一種簡易單向加載的C6136車床靜剛度測量方法

周益軍，史永康，王延延，曹愛能

(揚州市職業大學機械工程學院，江蘇 揚州 225009)

機床靜剛度是衡量機床性能的重要指標之一。機床由許多零部件組成，它們的變形會引起刀具與工件間的相對位移。研究靜剛度特征及其變化規律對于提高機床整體性能具有重要的意義。近年來已經有學者對機床靜剛度的測量方法進行了相關研究，如陜西科技大學的鄭其明等[1]用計算機對機床靜剛度實驗數據進行了處理；重慶大學的張良等[2]采用最小二乘法標定力傳感器，用標定后的力傳感器和應變儀對機床主軸進行靜剛度測量,得到精度較高的靜剛度值。也有部分學者采用弧形三向加載剛度儀和螺旋增力機構測量機床的靜剛度[3-5]，但由于儀器復雜, 都存在難操作、儀器昂貴等問題。如何確保機床靜剛度滿足使用要求，一直是機床設計領域的熱門課題[6-10]。本文以C6136機床為研究對象,針對以往測量方法的不足, 提出了一種簡易單向加載的機床靜剛度測量方法，其目的是研究如何簡單快速地獲得機床的靜剛度數值。

1 測量方法與測量裝置

1.1 測量方法

實驗采用靜載法測量機床靜剛度，其測量方法是: 在機床靜止狀態下, 模擬車削時切削力對由車床主軸-工件-刀具-尾座所組成的車削加工系統的作用, 利用模擬刀桿對工件施加靜載荷, 迫使車床各部件發生變形；運用相關儀器測量出各部件在不同的載荷下, 工藝系統各部分在敏感方向(水平方向)產生的變形量(位移)的大小，然后根據作用力和變形量的關系進行數據處理和分析,計算出機床工藝系統的綜合靜剛度。

機床的靜剛度與床頭、尾座、刀架之間的剛度關系可以用下式表示：

(1)

式中：K,k頭,k尾,k刀,k工件分別為機床的總剛度、頭架的剛度、尾座的剛度、刀具的剛度和工件的剛度。

1.2 測量裝置

本文介紹的是筆者等設計的一種單向加載的C6136車床靜剛度測量裝置。該裝置由體重計和鋁板等部件組成,如圖1(a)所示。與芯棒接觸部分為V型塊，結構簡單緊湊，加載的過程平滑、穩定，能有效保護車床本身以及測量裝置。芯棒采用兩頭頂或一端固定的裝夾加載方式,如圖1(b)所示。轉動小刀架的進給手柄，使小刀架頂向工件，小刀架就會使加載裝置的V型塊壓向工件(用莫氏芯棒代替)。每次加載的力的大小可以在加載裝置上讀出。工件在力的作用下產生的位移大小在百分表中顯示。采用這種裝置不但操作方法簡單，測量結果準確，而且能夠有效解決傳統剛度測量檢定方法的復雜、繁瑣及成本較高的問題。圖中的圓圈代表百分表，圓圈中的箭頭是百分表測量的位置，向上的箭頭處為V型塊的支撐位置。

2 實驗數據與數據處理

2.1 使用莫氏5號芯棒進行實驗

第一組實驗采用靜載法測量機床剛度，工件為莫氏5號芯棒(1號芯棒)，直徑為60mm。芯棒插在C6136主軸莫氏錐孔中，移開固定芯棒的尾架，此時芯棒為懸臂梁。其伸出長度為2 600mm，壓力加載位置距主軸前端2 600 mm 處，如圖2(a)所示，得到的實驗數據見表1。對數據進行處理后，得到1號芯棒尾端的壓力-位移靜剛度曲線如圖2(b)所示。

圖2 1號芯棒尾端加載壓力實驗

表1 1號芯棒(尾端加載壓力)尾端位移mm

當壓力加載位置在距主軸前端1 300 mm處 時，加載方案如圖3(a)所示，得到的實驗數據見表2。對數據進行處理后，得到1號芯棒中心位置的壓力-位移靜剛度曲線如圖3(b)所示。

圖3 1號芯棒中心位置加載壓力實驗

表2 1號芯棒(中心加載壓力)中心位置位移mm

2.2 使用自制芯棒進行實驗

第二組實驗采用雙死頂尖固定法測量機床剛度，著重測量機床主軸前頂尖、刀架及尾架后頂尖受力后的位移，以便計算各部件剛度及機床剛度。實驗使用自制芯棒(2號芯棒)，總長為5 000mm、直徑為40mm，芯棒兩頭有中心孔，兩端均用死頂尖固定。

壓力加載位置為距前頂尖2 500mm處，加載方案如圖4(a)所示，得到的實驗數據見表3。對數據進行處理后，得到2號芯棒中心壓力-位移靜剛度曲線如圖4(b)所示。

圖4 2號芯棒中心位置加載壓力實驗

表3 2號芯棒(中心加載壓力)中心位置位移mm

當壓力加載位置在前頂尖處芯棒頭端時，加載方案如圖5(a)所示，得到的實驗數據見表4。對數據進行處理后，得到2號芯棒頭端壓力-位移靜剛度曲線如圖5(b)所示。

圖5 2號芯棒頭端位置加載壓力實驗

表4 2號芯棒(頭端加載壓力)頭端位置位移mm

當壓力加載位置在尾端頂尖處芯棒尾端時，加載方案如圖6(a)所示，得到的實驗數據見表5。對數據進行處理后，得到2號芯棒尾端壓力-位移靜剛度曲線如圖6(b)所示。

圖6 2號芯棒尾端位置加載壓力實驗

表5 2號芯棒(尾端加載壓力)尾端位移mm

3 實驗數據分析

以上兩組實驗的壓力加載都是水平單向靜加載，兩組實驗的不同之處在于第一組為懸臂梁，第二組為兩端固定的簡支梁。雖然支撐方法不同，但是數據分析結果均符合材料力學的相關理論:懸臂梁受力時，尾端位移最大；簡支梁受力時，中間位移最大。通過分析可以發現：

1)1號芯棒為懸臂梁，壓力加載位置距離固定支撐端越遠，測量出的系統變形量越大，系統的剛度越差。符合懸臂梁典型的靜剛度特性。

2)2號芯棒中心處的剛度明顯比頭部和尾部的剛度差。符合簡支梁的靜剛度特性。

3)對于簡支梁，相同的力作用在頭端和尾端，頭端的變形比尾端變形小。實驗數據說明，主軸的剛度比尾座的剛度稍高，可能是由于主軸的直徑比尾座套筒的直徑要大。

4)盡管1號芯棒(直徑為60mm)較粗，但在作為懸臂梁的情況下其剛度要比作為兩端支撐的簡支梁2號芯棒(直徑為40mm)的剛度還要小。

5)載荷相同時，加載壓力后的位移點和壓力卸載后的位移點不重合，存在著回程誤差，由此說明系統可能存在間隙或塑形變形等。

6)兩組實驗數據均說明本文的研究對象C6136機床的剛度較差，已不能滿足精加工的要求，符合該機床目前的實際情況，畢竟其已使用了25年且即將報廢。

4 結論

本文以C6136機床為研究對象，采用單向加載的機床靜剛度測量方法進行實驗，根據實驗數據結合材料力學理論進行分析，得到如下的結論：

1)根據實驗數據獲得的曲線圖，可以看出壓力與位移呈現近似正比的線性關系；加載和卸載時的位移點不重合，存在位移誤差，其主要原因是系統各組成部分之間存在著間隙或塑性變形。

2)在兩條芯棒不同處施加相同的力其變形的程度不一樣，通過分析發現，懸臂梁的尾端及簡支梁中心部位的剛度較差，但在相同的條件下，簡支梁的剛度要明顯高于懸臂梁的剛度。

3)C6136普通機床的靜剛度要比想象中的低得多。該驗證性實驗對大學生理解機床的靜剛度概念有一定幫助。