CN110936228A - 一种径向动态铣削载荷加载试验装置 - Google Patents

一种径向动态铣削载荷加载试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种径向动态铣削载荷加载试验装置，其特征在于，它包括：机架，安装于机架的主轴和Y向换刀调节机构，刀具模拟组件安装于主轴上，Z向换刀调节机构借助Y轴滑板与Y向换刀调节机构相连，载荷微调机构借助Z轴滑板与Z向换刀调节机构相连。本发明采用接触加载，借助盘形模拟凸轮尺寸和廓形的变化来改变铣削过程中主轴径向受力，通过模拟凸轮廓形的突变来模拟铣削过程中切削力的突变，借助Y向换刀调节机构和Z向换刀调节机构来模拟在切削加工过程中刀具的更换，模拟真实、试验成本低，考虑工况因素更全面。

Description

一种径向动态铣削载荷加载试验装置
技术领域
本发明涉及一种铣床主轴铣削力模拟加载试验装置，特别涉及一种对铣床主轴工作中的径向动态铣削载荷进行模拟加载的试验装置。
背景技术
作为机床的核心功能部件，主轴的工作性能直接决定着机床尤其是数控机床加工的工艺水平，精度保持性是评价机床主轴加工精度和工作稳定性的重要内容。对主轴进行径向模拟加载试验以便准确掌握主轴的动静态特性是进行主轴可靠性与精度保持性评价的重要内容之一。当前对机床主轴进行径向模拟加载的研究很多，主要分为两个方向：一类是是非接触式加载；第二类接触式加载。然而现有的关于主轴径向加载的试验研究中，无论是非接触式径向加载或者是接触式径向加载都更多地采用定常载荷，该种模拟加载方式更多地考虑到了切削用量、工件材质、刀具材料等不同对切削力的影响，而刀具结构变化对切削力波动的影响、刀具切入/切出过程中切削力的波动和振动等并没有被考虑。
机床主轴系统是一个典型的轴承-转子系统，由于切削力的波动以及切削颤振的影响，都将引起机床主轴加工过程中的负载变化，而这将影响到轴承-转子系统的摩擦磨损和工作寿命。因而迫切需要建立一套机床主轴模拟加载试验装置来研究主轴的动静态特性。
发明内容
本发明针对当前铣床主轴铣削力模拟加载试验方面的不足，提出一种实现简单、能模拟刀具结构变化以及刀具切入/切出过程中切削力波动的径向动态铣削载荷接触式加载试验装置。
实现上述目的的技术方案是：一种径向动态铣削载荷加载试验装置，包括机架，安装于机架的主轴和Y向换刀调节机构，刀具模拟组件安装于主轴上，Y向换刀调节机构上设置有Y轴滑板，Y轴滑板上安装有Z向换刀调节机构，Z向换刀调节机构上设置有Z轴滑板，载荷微调机构安装于Z轴滑板上；
所述刀具模拟组件包括模拟刀柄，沿模拟刀柄轴线依次安装于模拟刀柄上的模拟两刃圆柱铣刀的模拟凸轮I、模拟三刃圆柱铣刀的模拟凸轮II、模拟四刃圆柱铣刀的模拟凸轮III和模拟五刃圆柱铣刀的模拟凸轮IV，在相邻的两模拟凸轮之间依次设置有凸轮挡环IV、凸轮挡环III和凸轮挡环II；
所述模拟凸轮I、模拟凸轮II、模拟凸轮III、模拟凸轮IV均为盘形凸轮，模拟凸轮I、模拟凸轮II、模拟凸轮III、模拟凸轮IV的廓形依次与两刃圆柱铣刀、三刃圆柱铣刀、四刃圆柱铣刀和五刃圆柱铣刀铣削时的铣刀一转内铣削力的波动相一致；
所述模拟凸轮I、模拟凸轮II、模拟凸轮III、模拟凸轮IV的凸轮轮廓上任一点距凸轮回转中心的距离依次正比于两刃圆柱铣刀、三刃圆柱铣刀、四刃圆柱铣刀和五刃圆柱铣刀铣削时其对应铣削力的径向分量；
所述Y向换刀调节机构包括Y轴丝杠、Y轴联轴器和Y轴电机，Y轴电机通过Y轴联轴器驱动Y轴丝杠回转从而驱动Y轴螺母安装架运动，进而带动Y轴滑板移动，Y轴滑板带动Z向换刀调节机构实现Y轴方向运动；
所述Z向换刀调节机构包括Z轴丝杠、Z轴联轴器与Z轴电机，Z轴电机通过Z轴联轴器驱动Z轴丝杠回转从而驱动Z轴螺母安装架带动Z轴滑板运动，进而带动载荷微调机构实现Z向移动；
所述载荷微调机构包括载荷架支座，载荷架支座上设置有载荷调节螺钉，载荷调节螺钉上段与载荷微调架相连，载荷微调架两侧设置有载荷架导柱I和载荷架导柱II，活塞缸体设置于载荷微调架上，活塞缸体缸底设置有弹簧，弹簧一端与活塞轴相连，活塞轴末端安装有加载轴承；
所述加载轴承为深沟球轴承；
所述主轴由变频器驱动实现转速调节。
本径向动态铣削载荷加载试验装置工作时，由变频器设定工作频率进而驱动主轴按设定转速回转，主轴带动刀具模拟组件回转，安装于模拟刀柄的模拟凸轮回转推动安装于载荷微调机构的加载轴承沿活塞轴轴线移动来实现模拟径向动态铣削载荷加载。
本发明采用接触加载，借助盘形模拟凸轮尺寸和廓形的变化来改变铣削过程中主轴径向受力，通过模拟凸轮廓形的突变来模拟铣削过程中铣刀切削刃的切入和切出，更能真实地反映铣削过程中切削力的波动情况，借助模拟凸轮廓形的突变来实现切削力的突变，进而亦可实现铣削过程中颤振的模拟加载，加载方案更接近实际工况。
本发明借助安装于模拟刀柄上的盘形模拟凸轮I、模拟凸轮II、模拟凸轮III和模拟凸轮IV分别来模拟两刃圆柱铣刀、三刃圆柱铣刀、四刃圆柱铣刀和五刃圆柱铣刀，借助Y向换刀调节机构和Z向换刀调节机构来实现加载轴承与模拟凸轮的接近和远离，进而模拟在切削加工过程中刀具的更换，更能真实地反映不同结构刀具对主轴性能的影响，试验数据更真实、更有对比性。
本发明通过更换具有不同尺寸和廓形的模拟凸轮可模拟切削用量、刀具材质、工件材质等改变造成的铣削力的变化，模拟工况调节更快捷。
借助本发明，试验人员仅需根据需要制作和更换具有不同尺寸和廓形的刀具模拟凸轮即可在试验中实现刀具结构、刀具尺寸、切削用量、工件材质以及刀具材质的加载试验，试验成本低，考虑工况因素更全面。
附图说明
图1是径向动态铣削载荷加载试验装置的布局图。
图2是径向动态铣削载荷加载试验装置的部分俯视图。
图3是模拟凸轮I的俯视图，图4是模拟凸轮II的俯视图，图5是模拟凸轮III的俯视图，图6是模拟凸轮IV的俯视图。
图中：机架(1)，刀具模拟组件(2)，主轴(3)，模拟刀柄(4)，载荷微调机构(5)，模拟凸轮I(6)，模拟凸轮II(7)，模拟凸轮III(8)，模拟凸轮IV(9)，加载轴承(10)，活塞轴(11)，活塞缸体(12)，载荷微调架(13)，载荷架导柱I(14)，载荷架导柱II(15)，载荷架支座(16)，载荷调节螺钉(17)，Z轴滑板(18)，Z轴螺母安装架(19)，Z向换刀调节机构(20)，Z轴电机(21)，Z轴联轴器(22)，Z轴丝杠(23)，Y轴滑板(24)，Y轴丝杠(25)，Y向换刀调节机构(26)，Y轴联轴器(27)，Y轴电机(28)，变频器(29)，弹簧(30)，凸轮挡环I(31)，凸轮挡环II(32)，凸轮挡环III(33)，凸轮挡环IV(34)，凸轮挡环V(35)，Y轴螺母安装架(36)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种径向动态铣削载荷加载试验装置，包括机架(1)，安装于机架(1)的主轴(3)和Y向换刀调节机构(26)，刀具模拟组件(2)安装于主轴(3)上，Y向换刀调节机构(26)上设置有Y轴滑板(24)，Y轴滑板(24)上安装有Z向换刀调节机构(20)，Z向换刀调节机构(20)上设置有Z轴滑板(18)，载荷微调机构(5)安装于Z轴滑板(18)上；
所述刀具模拟组件(2)包括模拟刀柄(4)，依次安装于模拟刀柄(4)上的模拟凸轮I(6)、模拟凸轮II(7)、模拟凸轮III(8)和模拟凸轮IV(9)，在相邻的模拟凸轮I(6)和模拟凸轮II(7)之间设置有凸轮挡环IV(34)，模拟凸轮II(7)和模拟凸轮III(8)设置有凸轮挡环III(33)，模拟凸轮III(8)和模拟凸轮IV(9)之间设置有凸轮挡环II(32)；
所述模拟凸轮I(6)模拟铣削时两刃圆柱铣刀，模拟凸轮I(6)凸轮轮廓上任一点距凸轮回转中心的距离正比于铣削时铣削力的径向分量；
所述模拟凸轮II(7)模拟铣削时三刃圆柱铣刀，模拟凸轮II(7)凸轮轮廓上任一点距凸轮回转中心的距离正比于铣削时铣削力的径向分量；
所述模拟凸轮III(8)模拟铣削时四刃圆柱铣刀，模拟凸轮III(8)凸轮轮廓上任一点距凸轮回转中心的距离正比于铣削时铣削力的径向分量；
所述模拟凸轮IV(9)模拟铣削时五刃圆柱铣刀，模拟凸轮IV(9)凸轮轮廓上任一点距凸轮回转中心的距离正比于铣削时铣削力的径向分量；
所述Y向换刀调节机构(26)包括Y轴丝杠(25)，Y轴丝杠(25)通过Y轴联轴器(27)与Y轴电机(28)相连接，Y轴丝杠(25)借助Y轴螺母安装架(36)驱动Y轴滑板(24)移动；
所述Z向换刀调节机构(20)包括Z轴丝杠(23)，Z轴丝杠(23)通过Z轴联轴器(22)与Z轴电机(21)相连接，Z轴丝杠(23)借助Z轴螺母安装架(19)驱动Z轴滑板(18)移动带动载荷微调机构(5)实现Z向运动；
所述载荷微调机构(5)包括载荷架支座(16)，载荷架支座(16)上设置有载荷调节螺钉(17)，载荷调节螺钉(17)上段与载荷微调架(13)相连，载荷微调架(13)两侧设置有载荷架导柱I(14)和载荷架导柱II(15)，活塞缸体(12)设置于载荷微调架(13)上，活塞缸体(12)缸底与弹簧(30)一端相连，弹簧(30)另一端与活塞轴(11)相连，活塞轴(11)末端安装有加载轴承(10)；
所述加载轴承(10)为深沟球轴承；
所述主轴(3)由变频器(29)驱动实现转速调节。
在本实施实例中：径向动态铣削载荷加载试验装置工作时，由变频器(29)设定工作频率进而驱动主轴(3)按设定转速回转，主轴(3)带动刀具模拟组件(2)回转，安装于模拟刀柄(4)的模拟凸轮回转推动安装于载荷微调机构(5)的加载轴承(10)沿活塞轴(11)轴线移动来实现模拟径向动态铣削载荷加载。
在本实施实例中：借助Y向换刀调节机构(26)驱动Y轴滑板(24)运动带动Z向换刀调节机构实现Y轴方向移动，从而实现载荷微调机构(5)的Y轴方向运动。
在本实施实例中：借助Z向换刀调节机构驱动Z轴滑板(18)运动带动载荷微调机构(5)实现Z轴方向运动。
在本实施实例中：通过载荷调节螺钉(17)调节载荷微调架(13)沿载荷架导柱I(14)和载荷架导柱II(15)移动量，进而调弹簧(30)的压缩量，以此来模拟铣削过程中的初始径向铣削载荷的调节。
在本实施实例中：通过Z向换刀调节机构和Y向换刀调节机构的配合运动来带动载荷微调机构(5)的加载轴承(10)实现与不同模拟凸轮的接近和远离，进而模拟刀具的更换。
在本实施实例中：通过更换具有不同尺寸和廓形的模拟凸轮来模拟切削用量、刀具结构、刀具尺寸、刀具材质、工件材质等改变。

Claims (1)

1.一种径向动态铣削载荷加载试验装置，其特征在于，它包括：机架(1)，安装于机架(1)的主轴(3)和Y向换刀调节机构(26)，刀具模拟组件(2)安装于主轴(3)上，Z向换刀调节机构(20)借助Y轴滑板(24)与Y向换刀调节机构(26)相连，Z轴滑板(18)安装于Z向换刀调节机构(20)上，载荷微调机构(5)安装于Z轴滑板(18)上；
所述刀具模拟组件(2)包括模拟刀柄(4)，沿模拟刀柄(4)轴线依次安装于模拟刀柄(4)上的模拟两刃圆柱铣刀的盘形模拟凸轮I(6)、模拟三刃圆柱铣刀的盘形模拟凸轮II(7)、模拟四刃圆柱铣刀的盘形模拟凸轮III(8)和模拟五刃圆柱铣刀的盘形模拟凸轮IV(9)，模拟凸轮I(6)、模拟凸轮II(7)、模拟凸轮III(8)和模拟凸轮IV(9)的廓形依次与两刃圆柱铣刀、三刃圆柱铣刀、四刃圆柱铣刀和五刃圆柱铣刀铣削时的铣刀一转内铣削力的波动相一致；
所述载荷微调机构(5)包括载荷架支座(16)，载荷架支座(16)上设置有载荷调节螺钉(17)，载荷调节螺钉(17)上段与载荷微调架(13)相连，活塞缸体(12)设置于载荷微调架(13)上，活塞缸体(12)缸底设置有弹簧(30)，弹簧(30)一端与活塞轴(11)相连，活塞轴(11)末端安装有深沟球加载轴承(10)。
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