感器吸附方向為Z向，Y向與X、Z向正交。傳感器布置位置為：1號傳感器位于主軸端；2號傳感器位于刀架；3號傳感器位于尾臺。其中1～3號傳感器X、Y、Z三方向測得的數據對應數據圖排版見表1。

圖1 傳感器布置位置圖

表1 傳感器序號與數據圖對照表

圖2 在32規范下的切削振動烈度

圖3 在40規范下的切削振動烈度

圖4 在超40規范下的切削振動烈度

1.4 檢測結果分析

（1）在上述32和40標準切削規范下進行切削，切削振動測試結果顯示沒有發生顫振現象，切削試件通過。

（2）初步進行超標準測試，直徑100mm的工件切削測試不通過。

（3）下一步進行極限能力測試，加大刀寬、提高主軸轉速和進給速度，進行切削振動測試。

2 主軸靜剛度測試

2.1 檢測目的

主軸靜剛度是指車床主軸在靜態作用力下，在X和Z方向上抵抗刀具與零件的部件間相對位移變化的能力。機床主軸靜剛度的好壞直接影響機床的加工性能和表面質量，可以反映出機、機床機械結構、工藝和裝配的合理性和可靠性。

2.2 檢測儀器及方法

（1）檢測儀器及儀器編號：永正稱重傳感器101BH

（2）檢測方法：采用力的大小與變形量之間是近似線性的關系，可以通過力的增量和位移的增量計算出靜剛度的平均值，也可以用逐差法和最小二乘法對數據進行處理，得到主軸的靜剛度。

2.3 檢測內容及過程

通過稱重傳感器向夾持在主軸上的圓棒加力。力的大小是等間距的（50kg，100kg，150kg…）；力的方向分別沿X、Z向；力的作用點在每次實驗中位于圓棒上相同的位置。千分表的磁力座固定于機床不同位置上，在施力的同時，讀出主軸端在相應方向上的變形。

2.4 檢測結果

施力點與檢測點的安放位置按照圖5所示尺寸布置，在位置距離不變的情況下，對數據進行2次測量。在以后類似機床實驗中同樣以此方式進行實驗，來進行對比分析。

圖5 檢測儀器位置圖

（1）機床X向綜合靜剛度實驗（千分表固定在刀盤上）

表2 機床X向預加載荷及主軸徑向位移尺寸表

繪出如6所示下機床靜剛度曲線圖：

圖6 機床X軸向靜剛度曲線圖

（2）機床Z向綜合靜剛度實驗（千分表固定在刀盤上）

表3 機床Z向預加載荷及主軸軸向位移尺寸表

繪出如圖7所示下機床靜剛度曲線圖：

圖7 機床Z向綜合靜剛度曲線圖

由于千分表和表桿在連接時存在靈敏度誤差和配合誤差，因此數據表中存在當載荷變化，千分表的讀數不動的情況，此讀數不得作為有效數據。只有當千分表的讀數隨載荷的變化而變化時，此讀數才有效。為了減少誤差，不影響結果，需要分兩次測量取平均值，按照圖5的方式去計算主軸靜剛度，線性較差的部分不記入計算過程。

3 主軸動平衡測試

3.1 檢測的目的

振動是評判旋轉部件運行狀態平穩的重要指標。解決主軸旋轉部件失衡，降低主軸搖擺振動是機床設計時的重要技術課題。進行主軸動平衡測試時，需要使用申克便攜式動平衡儀。在主軸端設置振動檢測點，檢測在設定轉速下主軸某點的振動速度，同時對主軸端進行配重，使其達到好的平衡效果。

3.2 檢測儀器及方法

（1）檢測儀器及儀器編號：申克便攜式動平衡儀

（2）檢測方法：在工件旋轉時，通過檢測工件的轉動慣量來調整主軸動平衡。測試結果是旋轉時的不平衡量存在的角度，位置，大小（克數），然后根據所得數據在相對位置調整配重塊來實現主軸的平衡。根據所需要的平衡等級不同，對于轉數與大小（克數）有不同的要求。

3.3 檢測內容及過程

本測量采用試重法，對機床進行主軸動平衡測試。在主軸端面處放置一個加速度傳感器，轉速設定為3000rpm，使用動平衡儀測試其振動速度，經過初始運行，可以得到初始的振動速度和相位值，在主軸端進行配重，再經過一段運行，得到一次配重的振動速度和角度值，從而得到二次配重所需要的重量和相位值，使用天平進行稱重，配以相同的重量和相位值。

3.4 檢測結果

通過以上表格和配重前后振動速度對比圖的試驗數據，在3000rpm的轉速下，通過試重法，經過動平衡核對測試，我們可以得到需要配重的角度和重量。此機床主軸在配重之前振動較大，配重以后明顯減小。

[1]張義民.機械可靠性漫談[M].北京：科學出版社，2012.

[2]李瑞瑩，康銳，黨煒.機械產品可靠性預計方法的比較與選擇[J].工程機械，2009，40(5)：53-57.