■中信戴卡股份有限公司 (河北秦皇島 066011) 蔡衛(wèi)民 于志遠(yuǎn) 鄭 堯 王亞軍
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根據(jù)加工現(xiàn)場統(tǒng)計(jì),鋁車輪在加工過程中,內(nèi)、外輪輞振刀,胎圈座振刀、正面振刀較為常見,其主要原因是機(jī)床、工件和刀具三個(gè)系統(tǒng)中任一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)剛性不足,刀具切削產(chǎn)生的激振力與任一或多個(gè)系統(tǒng)固有頻率相同或接近,從而產(chǎn)生共振。
(1)機(jī)床原因。機(jī)床本身的精度對(duì)加工的穩(wěn)定性有著重要的影響,除此之外,機(jī)床導(dǎo)軌的磨損也會(huì)造成刀塔在加工過程中發(fā)生振動(dòng),從而在加工表面產(chǎn)生不一致的刀紋。定位裝置及夾緊系統(tǒng)的精度對(duì)鋁車輪的定位產(chǎn)生影響,如果定位塊精度低或定位塊和鋁車輪之間夾雜有鋁屑,會(huì)造成加工過程刀具切削厚度不一致,引發(fā)系統(tǒng)振動(dòng);如果夾爪的夾緊力不足或夾緊裝置螺栓發(fā)生松動(dòng),會(huì)造成加工過程鋁車輪發(fā)生上下竄動(dòng),引發(fā)系統(tǒng)振動(dòng)。
(2) 刀具原因。刀具系統(tǒng)的剛性不足也會(huì)引發(fā)系統(tǒng)振動(dòng)。如果刀桿或刀片安裝螺栓緊固效果不好,會(huì)造成加工過程刀具發(fā)生振顫,引發(fā)系統(tǒng)振動(dòng)。如果刀桿過長,會(huì)造成刀具剛性不足,引發(fā)振動(dòng)。如果刀具磨損量過大,刀具鋒利性不夠,會(huì)造成刀具切削力波動(dòng)性增強(qiáng),引發(fā)系統(tǒng)振動(dòng),因此有必要定期檢查刀片磨損量,定期更換刀片。
(3)工件原因。工件在夾緊狀態(tài)下的剛性對(duì)于系統(tǒng)振動(dòng)有著重要影響。鋁合金車輪的機(jī)加工過程主要包括兩個(gè)工序,分別為車削一序、車削二序。鋁車輪定位夾緊方式如圖1所示,一序加工軸向采用軸向塊定位,定位位置為外輪緣端面,徑向采用徑向塊定位,定位位置為外輪緣外側(cè),通過壓爪對(duì)外輪緣內(nèi)側(cè)進(jìn)行夾緊;二序加工軸向采用軸向塊定位,定位位置為內(nèi)輪緣端面,徑向采用心軸定位,定位位置為中心孔內(nèi)表面,通過壓爪對(duì)內(nèi)輪緣內(nèi)側(cè)進(jìn)行夾緊。
圖1 鋁車輪定位夾緊方式
(1)有限元模型建立。通過CATIA軟件建立鋁合金車輪的三維模型,在Workbench中建立模態(tài)分析模塊,將三維模型導(dǎo)入。對(duì)模型進(jìn)行材料設(shè)置,材料參數(shù)如表1所示。分別設(shè)置車削一序和車削二序的邊界條件。對(duì)定位位置施加位移約束,限制其定位方向的位移,對(duì)夾緊位置施加固定約束,限制其所有自由度。
(2)車削一序模態(tài)分析。由于低階模態(tài)具有較大現(xiàn)實(shí)意義,故提取前6階模態(tài)進(jìn)行分析。車削一序的頻率值如表2所示,模態(tài)振型圖如圖2。
由表2和圖2可知,1階模態(tài)為法蘭及輪輻內(nèi)側(cè)部位的振動(dòng),振動(dòng)方向沿法蘭軸向,2階、3階模態(tài)頻率相近,均為輪輞靠近內(nèi)輪緣部位的振動(dòng),振動(dòng)模式為徑向三角形振動(dòng),4階、5階模態(tài)頻率相近,也為輪輞靠近內(nèi)輪緣部位的振動(dòng),振動(dòng)模式為徑向四邊形振動(dòng),6階模態(tài)為輪輞靠近內(nèi)輪緣部位的振動(dòng),振動(dòng)模式為徑向橢圓振動(dòng)。
表1 鋁合金材料參數(shù)
表2 車削一序的頻率值
表3 車削二序的頻率值
進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn),2~6階模態(tài)振型具有相似性,即輪輞靠近內(nèi)輪緣部位振動(dòng)較明顯,這是由于該部位遠(yuǎn)離鋁車輪夾緊部位,且輪輞壁厚較薄,整體剛性不足,在加工過程中易產(chǎn)生振刀現(xiàn)象。
(3)車削二序模態(tài)分析。車削二序的頻率值如表3所示,模態(tài)振型圖如圖3所示。
由表3和圖3可知,1階、2階模態(tài)頻率接近,振型均為正面輪輻部位的振動(dòng),振動(dòng)方向沿法蘭軸向,二者具有相似性,只是徑向部位相差90°。3~6階模態(tài)頻率接近,振型分別為輪輞中部沿各個(gè)方向的扭曲變形。
進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn),鋁車輪在二序車削過程中,正面輪輻部位和輪輞中部屬于薄弱環(huán)節(jié),在現(xiàn)場加工過程中,鋁車輪正面會(huì)出現(xiàn)刀紋不一致、表面質(zhì)量差等問題,分析可知,這可能是由于刀具在切削過程中切削參數(shù)設(shè)置不當(dāng),加之切削表面的不連續(xù)性,引發(fā)系統(tǒng)振動(dòng)所致。
圖2 車削一序模態(tài)振型
圖3 車削二序模態(tài)振型圖
由于切削振動(dòng)產(chǎn)生原因的多樣性,首先應(yīng)找到引發(fā)振動(dòng)的具體原因,進(jìn)而采取相應(yīng)的預(yù)防措施,從根源上減小切削振動(dòng)對(duì)成品率的影響,具體的預(yù)防措施如圖4所示,分別從機(jī)床、刀具、工件三個(gè)方面采取相應(yīng)預(yù)防措施,保證加工前機(jī)床及刀具處于最優(yōu)狀態(tài),盡量在加工前消除或減小發(fā)生振動(dòng)的隱患,提高產(chǎn)品的成品率。
圖4 鋁車輪切削振動(dòng)的預(yù)防措施
本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,對(duì)鋁車輪振刀原因進(jìn)行詳細(xì)分析,并提出相應(yīng)預(yù)防及解決措施,進(jìn)一步利用有限元軟件,對(duì)鋁車輪夾緊狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)分析,獲得了鋁車輪在加工狀態(tài)下的頻率及振型分布,并指出了鋁車輪加工過程易發(fā)生振動(dòng)的薄弱部位,薄弱環(huán)節(jié)具體為車削一序的法蘭及輪輞靠近內(nèi)輪緣部位,車削二序的正面及輪輞中部位置。鋁車輪切削加工過程的模態(tài)分析為鋁合金車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及切削工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù),同時(shí)提出鋁車輪切削振動(dòng)的預(yù)防及解決措施。