CN103926066A - 一种测量刀柄-主轴结合部静刚度的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种测量刀柄-主轴结合部静刚度的实验装置,包括机床主轴，刀柄，千分表，施力杆，径向加载装置，荷重力计。刀柄与机床主轴通过拉刀机构连接在一起；径向加载装置通过底座的紧固螺钉固定在机床工作台，径向加载装置与刀柄施力点之间依次通过荷重力计、径向加载压块A、径向加载压块B、施力杆传递径向加载力；径向力大小可以通过荷重力计直接读取,千分表通过磁座固定来获得径向位移量。本装置结构简单，适用范围广，可以获得真实的刀柄-主轴结合部静刚度值，对研究刀柄静态特性具有重要意义。

Description

一种测量刀柄-主轴结合部静刚度的实验装置

技术领域

本发明涉及一种测量刀柄-主轴结合部静刚度的实验装置，可以在机床加工以及机床调试过程中快速真实获得刀柄-主轴结合部静刚度，属于机械设计、制造测试领域。

背景技术

高速加工是近年来发展起来的高新制造技术之一，实施高速加工可以大幅度提高加工效率、减小切削力和切削温度、提高刀具耐用度和加工表面质量。刀柄是高速数控机床所需要的重要通用部件之一，是机床主轴和刀具的连接部件。在高转速工况下，刀柄与主轴内锥孔之间的结合部是机床中最薄弱的环节之一，其接触刚度直接影响到被加工零件的质量和加工效率。由于刀柄本身刚度已经确定（尺寸、形状、材料等已经确定），对刀柄的实际使用来说，刀柄-主轴结合部的刚度是可变的（与刀柄的轴向拉刀力大小、刀柄锥与主轴内锥孔的接触率、接触状态等有关系）。与轴向刚度和扭转刚度相比较，刀柄-主轴结合部的径向刚度，对加工质量、生产率、刀具寿命影响最大。因此通过实验方法获得刀柄-主轴结合部径向刚度，对合理确定拉刀力，提高机床的加工性能具有重要意义。

随着机床技术的不断发展，为了适应不同的切削加工条件，开发了多种不同的刀柄结构，也形成了多种不同的刀柄-主轴结合部。通常使用的有以下几种类型刀柄：（1）BT系列刀柄（2）HSK系列刀柄（3）“Big-Plus”双面定位刀柄。上述刀柄系统都需要通过拉刀机构将刀柄拉紧，因此拉刀机构对刀柄施加的拉刀大小将直接影响着刀柄与主轴的连接刚度（刀柄-主轴结合部刚度）。如果拉力不够，会造成刀柄与主轴连接刚度不足，影响加工质量；如果拉力过大，会造成刀柄与主轴内锥孔之间的接触面压伤，甚至影响刀柄的装卸。通过试验研究可以获得实际工况下刀柄与主轴之间的结合部刚度，因此设计一种科学合理的测量刀柄-主轴结合部静刚度的实验装置及方法将对研究刀柄性能及刀柄设计改进具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，针对实际工况下企业没有一种有效简便测量刀柄-主轴结合部静刚度的实验装置的现状，设计一种测量刀柄-主轴结合部静刚度的实验装置，以此来研究刀柄性能。

本发明是采用以下技术手段实现的：

本发明提供一种测量刀柄-主轴结合部静刚度的实验装置：包括机床主轴、刀柄、千分表a、千分表b、施力杆、径向加载装置、荷重力计。

刀柄与机床主轴通过拉刀机构连接在一起。

径向加载装置包括径向加载套筒装置、穿过径向加载套筒的径向加载螺钉、水平调节装置、底座；径向加载装置通过底座紧固螺钉固定在机床工作台；径向施力螺钉底端与刀柄悬伸端之间依次通过荷重力计、径向加载压块、径向加载压块、施力杆直接接触来传递径向加载力。

水平调节装置包括支撑套筒装置A、支撑套筒装置B，水平调节螺栓、螺母。支撑套筒装置A、支撑套筒装置B通过焊接方式对称固定在底座上。径向加载套筒装置与支撑套筒装置通过水平调节螺栓、螺母以栓接方式连接在一起。径向加载螺钉直接拧入径向加载套筒装置中心处的螺纹孔中。通过调节装置，使径向加载螺钉与施力杆和荷重力计中轴线位于同一条直线上，且与刀柄的中轴线垂直。

本发明的有益效果是,利用本发明装置可以获得实际工况下不同机床的刀柄-主轴结合部径向刚度，为刀柄拉力的合理选择及刀柄的设计制造及其技术改进提供依据。本装置结构简单，适用范围宽，可以获得真实的刀柄-主轴结合部静刚度值，对研究刀柄静态性能及确定合理的拉刀力具有重要意义。

附图说明

图1本发明的径向刚度实验装置结构示意图；

图2本发明的径向加载装置结构示意图；

图3本发明径向刚度求解示意图。

图中，1、机床主轴，2、刀柄，3、千分表a，4、千分表b，5、施力杆，6、径向加载装置，7、荷重力计，8、径向加载套筒，9、径向加载螺钉，10、调节装置，11、径向加载装置底座，12、底座紧固螺钉，13、径向加载压块A，14、径向加载压块B，15、支撑套筒装置A，16、支撑套筒装置B，17、水平调节螺栓，18、水平调节螺母。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明的具体实施例加以说明。

如图1所示，本发明提供一种测量刀柄-主轴结合部静刚度的实验装置：包括机床主轴1、刀柄2、千分表a3、千分表b4、施力杆5、径向加载装置6、荷重力计7。

刀柄2与机床主轴1通过拉刀机构连接在一起。

径向加载装置6包括径向加载套筒装置8、穿过径向加载套筒的径向加载螺钉9、水平调节装置10、底座11；如图2所示，径向加载装置6通过底座紧固螺钉12固定在机床工作台；径向施力螺钉9底端与刀柄2悬伸端之间依次通过荷重力计7、径向加载压块13、径向加载压块14、施力杆5直接接触来传递径向加载力。

水平调节装置10包括支撑套筒装置A15、支撑套筒装置B16，水平调节螺栓17，螺母18。支撑套筒装置A15、支撑套筒装置B16通过焊接方式对称固定在底座11上。径向加载套筒装置8与支撑套筒装置通过水平调节螺栓17、螺母18以栓接方式连接在一起。径向加载螺钉9直接拧入径向加载套筒装置8中心处的螺纹孔中。通过调节装置10，使径向加载螺钉9与施力杆5和荷重力计7中轴线位于同一条直线上，且与刀柄2的中轴线垂直。

对不同系列刀柄进行径向刚度试验中，通过拧紧加载螺钉9的方式在刀柄2法兰面靠下的位置加载径向力F，通过径向加载压块13、荷重力计、7、径向加载压块14、施力杆5直接接触作用在刀柄2悬伸端，从而使刀柄2-主轴1结合部产生径向位移，所加载的径向力通过荷重力计7直接读取。千分表b4通过磁座、支架固定在相对于施力点刀柄2法兰面靠下位置，来获得主轴-刀柄系统的总径向位移量。千分表a3通过磁座、支架固定在机床主轴1前端位置，使得机床主轴1端面处于千分表a3测点、千分表b4测点之间连线的中点，来获取主轴前端径向位移量。

如图3所示：本发明径向刚度求解示意图,为了求解方便建立刀柄2-主轴1结合部坐标系0-XY，刀柄2在径向载荷F作用下刀柄悬伸端会产生位移δ₁，同时主轴1前端也会产生位移量δ₂，

由于刀柄2在机床主轴1的内锥孔中，较短，假设刀柄2锥柄部本身不发生弯曲变形，在刀柄锥柄部只有结合部的变形。根据几何关系可得：

刀柄悬伸端位移量δ₁，主轴前端位移量δ₂两者之差为刀柄在结合部处的变形量δ₃

δ₃＝δ₁-δ₂

由上式可以得到刀柄-主轴结合部在不同径向力作用下的径向位移δ₃，经过多次测量，得到多组离散数据，这样可以拟合出刀柄-主轴结合部在某拉刀力作用下的径向力F与径向位移δ₃之间的关系曲线。进一步对所获得的径向力F与径向位移δ₃之间的函数关系进行求导，可以获得刀柄-主轴结合部的径向刚度K

$K=\frac{\mathrm{dF}}{d{\mathrm{\δ}}_3}$

Claims (2)

1.一种测量刀柄-主轴结合部静刚度的实验装置，其特征在于：该装置包括机床主轴（1）、刀柄（2）、千分表a（3）、千分表b（4）、施力杆（5）、径向加载装置（6）、荷重力计（7）；

刀柄（2）与机床主轴（1）通过拉刀机构连接在一起；

径向加载装置（6）包括径向加载套筒装置（8）、穿过径向加载套筒的径向加载螺钉（9）、水平调节装置（10）、底座（11）；径向加载装置（6）通过底座紧固螺钉（12）固定在机床工作台；径向施力螺钉（9）底端与刀柄（2）悬伸端之间依次通过荷重力计（7）、径向加载压块（13）、径向加载压块（14）、施力杆（5）直接接触来传递径向加载力；

水平调节装置（10）包括支撑套筒装置A（15）、支撑套筒装置B（16），水平调节螺栓（17）、螺母（18）；支撑套筒装置A（15）、支撑套筒装置B（16）通过焊接方式对称固定在底座（11）上；径向加载套筒装置（8）与支撑套筒装置通过水平调节螺栓（17）、螺母（18）以栓接方式连接在一起；径向加载螺钉（9）直接拧入径向加载套筒装置（8）中心处的螺纹孔中；通过调节装置（10），使径向加载螺钉（9）与施力杆（5）和荷重力计（7）中轴线位于同一条直线上，且与刀柄（2）的中轴线垂直；

对不同系列刀柄进行径向刚度试验中，通过拧紧加载螺钉（9）的方式在刀柄（2）法兰面靠下的位置加载径向力F，通过径向加载压块（13）、荷重力计（7）、径向加载压块（14）、施力杆（5）直接接触作用在刀柄（2）悬伸端，从而使刀柄（2）-主轴（1）结合部产生径向位移，所加载的径向力通过荷重力计（7）直接读取；千分表b（4）通过磁座、支架固定在相对于施力点刀柄（2）法兰面靠下位置，来获得主轴-刀柄系统的总径向位移量；千分表a（3）通过磁座、支架固定在机床主轴（1）前端位置，使得机床主轴1端面处于千分表a（3）测点、千分表b（4）测点之间连线的中点，来获取主轴前端径向位移量。

2.根据权利要求1所述的一种测量刀柄-主轴结合部静刚度的实验装置，其特征在于：建立刀柄（2）-主轴（1）结合部坐标系0-XY，刀柄（2）在径向载荷F作用下刀柄悬伸端会产生位移δ₁，同时主轴（1）前端也会产生位移量δ₂，

由于刀柄（2）在机床主轴（1）的内锥孔中，在刀柄锥柄部只有结合部的变形；根据几何关系可得：

刀柄悬伸端位移量δ₁，主轴前端位移量δ₂两者之差为刀柄在结合部处的变形量δ₃

δ₃＝δ₁-δ₂

由上式可以得到刀柄-主轴结合部在不同径向力作用下的径向位移δ₃，经过多次测量，得到多组离散数据，这样可以拟合出刀柄-主轴结合部在某拉刀力作用下的径向力F与径向位移δ₃之间的关系曲线；进一步对所获得的径向力F与径向位移δ₃之间的函数关系进行求导，可以获得刀柄-主轴结合部的径向刚度K:

$K=\frac{\mathrm{dF}}{d{\mathrm{\δ}}_3}$