机床主轴动静态性能实验研究

王丹 董应明 张敏明

摘 要：主轴刚度是机床主轴系统重要性能指标，它反映了主轴单元抵抗静态外载荷的能力，与负荷能力及抗振性密切相关。现对某型高精度数控卧式坐标镗床主轴刚度进行试验测试，验证理论模型的正确性，为进一步的理论分析及仿真提供可靠性依据。

关键词：主轴刚度；坐标镗床；试验分析

引言

主轴作为机床的主要组成部分，其性能的好坏直接决定了机床的性能的高低。主轴单元的动静态特性包括主轴的变形、共振频率、临界转速和动态响应等，其对主轴的速度和精度性能有极大的影响，主轴性能测试实验[1]是研究主轴动力学特性及工作性能的重要组成部分，在理论研究的基础上，通过实验测试验证理论模型的正确性和精确性，对于完善理论模型，进而使理论仿真结果可以直接指导主轴的设计计算以及推广理论仿真的应用研究具有重要意义。

1 主轴静刚度测试实驗

主轴静刚度是主轴轴承和主轴刚度的综合反映，在高速运转过程中，机床主轴在静刚度值低的情况下，会出现挠度增加，变形加大，影响加工精度等问题。掌握准确的主轴静刚度值是提高机床加工精度的前提条件之一，而对主轴进行静刚度测试是获得静刚度最直接，最有效的方法。本文先后进行了主轴静刚度测试实验、模态测试实验、动态响应测试实验、频率响应函数测试实验

1.1 实验内容和目的

主轴静刚度[2]是指在切削力的作用下主轴抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力来表示。现对某机床厂生产的TGK46100高精度数控卧式坐标镗床主轴进行静刚度测试，采用加载装置对主轴垂直方向进行加载，并利用千分表测量刀杆前端位移。根据静刚度定义对测量数据进行拟合得到加载力与变形拟合曲线，其斜率即主轴系统的静刚度。

当在机床主轴与工作台之间，沿与X轴、Y轴和Z轴夹角为300的方向施加静载荷时，分别测量主轴相对工作台在X向、Y向、Z向的位移，以得到主轴部件相对于机床工作台的径向静刚度和轴向刚度。

在工作台和主轴系统之间施加作用力，测量主轴系统相对于工作台面的变形，寻找机床的受力薄弱环节。

机床在承受切削力作用下抵抗变形的能力，直接影响到机床的加工效率，间接反映了机床抵抗切削颤振能力，同时也反映了机床结构设计，机床各主要部件的刚度强弱和刚度分配是否合理，材料的选用是否达到最佳等。

1.2 试验条件

实验仪器包括：力加载装置，用于径向力加载；力传感器，型号为中国航天科技集团公司YFF-6-108，通过数显装置即可读取力的大小；千分表，精度为0.001mm，用于测量主轴在力负载下的变形量。

（1）在主轴上安装专用夹具，在专用夹具上紧固加力装置，作用力通过加力装置直接作用在主轴和工作台上；作用力F在空间与X轴、Y轴、Z轴之间的夹角为30°。（2）试验时将主轴锁定不旋转，工作台在X向、Y向处于待运动状态，不锁紧。（3）正式读数前加载-卸荷重复三次，取其算术平均值。（4）测量指示器均为千分表，指示器读数增加时记为正，指示器读数减少时记为负。

2 实验结果

根据实验步骤对主轴进行加载条件下静刚度测试实验，按照上文所述实验步骤重复测量三次，主轴前端在载荷作用下的静态变形测试数据分别如表1、表2和表3所示。

表3主轴静态变形测试数据（第三次测试）

试验结果分析：

对于以上测试数据进行拟合，得到静刚度表达式和拟合曲线，拟合曲线斜率即静刚度值。如图2所示。

（a）第一次测试 （b）第二次测试

（c）第三次测试

图2 静态变形实验结果与理论结果对比

根据实验结果计算得到主轴前端的静刚度，理论计算结果为21.0084N/μm，将实验测试结果与理论计算结果对比，如表4所示。

表4 静刚度测试结果与理论结果对比

由上表可以看出：（1）实验结果相比理论结果偏小，这主要是因为理论计算结果没有考虑主轴与机床本体的耦合，忽略了机床本体与主轴之间的接触刚度，这会导致主轴静刚度实验测试结果比理论测试结果偏小。此外由于加载的时间间隔太短会导致弹性变形形变恢复不完全，也会导致实际刚度偏低。（2）主轴加载静刚度大于卸载静刚度，这主要是由于主轴内部的各零件之间存在油膜阻尼或电磁阻尼以及零件之间的摩擦作用，使得卸载时主轴弹性恢复表现的迟滞。（3）实验过程中，不可避免会受到实验器材，环境的影响，导致结果出现误差。

3 结束语

主轴的动静态特性决定了高速数控机床的加工质量和切削能力，也是影响其加工精度的主要因素。本文利用试验方法对主轴动静态性能进行了比较系统的测试，并与理论模型进行对比，得出结果差异性的原因，为进一步分析研究提供依据。

参考文献

[1]史安娜，李康举，孙斌.主轴部件静动态特性分析[J].机械设计与制造，1999（5）：56-58.

[2]黄旭东，费仁元，杨宗华.主轴部件动态特性的实验研究[J].北京工业大学学报，1994，20（3），33～38.

[3]杨曼云，孙希平.TH6350卧式加工中心主轴系统静动态特性分析[J].计算机辅助设计与制造，2001（4）：48-50.

[4]胡爱玲.高速电主轴动静态特性的有限元分析[D].广东工业大学，2004.