叢春曉，劉 恒，呂凱波，景敏卿

(西安交通大學(xué)機(jī)械電子及信息系統(tǒng)研究所，西安 710049)

0 引言

為了適應(yīng)國內(nèi)外市場的需要，滿足用戶對高速、高精度及復(fù)合加工的需求，最大限度地一次性完成所有零件的表面加工，機(jī)床多軸復(fù)合加工已日益普及，數(shù)控機(jī)床向復(fù)合化發(fā)展的趨勢已經(jīng)相當(dāng)明顯，精密、高效雙電主軸銑車(車銑)復(fù)合加工中心的出現(xiàn)和發(fā)展就充分地體現(xiàn)了這種變化的趨勢。馬維新［1］等介紹了德國西門子公司的雙主軸數(shù)控機(jī)床，并對同步電主軸進(jìn)行了研究。雖然銑車(車銑)復(fù)合加工中心的出現(xiàn)還不到20年，但發(fā)展速度很快，產(chǎn)品性能越來越完善［2］。由于該設(shè)備加工適應(yīng)能力強(qiáng)、工藝范圍廣、裝夾次數(shù)少、節(jié)約輔助時(shí)間、提高加工精度，深受航天、航空、兵器、汽車、能源及其他重點(diǎn)領(lǐng)域用戶的歡迎。對于高端領(lǐng)域有些零件的特殊性，需要用到特殊的加工方法，對于細(xì)長軸的加工，戴海港［3］等設(shè)計(jì)了單刀架的雙刀切削方法，許文韜［4］等設(shè)計(jì)了普通機(jī)床的上下雙刀對置切削方法，徐增豪［5］等介紹了雙主軸雙刀架車削中心的特點(diǎn)。在對車削過程中刀具的實(shí)時(shí)監(jiān)測多采用測試刀架上的切削力監(jiān)測［6］，并且對車削工件的監(jiān)測比較困難，一般通過噪聲和表面質(zhì)量來分析加工狀態(tài)［7］。大連機(jī)床集團(tuán)的車銑復(fù)合中心(CHD25A)在加工細(xì)長軸類零件時(shí)采用的是同步雙電主軸夾持和上下雙刀對置切削(圖1)，期望能解決加工過程中存在的表面加工質(zhì)量差的問題。本文針對該車銑復(fù)合中心車削細(xì)長軸零件時(shí)的兩個(gè)主軸和加工部分，通過對加工中部件的振動(dòng)位移監(jiān)測來進(jìn)行特性分析。

1 兩主軸同步空轉(zhuǎn)時(shí)主軸振動(dòng)特征分析

對主軸的振動(dòng)監(jiān)測采用4個(gè)電渦流傳感器分別監(jiān)測兩個(gè)主軸卡盤位置兩個(gè)垂直方向上的振動(dòng)位移。測量0～2000rpm之間幾個(gè)不同轉(zhuǎn)速下，主軸和副主軸同步旋轉(zhuǎn)情況下的振動(dòng)情況。測量的轉(zhuǎn)速包括了500rpm，700rpm，800rpm，1000rpm，1200rpm，1400rpm，1600rpm，1800rpm，2000rpm。得到的主軸和副主軸的振動(dòng)信號和頻域信號如圖2所示，可見副主軸振動(dòng)較大(約40um)，主軸振幅較小(約30um)，且頻譜中的一倍頻和三倍頻能量較明顯。所以該機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)精度比副主軸高。

由2000～0rpm降速圖(圖3)，結(jié)合分段數(shù)據(jù)得出，當(dāng)轉(zhuǎn)速范圍在約1400～1800rpm時(shí)兩軸振幅大于其他轉(zhuǎn)速時(shí)的振幅。分析認(rèn)為該情況是與敲擊主軸和主軸箱的測試信號中存在的25Hz固有頻率耦合而產(chǎn)生的(圖4)。

圖3 2000～0 rpm降速過程振幅圖

2 單刀切削實(shí)驗(yàn)分析

圖5為單刀切削時(shí)測試狀況，在轉(zhuǎn)速1400rpm情況下，采用單刀進(jìn)行切削，測量不同切削厚度下刀具和拉桿的振動(dòng)情況。采用兩個(gè)加速度傳感器和兩個(gè)電渦流傳感器分別采集切削時(shí)刀具和拉桿兩個(gè)垂直方向上的振動(dòng)信號。

為了使加工狀態(tài)的振動(dòng)特性能有較好的對比性和便于分析總結(jié)，首先測出切削前細(xì)長軸的空轉(zhuǎn)振動(dòng)特征(圖6)，從空轉(zhuǎn)情況下工件的頻譜圖可見，細(xì)長軸的振動(dòng)頻率主要以工頻為主。

圖6 空轉(zhuǎn)情況下工件的頻譜圖

加工中如果切深較大時(shí)，在加工中會(huì)出現(xiàn)噪聲較大，表面有粗糙振紋，刀具和工件振動(dòng)較大的情況(圖7)。

圖7 振動(dòng)較大處表面質(zhì)量和刀具振動(dòng)信號

以振動(dòng)信號增大處為分界點(diǎn)，分析振紋前和振紋處的信號特征，從圖8，9中可以看出振紋前刀具和工件的振動(dòng)以三倍頻70Hz為主，振紋處工件以工頻為主，且頻率分量較復(fù)雜，刀具則以高頻320Hz左右為主，而敲擊刀臺實(shí)驗(yàn)中(圖10)也有320Hz的分量，分析認(rèn)為振動(dòng)的增大與該高頻分量與機(jī)床自身的頻率耦合有關(guān)。

3 雙刀對置切削特征分析

車銑復(fù)合中心在車削細(xì)長軸時(shí)采用雙刀對置切削如圖11所示，是在轉(zhuǎn)速1400rpm、雙刀對置切削，測試單邊切深0.8mm加工參數(shù)下，刀具和拉桿的振動(dòng)情況，采用加速度傳感器和電渦流傳感器分別測量切削時(shí)刀具和拉桿的振動(dòng)信號。

圖11 上下刀架對置切削測試

從加工的表面質(zhì)量上和監(jiān)測的時(shí)域振動(dòng)信號可以分析得出，雙刀對置切削比單刀切削有很大優(yōu)勢，不但可以獲得雙倍的加工效率，而且刀具和工件的振動(dòng)量比單刀切削小。從頻域上看(圖12)，刀的振動(dòng)頻率成分除3倍頻以外，其高頻分量很豐富，且大都集中在250-350Hz的高頻區(qū)間;而工件的振動(dòng)主頻率是1/2倍頻。

圖12 雙刀對置切削頻域特征

4 結(jié)論

(1)兩軸同步空轉(zhuǎn)時(shí)主軸的旋轉(zhuǎn)精度基本都大于副主軸，且1400～1800rpm處兩軸振動(dòng)位移異常偏大，分析認(rèn)為與主軸箱等部件的25～30Hz固有低頻分量相耦合。

(2)單刀切削測試中，工件空轉(zhuǎn)時(shí)主頻率為工頻，切削時(shí)三倍頻為主，振動(dòng)較大處工頻較明顯。刀具切削中以三倍頻為主，振動(dòng)較大時(shí)高頻分量300Hz左右較明顯。雙刀對置切削比單刀切削有很大優(yōu)勢，且工件的振動(dòng)信號以1/2倍頻為主。

［1］馬維新，王麗.CKS7815型雙主軸數(shù)控車床的設(shè)計(jì)制造［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010(2):72-74.

［2］李德珍，李憲凱.五軸車銑復(fù)合加工技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.航空制造技術(shù)，2009(12):47-50.

［3］戴海港，鄧志平.細(xì)長軸的雙刀車削加工方法［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010(6):88-92.

［4］許文韜，岳鵬程，朱有為.普通車床的對稱式雙刀車削［J］.機(jī)械工程師，2007(9):135-136.

［5］徐增豪，胡克廷，張仲益，等.雙主軸雙刀架車削中心的研制［J］. 機(jī)械制造，2005，43(11):18-19.

［6］M Sekar，J Srinivas，K Rama Kotaiah，et al.Stability analysis of turning process with tailstock supported workpiece.International Journal of Advanced Manufacturing Technology.2009，43:862-871.

［7］Emre Ozlu，Erhan Budak.Analytical Modeling of Chatter Stability in Turning and Boring Operations PartII:Experimental Verification.Journal of Manufacturing Science and Engineering，2007(8).