专利名称：主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置及试验方法
技术领域：
本发明涉及机床性能测试技术领域，特别涉及一种主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置及试验方法。
背景技术：
主轴系统安装刀具后，由于锥面在轴向有一定的限位作用，因此，便通过拉刀系统在轴向施加一定的拉力使得刀柄和主轴锥套紧密的结合在一起。同时为了保证在切削加工过程中刀柄和主轴锥套间具有足够的刚度以保证加工工件的精度，因此研究在刀柄和主轴锥套间的动力学特性显得尤为重要。结合面的静动态特性与结合面间的作用力有着密切的关系。为了得到结合面静动态特性随接触条件的变化规律，分别研究轴向加载和切向加载时结合面表现出的静动态特性。由于锥度结合面的动力学特性与结合面的预紧力、结构尺寸、锥面硬度、表面接触精度等有着密切的联系，因此应考虑以上不同结合条件下其表现出的综合力学特性。获取主轴锥套和刀柄结合面综合力学特性对研究数控机床主轴系统的力学特性有着重要的作用。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷，本发明提出了一种主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置及试验方法。为达到上述目的，本发明一方面提出一种主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，包括工作台；设置于所述工作台之上的可用于吊装试件的支架；设置在所述工作台之中的可实现多种结合面形式更换的主轴锥套与刀柄结合部的组合件，其中，所述主轴锥套的一端夹持所述刀柄；和轴向加载器，所述轴向加载器与所述主轴锥套相连以向所述刀柄施加沿着结合面圆锥轴心线方向的加载。在本发明的一个实施例中，还包括径向加载器，所述径向加力器与所述刀柄接触，并向所述刀柄施加垂直于结合面圆锥轴心线方向的加载。在本发明的一个实施例中，还包括设置在所述支架之上且与所述刀柄同轴向的激振器，用于向试件施加动态激励。在本发明的一个实施例中，所述径向加载器包括设置在所述工作台之上的支撑块；和由所述支撑块支撑的径向加力器，所述径向加力器向所述刀柄施加垂直于结合面圆锥轴心线方向的加载。在本发明的一个实施例中，所述轴向加载器包括拉钉，所述主轴锥套的另一端夹持所述拉钉；拉杆，所述拉杆与所述拉钉相连；蜗轮，所述蜗轮套接在所述拉杆之上；与所述蜗轮相匹配的蜗杆；与所述蜗杆相连的万向轴；和与所述万向轴相连的手轮。在本发明的一个实施例中，所述万向轴为可伸缩万向轴。在本发明的一个实施例中，所述轴向加载器还包括与所述拉杆的一端相连的导向杆。
在本发明的一个实施例中，所述轴向加载器还包括与所述导向杆相配合的限位块以对所述导向杆进行导向限位。在本发明的一个实施例中，所述轴向加载器还包括套接在所述拉杆之外的碟簧。在本发明的一个实施例中，所述蜗轮和蜗杆设置在齿轮箱内。在本发明的一个实施例中，还包括设置在碟簧上端的力传感器。在本发明的一个实施例中，所述主轴刀柄结合形式包括BT40型、BT50型、BT60型、 HSK63 型、HSK100 型。在本发明的一个实施例中，当所述主轴为HSK63型或HSK100型主轴时，还包括与所述拉钉配合的拉爪。本发明还提出了一种采用如上所述试验装置进行主轴与刀柄结合面静动态特性的试验方法，包括以下步骤将主轴锥套安装并固定至工作台；上提导向杆并安装拉钉和刀柄至拉杆，松开所述导向杆并使所述主轴锥套和所述刀柄紧密结合；和根据实验需要选择径向加载器和/或轴向加载器进行加载以进行试验，并根据测试结果进行试验分析。在本发明的一个实施例中，其中，当进行静刚度试验时具体包括将所述径向加载器固定于所述工作台，并使所述径向加载器在初始位置时的顶杆端面与所述刀柄顶部一侧平面平行并保持接触；和将位移测试设备通过磁力架吸附于所述主轴锥套上，并使所述位移测试设备与所述刀柄一侧平面接触，并确保位移测试方向与力加载方向一致。在本发明的一个实施例中，还包括调试所述轴向加载系统，以使拉刀力达到结合面测试类型要求标准值范围内；调试所述径向加力器及所述位移测试设备；在预加载卸载后，在等间隔径向使力情况下记录所述刀柄相对于所述主轴锥套的位移变化情况；和改变所述轴向拉刀力，并重复以上步骤，以获取不同拉刀力下所述刀柄与所述主轴结合面的静刚度。在本发明的一个实施例中，其中，当进行动态试验时具体包括调试所述轴向加载系统，以使拉刀力达到结合面测试类型要求标准值范围内；根据结构的等效动力学模型，分别通过多通道数据采集器获取激振后所述主轴锥套和所述刀柄的振动信号，并通过相应算法计算结合面参数；获取所述结合面的动刚度及阻尼值；和改变轴向拉刀力，重复以上步骤，以获取不同拉刀力下主轴刀柄结合面的动态特性数据。本发明实施例的试验装置用于测试和分析主轴与刀柄间的锥度结合面的静动态静动态特性，可研究不同材料、拉刀力、接触形式、锥面硬度、表面接触精度等因素对主轴刀柄结合面刚度及阻尼的影响规律，从而用以分析和优化数控机床的主轴系统并为其性能仿真提供支持。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图1为本发明实施例的BT40型主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置剖面图；图加为本发明实施例的BT50型主轴与刀柄结合部组合件剖面图2b为本发明实施例的BT60型主轴与刀柄结合部组合件剖面图；图2c为本发明实施例的HSK63型主轴与刀柄结合部组合件剖面图；图2d为本发明实施例的HSK100型主轴与刀柄结合部组合件剖面图；图3为本发明实施例的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置左视图；图4为本发明实施例的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置等轴视图；图5和6为本发明实施例的轴向加载器原理图。标号说明1主轴锥套，2刀柄，3激振器，4支架，5支撑块，6径向加力器，7工作台，8上端盖， 9侧板，10齿轮箱，11拉钉，12拉杆，13力传感器，14套筒，15碟簧，16滑块1，17移动滑套， 18可动螺母，19蜗轮，20轴承座，21手轮，22可伸缩万向轴，23限位块，24定向杆，25下端盖J6蜗杆，27拉爪。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本发明实施例的试验装置用于测试和分析主轴与刀柄间的锥度结合面的静动态静动态特性，可研究不同材料、拉刀力、接触形式、锥面硬度、表面接触精度等因素对主轴刀柄结合面刚度及阻尼的影响规律，从而用以分析和优化数控机床的主轴系统并为其性能仿真提供支持。如图1所示，为本发明实施例的BT40型主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置剖面图。如图加所示，为本发明实施例的BT50型主轴与刀柄结合部组合件剖面图；如图2b所示，为本发明实施例的BT60型主轴与刀柄结合部组合件剖面图；如图2c所示，为本发明实施例的HSK63型主轴与刀柄结合部组合件剖面图；如图2d所示，为本发明实施例的HSK100 型主轴与刀柄结合部组合件剖面图；如图3所示，为本发明实施例的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置左视图。如图4所示，为本发明实施例的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置等轴视图。如图5和6所示，为本发明实施例的轴向加载器原理图。其中，该主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置包括支架4，固定在支架4之中的工作台7，设置在工作台7之中的主轴锥套1与刀柄2，其中，主轴锥套1的一端夹持刀柄2， 以及径向加载器和轴向加载器。其中，径向加力器与刀柄2接触，并向刀柄2施加垂直于结合面圆锥轴心线方向的加载，轴向加载器与通过拉钉11及拉爪27与刀柄2相连以向主轴锥套1与刀柄2结合面施加沿着结合面圆锥轴心线方向的加载。在本发明的一个实施例中，所述主轴刀柄结合形式包括BT40型、BT50型、BT60型、 HSK63 型、HSK100 型。具体地，在本发明的一个实施例中，径向加载器包括设置在工作台7之上的支撑块5，和由支撑块5支撑的径向加力器6，其中，该径向加力器6向刀柄2施加垂直于结合面圆锥轴心线方向的加载。在本发明的其他实施例中，还可选择其他的径向加载方式进行加载，在此不再赘述。具体地，在本发明的一个实施例中，轴向加载器包括上端盖8、侧板9、齿轮箱10、拉钉11、拉杆12、力传感器13、套筒14、碟簧15、滑块16、移动滑套17、可动螺母18、蜗轮 19、轴承座20、手轮21、万向轴22、限位块23、导向杆M、下端盖25、蜗杆沈、拉爪27。如图 5和6所示，为本发明实施例的轴向加载器的原理图。其中，主轴锥套1的另一端夹持拉钉 11，拉杆12与拉钉11相连，蜗杆沈与蜗轮19相匹配，万向轴22分别与手轮21和蜗杆沈相连，碟簧15套接在拉杆12之外。且，导向杆M与拉杆12的一端相连，限位块23与导向杆M相配合以对导向杆M进行导向限位。在本发明的一个优选实施例中，万向轴22为可伸缩万向轴。在本发明的一个实施例中，该主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置还包括设置在支架4之上且与刀柄2同轴向的激振器3，以及力传感器13、加速度传感器和多通道数据采集器。其中，通过更换主轴锥套1和刀柄2组合件可实现HSK、SK、BT系列主轴锥套和刀柄间锥度结合面的静动态性能测试。本发明主要由以下几个部分组成试验台架、主轴锥套刀柄结合面、轴向力加载装置、切向力加载器和测试系统，其中1、试验台架是试验装置的支撑部分，例如试验台架包括支架4及工作台7等。试验过程中要求试验台架的具有足够的刚度以保证试验过程中不会因为试验台架的变形造成较大的误差。为此，设计过程中，轴向力相对于试验主轴锥套设计为闭环，即试验台仅承受试验试件及轴向加力系统的自重。同时，在50KN力作用于主轴锥套底端圆环面下，通过对工作台的静动态仿真分析，经过结构优化(合理设计试验台架的形式、壁厚、筋板布置等) 使其对试验本身的影响降到最低；2、主轴锥套刀柄结合面是试验装置研究中的主要部分，例如可包括主轴锥套1和刀柄2。本发明的主轴锥套和刀柄结合面和数控机床上所使用的一致。为了能在同一试验装置上，实现对多种类型的主轴锥套和刀柄的结合面特性的研究，试验装置所设计的主轴锥套外表面的形状和实际数控机床上所采用的心轴结构有一定区别，增大了主轴锥套厚度， 以避免加力过程中发生变形影响结合面特性参数的测定。本发明中主轴锥套包括了 HSK63、 100，及BT40、50、60等数控机床主轴刀柄的结合形式，每种结合面在设计时设定了三种材料，四个等级的接触硬度和三个等级的接触精度。3、力加载器是研究结合面特性的辅助装置。由于影响结合面特性的最主要因素是结合面间力的作用。力加载器包括轴向力加载器和切向力加载器，分别实现沿着结合面圆锥轴心线方向的加载和垂直于结合面圆锥轴心线方向的加载。轴向力加载器用以实现沿着结合面圆锥轴心线方向的加载，也是整个结构的关键部件。锥度结合面间的结合力主要来自于刀柄2末端的拉钉11施加在刀柄2末端的拉力。 而在试验装置中，拉钉11的拉力来在于轴向力加载器。试验台中轴向力加载是通过手动旋转的方式实现的，然后通过一系列的传动机构实现力的放大。其中最主要的传动部件是可伸缩万向轴、蜗轮蜗杆和丝杆螺母机构等。以下参照图5和图6对轴向加载器的原理进行分析。当旋转手轮21时，手轮21 带动万向轴22旋转，并将转矩传递至蜗轮19。同时为了保证结构具有一定的自由度，使得结构能自由运动，所使用的万向轴22是可伸缩的万向轴。当转矩传递到蜗杆沈及蜗轮19 后，然后通过蜗杆沈及蜗轮19减速，此时的转矩增大，方向是沿着蜗轮19的轴向方向。同时，在本发明的实施例中，蜗杆沈及蜗轮19具有一定的自锁功能，能保证加载后机构不回自行卸载。蜗杆26旋转后将带动与蜗杆沈固定在一起的螺母旋转。此外，由于蜗杆沈外侧顶住外壳，因此蜗杆沈将带动螺母一起旋转的也将带着螺母向下运动。同时也将压紧轴向加载器中的碟簧15，从而可以产生一定的轴向反作用力。在本发明的优选实施例中，为了防止拉杆12拉伸过程中出现旋转运动，在拉杆12的末端另接一根方形导向杆M。此外为了防止结构超行程运动，在结构中还设计有导向限位。通过一系列的结构便实现了拉紧拉杆12，从而实现拉紧刀柄2与主轴锥套1结合面的目的。同时在拉杆12中安装拉力传感器 13，用以测量加载时拉杆12对刀柄2的拉刀力。本发明实施例的轴向加载装置可实现涵盖本发明中涉及到的所有类型的主轴拉刀力要求，最大加载力50KN，加载精度1N，可控性和可操作性好。此外，在本发明的其他实施例中还安装一定的测试设备以实现对结合面参数的识别。主要的测试设备包括力传感器、加速度传感器、激振器、多通道数据采集器等。本发明结构合理、可操作性强，能完全满足试验过程中的各种要求。利用此试验装置可满足不同主轴锥套刀柄、不同拉刀力，不同切向力下结合面参数识别。测试刀柄与主轴锥套结合面静刚度、动刚度及动阻尼。研究结合面材料，刀柄形式、锥度，拉刀力，表面质量等因素对结合面刚度和阻尼的影响规律。本发明实施例以主轴刀柄与主轴锥套结合面为研究对象，对固定锥度结合面的静、动态特性进行研究，建立结构的动力学模型并对结合面的特征参数进行识别。本发明先根据主轴、刀柄的实际结构及受力特性，设计试验模型，并用稳态正弦激励法对试验进行模态试验，获得不同接触状况下的频率响应函数，然后在结合面集中参数模型的基础上分别建立结构在纵向、横向激振力作用下的动力学模型。结合试验数据、通过频响函数法获取结合的参数。可实现的测试内容包括以下几方面1、拉刀力对结合面静刚度、动刚度(阻尼)的影响；2、结合面材料对结合面静刚度、动刚度(阻尼)的影响；3、刀柄结构形式及配合方式对静刚度、动刚度(阻尼)的影响；4、锥面硬度对结合面静刚度、动刚度(阻尼)的影响；5、锥面接触精度对对结合面静刚度、动刚度(阻尼)的影响；6、振动频率对结合面动刚度(阻尼)的影响；7、结合面动态相对位移幅值对结合面动刚度(阻尼)的影响。以下将结合上述主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，对该装置的操作方法进行介绍，具体包括以下步骤步骤1 将轴向拉刀机构置于初始位置，安装主轴锥套1、并用螺钉将其固定于工作台7上，各螺钉预紧力大小一致，将导向杆M上提，限位块23限制导向杆M轴向旋转， 先后安装拉钉11及刀柄2至拉杆13，拧紧后，松开导向杆M使刀柄2与主轴锥套1紧密结合。根据试验需求，可分别换装HSK63、100，BT及SK40、50、60主轴锥套及刀柄进行试验。步骤2 安装和调整径向加力器6和测试设备。在进行静刚度试验时，将径向加力器6固定于工作台7上，并使径向加力器6在初始位置时的顶杆端面与刀柄顶部一侧平面平行并保持接触；将位移测试设备通过磁力架吸附于主轴锥套1上，使位移测试设备与刀柄2 —侧平面接触，并确保位移测试方向与力加载方向一致。在进行动态试验时，刀柄2顶面相对于侧面平面过刀柄2中心线均布多两个三项加速度传感器，刀柄2顶部两侧平面过刀柄2中心线各布置多一个三项加速度传感器，主轴锥套1上端平面靠近刀柄2的圆周方向均布相应四个三项加速度传感器，在激振器3上联接激振杆且至刀柄2顶端外置位置，并联接调试好动态测试系统。步骤3 结合面特性参数测试分析。在进行静刚度试验时，首先调试轴向加载系统，使拉刀力达到结合面测试类型要求标准值范围内，然后调试径向加力器6及位移测试设备，预加载卸载后，在等间隔径向使力情况下记录刀柄2相对于主轴锥套1的位移变化情况；改变轴向拉刀力，重复以上步骤，获取不同拉刀力下主轴刀柄2结合面的静刚度。在进行动态试验时，首先调试轴向加载系统，使拉刀力达到结合面测试类型要求标准值范围内， 然后根据结构的等效动力学模型，分别通过多通道数据采集器获取激振后主轴锥套1和刀柄2的振动信号，并通过相应算法计算结合面参数，获取结合面的动刚度及阻尼值；改变轴向拉刀力，重复以上步骤，获取不同拉刀力下主轴刀柄结合面的动态特性数据。步骤4 更换主轴刀柄结合部组合件，例如更换为BT50型(图加)、BT60型(图 2b)、HSK63型(图2c)、HSK100型(图2d)，重复上述1、2、3步骤，测试不同材料、锥面硬度、 介质条件、表面接触精度、载荷情况下的结合面特性情况。本发明实施例通过力加载器施加的轴向力和切向力可以分别实现沿着结合面圆锥轴心线方向的加载和垂直于结合面圆锥轴心线方向的加载，并通过更换所述的多种形式的主轴锥套与刀柄结合部组合件，从而能够准确地获得主轴与刀柄结合面静动态特性。本发明实施例的试验装置用于测试和分析主轴与刀柄间的锥度结合面的静动态静动态特性， 可研究不同材料、拉刀力、接触形式、锥面硬度、表面接触精度等因素对主轴刀柄结合面刚度及阻尼的影响规律，从而用以分析和优化数控机床的主轴系统并为其性能仿真提供支持。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
权利要求
1.一种主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，其特征在于，包括 工作台；设置于所述工作台之上的可用于吊装试件的支架；设置在所述工作台之中的可实现多种结合面形式更换的主轴锥套与刀柄结合部的组合件，其中，所述主轴锥套的一端夹持所述刀柄；和轴向加载器，所述轴向加载器与所述主轴锥套相连以向所述刀柄施加沿着结合面圆锥轴心线方向的加载。
2.如权利要求1所述的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，其特征在于，还包括 径向加载器，所述径向加力器与所述刀柄接触，并向所述刀柄施加垂直于结合面圆锥轴心线方向的加载。
3.如权利要求1所述的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，其特征在于，还包括 设置在所述支架之上且与所述刀柄同轴向的激振器，用于向试件施加动态激励。
4.如权利要求1所述的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，其特征在于，所述径向加载器包括设置在所述工作台之上的支撑块；和由所述支撑块支撑的径向加力器，所述径向加力器向所述刀柄施加垂直于结合面圆锥轴心线方向的加载。
5.如权利要求1所述的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，其特征在于，所述轴向加载器包括拉钉，所述主轴锥套的另一端夹持所述拉钉； 拉杆，所述拉杆与所述拉钉相连； 蜗轮，所述蜗轮套接在所述拉杆之上； 与所述蜗轮相匹配的蜗杆； 与所述蜗杆相连的万向轴；和与所述万向轴相连的手轮。
6.如权利要求5所述的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，其特征在于，所述万向轴为可伸缩万向轴。
7.如权利要求5所述的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，其特征在于，所述轴向加载器还包括与所述拉杆的一端相连的导向杆。
8.如权利要求7所述的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，其特征在于，所述轴向加载器还包括与所述导向杆相配合的限位块以对所述导向杆进行导向限位。
9.如权利要求7所述的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，其特征在于，所述轴向加载器还包括套接在所述拉杆之外的碟簧。
10.如权利要求5所述的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，其特征在于，所述蜗轮和蜗杆设置在齿轮箱内。
11.如权利要求9所述的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，其特征在于，还包括设置在碟簧上端的力传感器。
12.如权利要求1所述的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，其特征在于，所述主轴刀柄结合形式包括BT40型、BT50型、BT60型、HSK63型、HSK100型。
13.如权利要求12所述的主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，其特征在于，当所述主轴为HSK63型或HSK100型主轴时，还包括与所述拉钉配合的拉爪。
14.一种采用如权利要求1-13任一项试验装置进行主轴与刀柄结合面静动态特性的试验方法，其特征在于，包括以下步骤将主轴锥套安装并固定至工作台；上提导向杆并安装拉钉和刀柄至拉杆，松开所述导向杆并使所述主轴锥套和所述刀柄紧密结合；和根据实验需要选择径向加载器和/或轴向加载器进行加载以进行试验，并根据测试结果进行试验分析。
15.如权利要求14所述的试验方法，其特征在于，其中，当进行静刚度试验时具体包括将所述径向加载器固定于所述工作台，并使所述径向加载器在初始位置时的顶杆端面与所述刀柄顶部一侧平面平行并保持接触；和将位移测试设备通过磁力架吸附于所述主轴锥套上，并使所述位移测试设备与所述刀柄一侧平面接触，并确保位移测试方向与力加载方向一致。
16.如权利要求15所述的试验方法，其特征在于，还包括调试所述轴向加载系统，以使拉刀力达到结合面测试类型要求标准值范围内； 调试所述径向加力器及所述位移测试设备；在预加载卸载后，在等间隔径向使力情况下记录所述刀柄相对于所述主轴锥套的位移变化情况；和改变所述轴向拉刀力，并重复以上步骤，以获取不同拉刀力下所述刀柄与所述主轴结合面的静刚度。
17.如权利要求14所述的试验方法，其特征在于，其中，当进行动态试验时具体包括 调试所述轴向加载系统，以使拉刀力达到结合面测试类型要求标准值范围内；根据结构的等效动力学模型，分别通过多通道数据采集器获取激振后所述主轴锥套和所述刀柄的振动信号，并通过相应算法计算结合面参数； 获取所述结合面的动刚度及阻尼值；和改变轴向拉刀力，重复以上步骤，以获取不同拉刀力下主轴刀柄结合面的动态特性数据。
全文摘要
本发明提出一种主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置，包括工作台；设置于工作台上方的可用于吊装试件的支架；设置在所述工作台之中的可实现多种结合面形式更换的主轴锥套与刀柄结合部组合件，所述主轴锥套的一端夹持所述刀柄；轴向加载器，所述轴向加载器通过拉钉及拉爪与所述刀柄主轴锥套相连以向所述主轴锥套与刀柄结合面施加沿着结合面圆锥轴心线方向的加载。本发明还提出了一种锥形结合面静动态特性试验方法。利用所述的试验装置，选取不同的结合部组合件，本发明实施例能够测试不同材料、拉刀力、接触形式、锥面硬度、表面接触精度等因素对主轴刀柄结合面刚度及阻尼的影响规律，从而准确地获得主轴与刀柄结合面静动态特性。
文档编号G01M7/02GK102207420SQ201110061668
公开日2011年10月5日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者冯平法, 吴志军, 张建富, 许超, 郁鼎文 申请人:清华大学