主軸實驗臺的施力機構研究

李 帥

（沈陽機床（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110142）

機床主軸是機床在加工時直接帶動刀具或工件進行切削和表面成形運動的旋轉軸。其運動方式主要包括：只做旋轉運動；既作旋轉運動又作軸向運動；前兩種運動方式組合。主軸部件的性能直接影響加工質量和切削生產(chǎn)率，是決定機床性能和經(jīng)濟技術指標的重要因素。因此，對主軸各項性能進行測試，了解主軸各項性能指標，對于生產(chǎn)有著指導意義。

本文針對主軸測試實驗臺對于主軸靜剛度和一些動態(tài)特性時使用的施力機構進行分析。

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。對給定的主軸結構來說，主軸靜剛度是隨外力的作用點和方向而異的。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，為自制靜剛度實驗設備安裝示意圖。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構置于頂板與主軸工作端之間。

圖1 靜剛度實驗設備安裝示意圖

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)調整施加在施力螺母上的扭矩，直到達到需要施力的數(shù)值P。

施加扭矩時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，而且剛性遠遠超過主軸工作端剛性，所以頂板的變形近似忽略不計。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)可以計算出主軸靜剛度K。

這種自制靜剛度測試系統(tǒng)的特點：首先，這種機構結構簡單，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驗。

2 模擬實際切削力施力裝置

主軸部件工作時，對于其回轉精度、抗振性、熱穩(wěn)定性、壽命、可靠性等的測試測定中，模擬實際切削情況的相近程度直接決定了結果的真實性，提高了在工作生產(chǎn)當中的參考價值。

實際的主軸受力情況比較復雜。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。該機構模擬其合力加載方式。

圖2 模擬實際切削力施力裝置

如圖2所示，為模擬實際切削力施力裝置。該裝置由可實現(xiàn)上下、左右、旋轉的平臺，施力裝置（汽缸），以及套在主軸上的旋轉套機構。

通過調整旋轉機構，使施力裝置與旋轉套外施力面達到預定角度。然后通過調整工作臺上下、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，該機構可以通過調整調整汽缸的壓力來實現(xiàn)調整工作載荷大小的變化。同時，該機構可以通過調整上下移動機構和移動機架以及旋轉機構，實現(xiàn)施力機構對于施力區(qū)域的不同位置與不同角度的加載。同時，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行加載。

該機構缺點是在每次改變施力方向的時候，都需要進行旋轉調整，然后調整移動機架，最后調整上下移動機構。該調整過程比較復雜，如果粗調不準，微調的時候，由于移動機架比較重，調整起來比較困難。

該機構中的旋轉套機構也是一個重要的部件，其結構如圖3所示。KTR聯(lián)軸器將刀柄與NSK 7913C軸承內圈連接在一起，NSK 7913C軸承外圈與施力區(qū)域連接。

當主軸轉動時，帶動假刀柄轉動，假刀柄通KTR聯(lián)軸器帶動NSK7913C軸承轉動。當汽缸將力施加到施力區(qū)域時，軸承外圈不轉動。該旋轉套機構實現(xiàn)了主軸轉動與施力區(qū)域的運動分離，使加載更加穩(wěn)定，更加真實的模擬實際加載情況。其的缺點是，施力工作時，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致加載力變化很大。所以在加載時，應該讓主軸工作一段時間，待穩(wěn)定以后再調整施加力。

圖3 旋轉套機構

3 總結

施力機構是主軸測試實驗臺測試精確程度的關鍵之一，本文針對主軸測試實驗臺的施力情況的特點，介紹了該實驗臺的靜剛度測試施力裝置與測試主軸動態(tài)特定時的施力裝置。這兩種機構可以滿足主軸測試實驗臺的需求，施力機構與實際工作情況比較接近，能夠較好的保證測試結果與實際結構相近，測試結構有很高的參考價值。