Ｃ ，量程 ５ ０ Ｎ，用于对主轴施加 已知静载荷力；千 ３ ０ ０
分表 ， 度 ００ １ ｎ 用 于 测量 主轴 在力 负载 下 的 精 ． ， ０ ｍｌ
变 形 量 ；标准 检棒 ，承 受 已知 载荷 。 测试 如 图 １所示 ， 以 向静 刚度 测试 为例 ，将 千分表 置 于主 轴端 部 ，并 使干 分表 的表 针 与支 架侧
Ｙ向￣］ ｍｍ Ｂ／
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ｚ向变／／ ｎ ｇｍ］
Ｘ
８ｅ ０ ｙ
＝ ． ７６１９４ ８３ ３７ ６ ． ０ ＋ ２
＝ ． ７ 氏－９ ６ ３９ １． ５ ４３ ６
（ ５ｈ机床三方 向静 刚度 曲线 ｅ ０ ）
＝３７ ９ ６ １６ ８ ９ ３ Ｆｕ ．６ ６ － １２ ９ ０ ． ２ ｇ＋ ． １ ＝３９ ４ ６ ｕ２ ． ５
机床 ，尺寸大 的机床 主轴 静刚度要高于尺寸小的机床 ；采用 电主轴结构 的机床主轴静刚度要高于 同类型采用机械
式主轴 结构 的机床 。研 究结果可 以对 国产卧式加工 中心改善主轴部件静 刚度设计提供参考 。 关键词 卧式数控加 工中心 主轴 静刚度 预加载荷
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
变 形量 。
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 。
１ 静刚度测试 试验 仪 器包 括 ：永正 称重 传感 器 １ １ Ｈ，精度 ０Ｂ
精密 制造 与 自动化
２ １ 年第 ３ ０１ 期
卧式加工 中心主轴静 刚度特性 的试验研 究术
仇健 李 晓飞 刘志强 马晓波
（．沈 阳机床 （ 团） 限责任 公 司 沈 阳 １０ ４ ； １ 集 有 １ １ ２ ２ ．沈 阳北方 交通 重 工集 团
摘 要
沈 阳 ｌ０ ０ ） ０ １ １
图 １ 主 轴静刚度 测试仪器布
２ 计算 分 析
主 轴静 刚度 函数 为
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 水 平面 ；在检 棒端 部加 力 ，读 取 向变形 量 ，每
一
＿Ｆａｌ 』 ｌｌ ． ＝ｄ — ｂ
【 ＝ ｕ ｄ－ ｂ
隔 ５ ０Ｎ 加 载一 次 ，直到 负载 达到 ３０ ０Ｎ 开始卸 ０ ０ 载 ，同样每 隔 ５ ０Ｎ 卸载 一次 直至 全部 卸载 ，分别 ０ 记 录不 同负载 下 的加卸载 主 轴变 形量 ； 同理 可得 ’ ，
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
９
精 密制 造与 自动 化
２ １ 年第 ３ ０１ 期
刚度采 样 点 ，拟 合得 静 刚度表达 式 （ 见表 １ ）和 拟
合 曲线 ，如 图 ２所示 。可 以看 出各组测 试 获得 的静 刚度 曲线都 为 直线 ，并且 拟合精 度 很 高。
表 １ 各种 卧式加工 中心主轴静刚度
型号 方向
图 ２ 各种 卧式加工 中心主轴静 刚度 曲线
Ｚ
Ｘ ６ｅ ３ ｙ
介 绍 了卧式数 控加 工 中心主轴 的静 刚度 特性所 开展 的试 验研 究 。根 据预加 载荷 测得 的静 刚度 试验数
据 ，应 用最 小二乘法拟合得到主轴在加载和卸载 时的静刚度 曲线 。研究后发现 ，主轴 卸载 刚度 大于 加载 刚度 ；相
同结构 尺寸机 床 ，主轴 最高 转速低 的机 床主 轴静 刚度要 高于 主轴最 高转 速高 的机床 ；相 同最 高转速和 结构 的
刚 度和 拟合 曲线 截距 。
（ １ ）
式 （ ）中，ａ、ａ、ｂ、ｂ 别为 加载 和卸 载 时的 １ ｌ ｌ 分 对 机床 各 方 向进 行测 量 ，获得 机床 ３方 向的静
木“ 高档数控机床与基础制造装备 ”科技重大专项课题
（ 号 ：０ ０ Ｘ ４ １ — １ ） 编 ２ １Ｚ ０ ０ ６ ０ １
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 。 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
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 －
卸载静刚度
－３ ５ １４ ｕ １ ． １ － ．０ ６ 一 ８ ８ ５ ５ ＝３４ ５Ｏ 一 ０ ２ ３ １ ．２ １ ．４
Ｘ 向变形， ｌ ｍｉ ｌ
’ Ｉ
｝
／ ．
１厦 ’ ｆ
ｉ
５ ０
苇 １
＋
∞
＝９０ ４ ４ １６ ４ ８ ８ Ｆ ９７ ９２ ｕ １ ７ ０ ２ ． ９ ｆ＋ ． ３ ．３ ６ 一 ９． ｉ ４
Ｘ ８ｃ ０ ｙ Ｚ
ｒ
； ／ｊ
』三 ’ ：
％‘ 盎 ４ ｏ
Ｊ
，
蠹 一
， ｉ
∞
ｚ 向 变 形／ ｍ
一 ｉ
盎 ∞ 唁
６ 。
亨 向静 刚 度 曲线
｝
一
加载静 刚度
＝３２ ８５ ￣２ ４ ７ ５ ． ７ ｆ＋ ． ６ ｉ ＝ ．４ ６＋１８ ３ ３ ４ ８ １ ．７１９