数控机床主轴是整个机床的核心部件,对于卧式加工中心,它带动刀具实现切削运动, 因此主轴部件的精度、静刚度、抗振和热变形能力对加工质量有直接影响。主轴静刚度是数 控机床最基本的性能,而主轴的抗振性和热变形与动刚度和热刚度有关。数控机床既要完成 粗加工又要完成精加工,因此,对主轴逐渐刚度要求较高,研究其静刚度特性对于提高整机 性能影响很大。 1静刚度测试 测试如图1所示,以X向静刚度测试为例,将千分表置于主轴端部,并使千分表的表针 与支架侧向孔轴线位于同一水平面,调整Y坐标,同时观察千分表读数,使主轴轴线与千分 表表针位于同一水平面;在检棒端部加力,读取X向变形量,每隔50 kg加载一次,直到负 载达到300 kg开始卸载,同样每隔50 kg卸载一次直至0 kg,分别记录不同负载下的加卸载 主轴变形量;同理可得Y向变形量;Z向测试已知力在检棒轴线处加力,读取Z向变形量, 并且令千分表表针与支架顶部孔轴线组成的平面与X-Y平面垂直,记录不同载荷下的变形量。 2各种卧式加工中心主轴静刚度曲线 50机床工作台尺寸为500x500,可承受均布载荷500 kg; 63 1200 kg; 80 工作台尺寸 800x800,载重 2000 kg。 从图3中可以看出同样是型号80的机床,e系列各轴刚度都 50,h系列各轴都要远大于e系列,说明h系列是三种系列中刚性最好的,而c系列最差。 再由e系列中不同型号机床比较可知,Z轴刚度是机床尺寸越大越好;X和Y轴则是80>50>63。 在从图4中卸载时各型号机床刚度比较可知,各型号各系列机床刚度分布规律与加载时相同。 因此,可得出结论,采用机械式主轴结构的e和c系列主轴,经济型机床配置单一、结 构简单,最高转速低于普通型机床,因转速高的主轴在工作时的预加载荷较小,因此同样尺 寸结构的主轴,一般最高转速高的主轴刚度要小于最高转速低的主轴刚度,经济型机床的主 轴静刚度要优于普通型。同为e系列(经济型)机床,相同结构和转速要求的主轴,一般尺 寸越大刚度越大。而相同尺寸机床,采用电主轴结构因采用电机直接驱动,减少了齿轮、带 轮等中间传动环节,相比机械式主轴,结构紧凑、运行平稳,刚度也得到大幅提高。 4 结论 (1) 卧式数控机床主轴静刚度曲线在加载和卸载时都表现为线性关系,主轴卸载刚度大于 加载刚度。
数控机床主轴刚度主要反映主轴抵抗外载荷的能力。其影响因素众多,包括主轴尺寸形 状,轴承型号、数量和配置形式,前后支承距离,主轴悬伸长度以及传动形式等。本文针对 多种形式主轴的一系列卧式数控加工中心开展静刚度特性研究,找出最佳的主轴刚度配置。
实验仪器包括:永正称重传感器101BH,精度C3,量程500 kg,用于对主轴施加已知静 载荷力;千分表,精度0.001 mm,用于测量主轴在力负载下的变形量;标准检棒,承受已知 载荷。
e系列主轴结构完全一样,尺寸上80e>63e>50e,c系列主轴结构与e系列大体一致,也 是采用机械式主轴结构,e为经济型,c为普通型。而h系列主轴采用电主轴单元,为高速型 机床,因高速卧式加工中心对机床的综合性能和加工精度要求较高,这里也可以看出该型机 床的配置最高。
(2) 各型卧式数控机床中,最高转速高的主轴刚度要小于最高转速低的主轴刚度。
(3) 电主轴结构中间传动环节少,相比机械式主轴,结构紧凑、运行平稳,刚度更大。
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