主轴实验台的施力机构研究

李 帅

（沈阳机床（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110142）

机床主轴是机床在加工时直接带动刀具或工件进行切削和表面成形运动的旋转轴。其运动方式主要包括：只做旋转运动；既作旋转运动又作轴向运动；前两种运动方式组合。主轴部件的性能直接影响加工质量和切削生产率，是决定机床性能和经济技术指标的重要因素。因此，对主轴各项性能进行测试，了解主轴各项性能指标，对于生产有着指导意义。

本文针对主轴测试实验台对于主轴静刚度和一些动态特性时使用的施力机构进行分析。

1 主轴静刚度施力装置

1.1 主轴静刚度

主轴部件的静刚度指主轴抵抗外力（静态力）引起的变形的能力。对给定的主轴结构来说，主轴静刚度是随外力的作用点和方向而异的。通常所说的主轴静刚度。指的是主轴的径向刚度。

主轴静刚度不足对加工精度和机床性能的影响主要有：首先，造成加工的尺寸误差或形状误差。其次，影响主轴部件的轴承、齿轮等的正常工作条件（如滑动轴承出现明显的边缘压力、齿轮啮合条件变坏等），从而降低其工作性能和寿命。最后，影响到机床的抗振性[1]。

1.2 主轴静刚度测试施力装置

如图1所示，为自制静刚度实验设备安装示意图。该自制静刚度测试系统是顶板固定在工作台上，将连接有拉压力传感器的加力机构置于顶板与主轴工作端之间。

图1 静刚度实验设备安装示意图

工作原理：缓慢增加施力螺母的扭矩，拉压力传感器受到与主轴工作端与顶板两侧连接的螺杆的压力，产生微变形，产生读数，通过读数调整施加在施力螺母上的扭矩，直到达到需要施力的数值P。

施加扭矩时螺母与螺杆将相对水平位移的趋势，由于后面的顶板是固定的，而且刚性远远超过主轴工作端刚性，所以顶板的变形近似忽略不计。从而通过千分表测出主轴工作端的位移量δ。根据公式(1)可以计算出主轴静刚度K。

这种自制静刚度测试系统的特点：首先，这种机构结构简单，组装方便。其次，工装制作方便，节约成本。再次，由于压力传感器受压力会有轻微变形，所以施力不能施加太大的力了，否则容易导致两端螺杆弯曲变形。最后，微小的变形量，就会引起较大的力的变化，所以施力的精度稍差。

综上，此系统完全适合这种对于施力较小的静刚性实验。

2 模拟实际切削力施力装置

主轴部件工作时，对于其回转精度、抗振性、热稳定性、寿命、可靠性等的测试测定中，模拟实际切削情况的相近程度直接决定了结果的真实性，提高了在工作生产当中的参考价值。

实际的主轴受力情况比较复杂。加工过程中，主轴受力主要来源于垂直于刀具轴线方向的轴向力以及与其垂直的径向力，这两个力的合力是一个有角度的力。该机构模拟其合力加载方式。

图2 模拟实际切削力施力装置

如图2所示，为模拟实际切削力施力装置。该装置由可实现上下、左右、旋转的平台，施力装置（汽缸），以及套在主轴上的旋转套机构。

通过调整旋转机构，使施力装置与旋转套外施力面达到预定角度。然后通过调整工作台上下、水平的方向，使压力头与施力面接触。然后，启动主轴转动，再通过汽缸加力。

由于工作载荷的大小会发生变化，该机构可以通过调整调整汽缸的压力来实现调整工作载荷大小的变化。同时，该机构可以通过调整上下移动机构和移动机架以及旋转机构，实现施力机构对于施力区域的不同位置与不同角度的加载。同时，该方案安装比较灵活方便，可以对主轴立式、卧式两种工作方式进行加载。

该机构缺点是在每次改变施力方向的时候，都需要进行旋转调整，然后调整移动机架，最后调整上下移动机构。该调整过程比较复杂，如果粗调不准，微调的时候，由于移动机架比较重，调整起来比较困难。

该机构中的旋转套机构也是一个重要的部件，其结构如图3所示。KTR联轴器将刀柄与NSK 7913C轴承内圈连接在一起，NSK 7913C轴承外圈与施力区域连接。

当主轴转动时，带动假刀柄转动，假刀柄通KTR联轴器带动NSK7913C轴承转动。当汽缸将力施加到施力区域时，轴承外圈不转动。该旋转套机构实现了主轴转动与施力区域的运动分离，使加载更加稳定，更加真实的模拟实际加载情况。其的缺点是，施力工作时，轴承会摩擦产生热量，由于热胀冷缩的原因，轴承套会有轻微的膨胀，这种轻微的变形会导致加载力变化很大。所以在加载时，应该让主轴工作一段时间，待稳定以后再调整施加力。

图3 旋转套机构

3 总结

施力机构是主轴测试实验台测试精确程度的关键之一，本文针对主轴测试实验台的施力情况的特点，介绍了该实验台的静刚度测试施力装置与测试主轴动态特定时的施力装置。这两种机构可以满足主轴测试实验台的需求，施力机构与实际工作情况比较接近，能够较好的保证测试结果与实际结构相近，测试结构有很高的参考价值。