一种可变刚度主轴的机械式测试台架

1.本发明涉及主轴-轴承系统的性能测试领域，具体涉及一种可变刚度主轴的机械式测试台架。


背景技术：

2.滚动轴承是决定整个回转系统性能的关键零件之一，数控机床主轴支承根据主轴部件的转速、承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。在主轴-轴承系统中，轴承的刚度主要受轴承预紧配置方式、预紧力的大小、轴承配对方式、轴承与轴的配合、主轴转速和轴承温升等因素决定。随着高速高精密加工技术要求的提高，进一步深入对主轴-轴承系统的稳定性研究，特别是研究轴承结合部刚度对主轴轴向窜动的影响。
3.然而，目前还没有一种能研究不同结合刚度情况下轴承支承对主轴窜动响应的测试装置。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术问题，本发明的目的是提供一种可变刚度主轴的机械式测试台架，该装置可解决因设计、使用和制造等原因造成轴承主轴间隙过大的问题；并且机架、主轴与轴承的结合部分直径可以进行缩放，在装配调试及使用过程中可以随时对轴承间隙进行调整，通过径向预紧力的变化，改变结合部刚度，尤其是在试运作过程中通过对间隙调整使主轴运转在一个较理想的指标状态下，是主轴稳定运转的有力保障因素之一。
5.为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
6.一种可变刚度主轴的机械式测试台架，由试验装置和仪器设备系统组成，试验装置包括法兰、大角度规、紧套、小角度规、膨胀螺栓、扳柱、机架、卡环、主轴、铸铁平台、带颈法兰和轴承；仪器设备系统包括力锤、压电式加速度传感器、动态信号测试分析仪和计算机；
7.所述的机架固定于铸铁平台上，在主轴的两端钻有锥螺纹孔，主轴和机架的两端各开有缝隙，所述缝隙为弹性缝隙，使主轴和机架的径向具有可弹缩性，能够通过进给变形施加不同的径向预紧力；
8.所述的轴承包括试验装置左部分中的圆柱滚子轴承、试验装置右部分中的角接触球轴承，所述机架与轴承的初始配合为间隙配合；所述主轴与轴承的初始配合为间隙配合；所述的紧套包括试验装置左侧的第一紧套、试验装置右侧的第二紧套，两端紧套旋紧，机架悬臂夹紧轴承外圈，第一紧套和第二紧套进给使机架与轴承外圈之间产生挤压；所述的膨胀螺栓包括试验装置左端第一膨胀螺栓、试验装置右端的第二膨胀螺栓，所述膨胀螺栓与主轴通过锥螺纹配合，膨胀螺栓的进给使主轴与轴承内圈之间产生挤压；
9.所述的主轴两端钻有盲孔，所述的机架两端外圆部分和主轴两端外圆部分各开有若干弹性缝隙，使机架与主轴径向具有可弹缩性；
10.所述的法兰和带颈法兰上加工有螺纹孔与腰型槽，带颈法兰与机架通过螺栓连
接，抵住轴承端面对两端轴承；法兰上具有扇形键槽，卡环外侧具有扇形键块，与法兰的扇槽配合，二者通过螺栓连接，环内圆有与槽宽相等的矩形键块，矩形键块卡入主轴上的弹性缝隙；
11.所述的小角度规套在卡环或法兰颈上，能够转动或前后滑动调整位置与膨胀螺栓的标线对齐；所述的大角度规套在机身外圆上，能够转动或前后滑动调整位置与紧套的标线对齐；
12.在膨胀螺栓上布置有压电式加速度传感器，压电式加速度传感器和力锤通过数据线和动态信号测试分析仪输入端相连，动态信号测试分析仪通过usb接口数据线连于电子计算机上。
13.机架外圆和膨胀螺栓外圆为两个外锥面，主轴内圆和紧套内圆为两个内锥面；膨胀螺栓和主轴通过内锥面分别与紧套和机架的外锥面进行螺纹配合。
14.膨胀螺栓外圆加工有六角螺栓头，膨胀螺栓的栓身与栓头中间部分加工成光滑锥面，锥面上刻有一段标线，与小角度规刻度对齐便于读取旋转角度；紧套与机架通过锥螺纹配合，紧套周面有均布的通孔，用于安装扳柱拧动紧套，紧套外圆上刻有标线，与大角度规刻度对齐便于读取旋转角度。
15.紧套与膨胀螺栓进给时，通过调整轴承内外圈与机架、主轴间的压力来改变接触刚度，轴承内外圈几乎没有产生挤压变形，因此紧套与膨胀螺栓进给时结合部刚度随径向预紧力的增大而增大。
16.小角度规端面上有20格刻度线，每格代表0.001mm；大角度规外圆上有20格刻度线，每格代表0.001mm。
17.所述的弹性缝隙为4mm宽，拧动紧套沿机架外圆锥螺纹旋转时，紧套每拧动360度，机架内孔缩小0.020mm，螺栓在腰型槽内径向移动，拧动膨胀螺栓沿主轴内圆锥螺纹旋转时，膨胀螺栓每拧动360度，主轴内孔涨大0.020mm。
18.卡环与法兰连接时，卡环的矩形键块嵌入主轴的弹性缝隙中，主轴固定不动，拧动紧套沿机架外圆锥螺纹旋转时，紧套的内圆锥面对机架两端的外圆锥面有挤压作用，由于机架上开有弹性缝隙，其内孔收缩，能够调整机架与轴承外圈的结合部刚度；拧动膨胀螺栓沿主轴内圆锥螺纹旋转时，膨胀螺栓的外圆锥面对主轴两端的内圆锥面有扩张作用。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.1)初始配合为间隙配合，安装完毕后再调整间隙采用过盈或过渡配合，便于试验前后装卸轴承。
21.2)开槽结构可以增加装置的径向弹缩性，锥螺纹配合可以合理稳定地调整配合间隙，改变轴承径向预紧力，从而改变结合部刚度，最好的控制主轴-轴承系统运转时的温度与振动。
22.3)两端轴承可以分别控制接入或断开主轴-轴承系统，测试各自的轴向刚度。
23.4)压电式加速度传感器实现主轴轴向窜动过程的数据监测，整个检测装置轴线置于同一水平面上，具有高效传动性能，有效提高检测精度。
附图说明
24.图1：本发明的整体工作结构示意图。
25.图2：本发明的试验装置剖视图。
26.图3：本发明可变刚度控制组件组装图。
27.图4：本发明进给控制组件组装图。
28.图5：本发明的主轴膨胀示意图。
29.图6：本发明的机架紧缩示意图。
30.图中：1-力锤，2-法兰，3-第二紧套，4-大角度规，5-第一紧套，6-小角度规，7-第一膨胀螺栓，8-压电式加速度传感器，9-扳柱，10-机架，11-卡环，12-主轴，13-第二膨胀螺栓，14-铸铁平台，15-动态信号测试分析仪，16-计算机，17-带颈法兰，18-圆柱滚子轴承，19-角接触球轴承。
具体实施方式
31.以下通过实施例的形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
32.参照图1和图2，一种可变刚度主轴的机械式测试台架，由试验装置和仪器设备系统组成，试验装置包括法兰2、第二紧套3、大角度规4、第一紧套5、小角度规6、第一膨胀螺栓7、扳柱9、机架10、卡环11、主轴12、第二膨胀螺栓13、铸铁平台14、带颈法兰17、圆柱滚子轴承18、角接触球轴承19；仪器设备系统包括力锤1、压电式加速度传感器8、动态信号测试分析仪15和计算机16。
33.参照图3，主轴12两端钻有一定深度的盲孔，机架10两端外圆部分和主轴12两端外圆部分各开有8条宽度为4mm的弹性缝隙，使机架10与主轴12径向具有可弹缩性；机架10外圆和膨胀螺栓外圆为两个外锥面，主轴12内圆和紧套内圆为两个内锥面。膨胀螺栓和主轴12通过内锥面分别与紧套和机架10的外锥面进行螺纹配合。
34.参照图4，带颈法兰17和法兰2上加工有螺纹孔与腰型槽，带颈法兰17与机架10通过螺栓连接，抵住轴承端面对两端轴承起到轴向定位的作用，腰型槽作为机架10变形时，连接螺栓的移动预留量。卡环11外侧的扇形键块与法兰2的扇槽配合，并通过螺栓连接，内侧的矩形键块卡入主轴12上的弹性缝隙，防止旋转膨胀螺栓时，主轴12产生周向运动。小角度规6套在卡环11或法兰颈上，可以转动或前后滑动调整位置与膨胀螺栓的标线对齐，小角度规6端面上有20格刻度线，每格代表0.001mm；大角度规4套在机身外圆上，可以转动或前后滑动调整位置与紧套的标线对齐，大角度规4外圆上有20格刻度线，每格代表0.001mm。
35.参照图5和图6，膨胀螺栓与主轴12通过锥螺纹配合，膨胀螺栓外圆加工有六角螺栓头，用于安装扳手拧动膨胀螺栓，栓身与栓头中间部分加工成光滑锥面，锥面上刻有一段标线，与小角度规6刻度对齐便于读取旋转角度。紧套与机架10通过锥螺纹配合，紧套周面有4个均布的孔，用于安装扳柱9拧动紧套，紧套外圆上刻有一段标线，与大角度规4刻度对齐便于读取旋转角度。
36.从微观上看，机械结合面为粗糙表面，两表面的互相接触，只发生在微凸体峰值处，使得实际接触面积小于名义基础面积，结合部刚度发生改变，压力与微凸体的变形呈指数关系，两者的关系可表示为
37.p＝mxn38.式中：p—结合面上的压力；x—结合面的变形量；m、n—常数。
39.对该式进行微分，可以得到接触刚度kn为：
[0040][0041]
m和n由机械零部件固有表面形态决定，该式说明结合部的法向刚度与压力的关系，符合指数关系，从结构上看，紧套与膨胀螺栓进给时，两结合面间接触微凸体增多，径向预紧力增大，在m与n由结合面形态确定的情况下，接触刚度数值呈上升趋势，即轴承内外圈与机架10、主轴12的结合部刚度随径向预紧力的增大而增大。对于圆柱滚子轴承18端，机械结合部刚度为外圈与机架10、内外圈与滚动体、内圈与主轴12的接触刚度的串联形式：
[0042][0043]
对于成对角接触球轴承19端，结合部刚度为单个轴承的外圈与机架10、内外圈与滚动体、内圈与主轴12的接触刚度串联后，再并联的总刚度。
[0044][0045]
式中：k—接触刚度；下标：j—滚动体序号；o—内圈；i—外圈；1—机架10；2—主轴12。
[0046]
紧套与膨胀螺栓进给时，主要通过调整轴承内外圈与机架10、主轴12间的压力来改变接触刚度，轴承内外圈几乎没有产生挤压变形，所以对轴圈与滚动体间接触刚度的影响可以忽略，因此从表达式的数学关系可以得出结论：紧套与膨胀螺栓进给时，结合部刚度随径向预紧力的增大而增大。
[0047]
卡环11与法兰2连接时，卡环11的矩形键块嵌入主轴12的弹性缝隙中，主轴12固定不动，紧套内圆锥螺纹的公称直径小于机架10外圆锥螺纹的公称直径，拧动紧套沿机架10外圆锥螺纹旋转时，紧套的内圆锥面对机架10两端的外圆锥面有一个挤压的作用，由于机架10上开有4mm宽的弹性缝隙，内孔收缩，调整了机架10与轴承外圈的结合部刚度，紧套每拧动360度，机架10内孔缩小0.020mm，螺栓在腰型槽内发生细微径向移动；膨胀螺栓外圆锥螺纹的公称直径大于主轴12内圆锥螺纹的公称直径，拧动膨胀螺栓沿主轴12内圆锥螺纹旋转时，膨胀螺栓的外圆锥面对主轴12两端的内圆锥面有一个扩张的作用，主轴12由于左右两边有4mm宽的弹性缝隙，内孔膨胀，调整主轴12与轴承内圈的结合部刚度，膨胀螺栓每拧动360度，主轴12内孔涨大0.020mm。
[0048]
将两端紧套旋紧，机架10悬臂夹紧轴承外圈，对轴承起到定心作用，两端轴承的轴心线在同一条线上；若将第一膨胀螺栓7旋紧，第二膨胀螺栓13卸下，主轴12左端内壁涨紧，对主轴12起到定心作用，角接触球轴承19、圆柱滚子轴承18和主轴12的轴心线在同一条线上，主轴12右端内壁放松且与轴承内圈存在间隙，此时角接触球轴承19从主轴-轴承系统中断开，圆柱滚子轴承18接入主轴-轴承系统。同理，若将第二膨胀螺栓13旋紧，第一膨胀螺栓7卸下，此时圆柱滚子轴承18从主轴-轴承系统中断开，角接触球轴承19接入主轴12-轴承系统。因此，分别控制轴承的接入与断开，便可以进行各类轴承的轴向刚度测试。
[0049]
实施例1：
[0050]
一种可变刚度主轴的机械式测试台架，由试验装置和仪器设备系统组成，试验装置包括法兰2、第二紧套3、大角度规4、第一紧套5、小角度规6、第一膨胀螺栓7、扳柱9、机架10、卡环11、主轴12、第二膨胀螺栓13、铸铁平台14、带颈法兰17、圆柱滚子轴承18、角接触球轴承19；仪器设备系统包括力锤1、压电式加速度传感器8、动态信号测试分析仪15和计算机16。
[0051]
将角接触球轴承19背对背安装，从机架10右端推入直至抵住内部挡肩，再将圆柱滚子轴承18从主轴12最小轴径端套入，推至抵住左端轴肩，然后将主轴12从机架10左端伸入，穿过一对角接触球轴承19，直至圆柱滚子轴承18外圈接触机架内部挡肩，接着将带颈法兰17和法兰2通过螺栓固定到机架10上，实现轴承的轴向定位。卡环11外侧的扇形键块与法兰2的扇槽配合，内侧的矩形键块卡入主轴12上的弹性缝隙，卡环11通过螺栓固定在法兰2上，限定主轴12的转动，将小角度规6套在法兰颈或卡环11上，大角度规4套于机架10上，根据实验要求拧紧膨胀螺栓和紧套，施加径向预紧力，结合部刚度发生改变，最后卸下卡环11。
[0052]
在第一膨胀螺栓7的六角端面上用磁力座布置压电式加速度传感器8。压电式加速度传感器8通过数据线和动态信号测试分析仪15输入端相连，动态信号测试分析仪15通过usb接口数据线连于电子计算机16上。
[0053]
打开计算机16上的信号分析软件后开始测量。用力锤1敲击第二膨胀螺栓13的六角端面施加轴向力，可将主轴12的轴向窜动量传递给加速度传感器。多次调整膨胀螺栓和紧套的位置，改变轴承与机架10、主轴12的结合部刚度，并采集各次实验数据，即可得到主轴12在不同结合部刚度下的窜动响应。
[0054]
实施例2:
[0055]
一种可变刚度主轴的机械式测试台架，由试验装置和仪器设备系统组成，试验装置包括法兰2、第二紧套3、大角度规4、第一紧套5、小角度规6、第一膨胀螺栓7、扳柱9、机架10、卡环11、主轴12、第二膨胀螺栓13、铸铁平台14、带颈法兰17、圆柱滚子轴承18、角接触球轴承19；仪器设备系统包括力锤1、压电式加速度传感器8、动态信号测试分析仪15和计算机16。
[0056]
将角接触球轴承19背对背安装，从机架10右端推入直至抵住内部挡肩，再将圆柱滚子轴承18从主轴12最小轴径端套入，推至抵住左端轴肩，然后将主轴12从机架10左端伸入，穿过一对角接触球轴承19，直至圆柱滚子轴承18外圈接触机架内部挡肩，接着将带颈法兰17和法兰2通过螺栓固定到机架10上，实现轴承的轴向定位。卡环11外侧的扇形键块与法兰2的扇槽配合，内侧的矩形键块卡入主轴12上的弹性缝隙，卡环11通过螺栓固定在法兰2上，限定主轴12的转动，将小角度规6套在法兰颈或卡环11上，大角度规4套于机架10上，根据实验要求拧紧膨胀螺栓和紧套，施加径向预紧力，结合部刚度发生改变，最后卸下卡环11。
[0057]
在第一膨胀螺栓7的六角端面上用磁力座布置压电式加速度传感器8。压电式加速度传感器8通过数据线和动态信号测试分析仪15输入端相连，动态信号测试分析仪15通过usb接口数据线连于电子计算机16上。
[0058]
打开计算机16上的信号分析软件后开始测量，用力锤1敲击第一膨胀螺栓7的六角
端面施加轴向力，测得主轴-轴承系统的一阶固有频率。提前测得主轴12、圆柱滚子轴承18、第一膨胀螺栓7和第二膨胀螺栓13的总体结构质量，采用公式ka＝4π2f2m计算轴承轴向刚度值。
[0059]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可变刚度主轴的机械式测试台架，其特征在于：由试验装置和仪器设备系统组成，试验装置包括法兰(2)、大角度规(4)、紧套、小角度规(6)、膨胀螺栓、扳柱(9)、机架(10)、卡环(11)、主轴(12)、铸铁平台(14)、带颈法兰(17)和轴承；仪器设备系统包括力锤(1)、压电式加速度传感器(8)、动态信号测试分析仪(15)和计算机(16)；所述的机架(10)固定于铸铁平台上，在主轴(12)的两端钻有锥螺纹孔，主轴(12)和机架(10)的两端各开有缝隙，所述缝隙为弹性缝隙，使主轴(12)和机架(10)的径向具有可弹缩性，能够通过进给变形施加不同的径向预紧力；所述的轴承包括试验装置左部分中的圆柱滚子轴承(18)、试验装置右部分中的角接触球轴承(19)，所述机架(10)与轴承的初始配合为间隙配合；所述主轴(12)与轴承的初始配合为间隙配合；所述的紧套包括试验装置左侧的第一紧套(5)、试验装置右侧的第二紧套(3)，两端紧套旋紧，机架(10)悬臂夹紧轴承外圈，第一紧套(5)和第二紧套(3)进给使机架(10)与轴承外圈之间产生挤压；所述的膨胀螺栓包括试验装置左端第一膨胀螺栓(7)、试验装置右端的第二膨胀螺栓(13)，所述膨胀螺栓与主轴(12)通过锥螺纹配合，膨胀螺栓的进给使主轴(10)与轴承内圈之间产生挤压；所述的主轴(12)两端钻有盲孔，所述的机架(10)两端外圆部分和主轴(12)两端外圆部分各开有若干弹性缝隙，使机架(10)与主轴(12)径向具有可弹缩性；所述的法兰(2)和带颈法兰(17)上加工有螺纹孔与腰型槽，带颈法兰(17)与机架(10)通过螺栓连接，抵住轴承端面对两端轴承；法兰(2)上具有扇形键槽，卡环(11)外侧具有扇形键块，与法兰(2)的扇槽配合，二者通过螺栓连接，环内圆有与槽宽相等的矩形键块，矩形键块卡入主轴(12)上的弹性缝隙；所述的小角度规(6)套在卡环(11)或法兰颈上，能够转动或前后滑动调整位置与膨胀螺栓的标线对齐；所述的大角度规(4)套在机身外圆上，能够转动或前后滑动调整位置与紧套的标线对齐；在膨胀螺栓上布置有压电式加速度传感器(8)，压电式加速度传感器和力锤通过数据线和动态信号测试分析仪输入端相连，动态信号测试分析仪通过usb接口数据线连于电子计算机上。2.根据权利要求1所述的可变刚度主轴的机械式测试台架，其特征在于：机架(10)外圆和膨胀螺栓外圆为两个外锥面，主轴(12)内圆和紧套内圆为两个内锥面；膨胀螺栓和主轴(12)通过内锥面分别与紧套和机架(10)的外锥面进行螺纹配合。3.根据权利要求1所述的可变刚度主轴的机械式测试台架，其特征在于：膨胀螺栓外圆加工有六角螺栓头，膨胀螺栓的栓身与栓头中间部分加工成光滑锥面，锥面上刻有一段标线，与小角度规(6)刻度对齐便于读取旋转角度；紧套与机架(10)通过锥螺纹配合，紧套周面有均布的通孔，用于安装扳柱(9)拧动紧套，紧套外圆上刻有标线，与大角度规(4)刻度对齐便于读取旋转角度。4.根据权利要求1所述的可变刚度主轴的机械式测试台架，其特征在于：紧套与膨胀螺栓进给时，通过调整轴承内外圈与机架(10)、主轴(12)间的压力来改变接触刚度，轴承内外圈几乎没有产生挤压变形，因此紧套与膨胀螺栓进给时结合部刚度随径向预紧力的增大而增大。5.根据权利要求1所述的可变刚度主轴的机械式测试台架，其特征在于：小角度规(6)
端面上有20格刻度线，每格代表0.001mm；大角度规(4)外圆上有20格刻度线，每格代表0.001mm。6.根据权利要求1所述的可变刚度主轴的机械式测试台架，其特征在于：所述的弹性缝隙为4mm宽，拧动紧套沿机架(10)外圆锥螺纹旋转时，紧套每拧动360度，机架(10)内孔缩小0.020mm，螺栓在腰型槽内径向移动，拧动膨胀螺栓沿主轴(12)内圆锥螺纹旋转时，膨胀螺栓每拧动360度，主轴(12)内孔涨大0.020mm。7.根据权利要求1所述的可变刚度主轴的机械式测试台架，其特征在于：卡环(11)与法兰(2)连接时，卡环(11)的矩形键块嵌入主轴(12)的弹性缝隙中，主轴(12)固定不动，拧动紧套沿机架(10)外圆锥螺纹旋转时，紧套的内圆锥面对机架(10)两端的外圆锥面有挤压作用，由于机架(10)上开有弹性缝隙，其内孔收缩，能够调整机架(10)与轴承外圈的结合部刚度；拧动膨胀螺栓沿主轴(12)内圆锥螺纹旋转时，膨胀螺栓的外圆锥面对主轴(12)两端的内圆锥面有扩张作用。

技术总结
本发明公开了一种可变刚度主轴的机械式测试台架，主轴和机架的两端各开有若干个弹性缝隙；机架外圆和膨胀螺栓外圆为两个外锥面，主轴内圆和紧套内圆为两个内锥面。膨胀螺栓和主轴、紧套和机架通过锥面上的螺纹配合。本发明可以根据试验要求，随时拧动膨胀螺栓与紧套，调整轴承与主轴、机架间的预紧力改变结合部刚度，测试主轴在不同配合间隙情况下的轴向窜动响应；也可以单独测试轴承的轴向刚度，避免了因设计、使用和制造要求等原因造成多次加工台架的情况，具有降本增效优点；弹性缩放间隙大，可实现滚动轴承的系列化和标准化；合理的间隙调试可以最好的控制轴承运转时的温度与振动以及主轴的窜动。与振动以及主轴的窜动。与振动以及主轴的窜动。


技术研发人员：徐振钦 秦育彦 冯勇 潘龙 曹灏栋 高寒
受保护的技术使用者：南京工程学院
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2022/3/8