周益軍，史永康，王延延，曹愛能

(揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

機(jī)床靜剛度是衡量機(jī)床性能的重要指標(biāo)之一。機(jī)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(guī)律對于提高機(jī)床整體性能具有重要的意義。近年來已經(jīng)有學(xué)者對機(jī)床靜剛度的測量方法進(jìn)行了相關(guān)研究，如陜西科技大學(xué)的鄭其明等[1]用計(jì)算機(jī)對機(jī)床靜剛度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理；重慶大學(xué)的張良等[2]采用最小二乘法標(biāo)定力傳感器，用標(biāo)定后的力傳感器和應(yīng)變儀對機(jī)床主軸進(jìn)行靜剛度測量,得到精度較高的靜剛度值。也有部分學(xué)者采用弧形三向加載剛度儀和螺旋增力機(jī)構(gòu)測量機(jī)床的靜剛度[3-5]，但由于儀器復(fù)雜, 都存在難操作、儀器昂貴等問題。如何確保機(jī)床靜剛度滿足使用要求，一直是機(jī)床設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熱門課題[6-10]。本文以C6136機(jī)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(jī)床靜剛度測量方法，其目的是研究如何簡單快速地獲得機(jī)床的靜剛度數(shù)值。

1 測量方法與測量裝置

1.1 測量方法

實(shí)驗(yàn)采用靜載法測量機(jī)床靜剛度，其測量方法是: 在機(jī)床靜止?fàn)顟B(tài)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(tǒng)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(fā)生變形；運(yùn)用相關(guān)儀器測量出各部件在不同的載荷下, 工藝系統(tǒng)各部分在敏感方向(水平方向)產(chǎn)生的變形量(位移)的大小，然后根據(jù)作用力和變形量的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,計(jì)算出機(jī)床工藝系統(tǒng)的綜合靜剛度。

機(jī)床的靜剛度與床頭、尾座、刀架之間的剛度關(guān)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(jī)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(shè)計(jì)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(jì)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(jié)構(gòu)簡單緊湊，加載的過程平滑、穩(wěn)定，能有效保護(hù)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(zhuǎn)動小刀架的進(jìn)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(chǎn)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(jié)果準(zhǔn)確，而且能夠有效解決傳統(tǒng)剛度測量檢定方法的復(fù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理

2.1 使用莫氏5號芯棒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

第一組實(shí)驗(yàn)采用靜載法測量機(jī)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)

表1 1號芯棒(尾端加載壓力)尾端位移mm

當(dāng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)

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(jìn)行實(shí)驗(yàn)

第二組實(shí)驗(yàn)采用雙死頂尖固定法測量機(jī)床剛度，著重測量機(jī)床主軸前頂尖、刀架及尾架后頂尖受力后的位移，以便計(jì)算各部件剛度及機(jī)床剛度。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)

表3 2號芯棒(中心加載壓力)中心位置位移mm

當(dāng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)

表4 2號芯棒(頭端加載壓力)頭端位置位移mm

當(dāng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)

表5 2號芯棒(尾端加載壓力)尾端位移mm

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

以上兩組實(shí)驗(yàn)的壓力加載都是水平單向靜加載，兩組實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)分析結(jié)果均符合材料力學(xué)的相關(guān)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(fā)現(xiàn)：

1)1號芯棒為懸臂梁，壓力加載位置距離固定支撐端越遠(yuǎn)，測量出的系統(tǒng)變形量越大，系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(diǎn)和壓力卸載后的位移點(diǎn)不重合，存在著回程誤差，由此說明系統(tǒng)可能存在間隙或塑形變形等。

6)兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均說明本文的研究對象C6136機(jī)床的剛度較差，已不能滿足精加工的要求，符合該機(jī)床目前的實(shí)際情況，畢竟其已使用了25年且即將報(bào)廢。

4 結(jié)論

本文以C6136機(jī)床為研究對象，采用單向加載的機(jī)床靜剛度測量方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合材料力學(xué)理論進(jìn)行分析，得到如下的結(jié)論：

1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的曲線圖，可以看出壓力與位移呈現(xiàn)近似正比的線性關(guān)系；加載和卸載時的位移點(diǎn)不重合，存在位移誤差，其主要原因是系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，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(jī)床的靜剛度要比想象中的低得多。該驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)對大學(xué)生理解機(jī)床的靜剛度概念有一定幫助。